李青石，李庶林，陳際經(jīng)

（1.廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005；2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

0 前言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所［1］。尾礦庫是維持礦山的正常生產(chǎn)的重要組成，同時，它也是金屬、非金屬礦山的重大危險源和環(huán)境污染源。尾礦壩一旦垮塌，不僅使國家受到經(jīng)濟損失，更危及作業(yè)人員和下游地區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全，并且尾礦庫中的有害化學物質將污染周圍地下水和江河流域，造成嚴重的環(huán)境破壞。

我國尾礦庫數(shù)量多、規(guī)模小，且大都采用穩(wěn)定性差的上游式筑壩，庫址的選取難以避開居民區(qū)，尾礦庫總體技術力量薄弱，安全性得不到保障，尾礦庫災害已經(jīng)對國家經(jīng)濟和人民的生命財產(chǎn)造成嚴重危害。因此，運用科學的方法加強尾礦庫安全管理、防范尾礦庫事故、保障尾礦庫安全運營，對于土木工程防災減災具有十分重要的意義。

1 典型尾礦庫災害案例分析

1.1 國內外典型尾礦庫潰壩災害

國內外時常報導尾礦壩的安全事故，但是事故的數(shù)量和人員、財產(chǎn)、環(huán)境的損害情況實際上大大超過了被公開報導的，僅從2001年起，我國的尾礦庫事故已發(fā)生40多起，其中，重特大事故8起，造成嚴重的生命財產(chǎn)損失，對生態(tài)環(huán)境造成惡劣的污染。以下列出了國內外的一些尾礦壩事故及其造成危害的情況（表 1、表 2）。

1.2 典型尾礦庫潰壩災害案例分析

1.2.1 山西襄汾縣塔山尾礦庫

2008年9月8日，山西襄汾縣塔山礦區(qū)新塔礦業(yè)公司違規(guī)運營，在已經(jīng)閉庫的尾礦庫上違章加筑尾砂壩并排放尾礦，并且尾礦堆積壩坡度過大。在生產(chǎn)缺水的情況下，礦主竟在尾砂子壩上鋪設塑料布擋水，致使庫區(qū)內積水相當嚴重。在較高水頭下，尾砂一直被浸泡并處于飽水狀態(tài)，壩體產(chǎn)生局部滲透破壞并引發(fā)整體滑動。最危險的是，人群聚集的辦公樓和農貿市場就修建在緊鄰該尾礦壩下游50多米處。由于當日正值發(fā)放工資和百姓趕集，該區(qū)域內聚集了較多民眾，最終釀成特別重大的潰壩事故，共造成277人遇難，4人失蹤，33人受傷，直接經(jīng)濟損失近1億元。

事故原因分析：

（1）企業(yè)嚴重違法，在已閉庫的舊尾礦庫上繼續(xù)堆存尾礦，既沒有按規(guī)范設計排洪系統(tǒng)和尾砂堆壩工藝，也沒有懂技術的、負責任的尾礦庫管理人員［9］；

（2）2007年2月底至3月初，包括庫區(qū)在內的五臺山地區(qū)連降兩場大雪，庫區(qū)周邊積雪達0.5 m以上。雪后氣溫較高，冰雪融化速度快，融水沿尾礦庫表面向深部滲透，尾礦庫壩體的強度和穩(wěn)定性降低。

（3）設計時沒有考慮到潰壩的可能性，在尾礦壩正下方近距離修建了辦公樓及大型公共場所，以致災害來臨時防不勝防，造成大量人員傷亡。

1.2.2 柿竹園野雞尾尾礦庫垮壩事故

1985年8月24日至25日，由于受第10號臺風等因素的影響，柿竹園礦區(qū)所在的郴縣境內普降當?shù)赜杏涊d資料以來最大的一場暴雨。據(jù)當?shù)厮挠^察站提供的資料，8月24日9時至25日22時的37個小時內，降雨達364mm，超過7、8、9三個月的正常降雨量289mm，而該庫所在的東波礦區(qū)是暴雨的中心地帶，僅8月25日，東波礦區(qū)連降四個多小時特大暴雨，降雨量達到429.8mm/日，其中零點至2點50分，降雨量為211mm（小時降雨量為75.6mm）是該地區(qū)歷年每小時最大降雨量的1.19倍。

8月25日凌晨3點40分左右，野雞尾尾礦庫上游強大的洪水、泥石流席卷著泥沙、石塊、樹木、雜草，越過壩尾截洪溝，在幾分鐘的時間內就將該庫壩體沖跨。此次洪水和垮壩事故導致礦區(qū)死亡46人，沖毀淹沒房屋、生產(chǎn)生活設備、設施（道路、橋梁、電線等）。礦區(qū)直接經(jīng)濟損失639.2萬元，是該礦歷年來最嚴重的災害性事故，給人們留下了深刻記憶和慘痛的教訓。

表1 國內典型尾礦庫潰壩事故［2－6］Table 1 Typical accidents of dam break in tailing pond in China［2－6］

表2 國外典型尾礦庫潰壩事故［7－8］Tab le 2 Typical accidents of dam break in tailing pond ab road［7－8］

事故原因分析：

（1）百年不遇的特大暴雨引起山洪爆發(fā)和泥石流；

（2）尾礦庫設防能力過低，原尾礦庫是1967年由湖南有色金屬工業(yè)管理局設計室完成施工圖設計，1971年建成。當時正值“文革期間”，設計管理混亂，加之，國家尚未出臺有關選礦廠尾礦設施設計標準或規(guī)范，使設計存在一定的缺陷；

（3）在尾礦庫施工及管理中缺乏能正確識別存在的問題的技術人員及手段，因此，尾礦庫壩的安全監(jiān)控無法實施到位，長期累積的安全隱患得不到妥善處理，從而導致事故的發(fā)生。

從以上案例中可以看出，我國的尾礦庫安全事故頻發(fā)的原因不僅只是自然因素或是個別企業(yè)重利益、輕安全所造成的，設計不正規(guī)、管理不規(guī)范也是我國中小型尾礦庫普遍存在的問題。如何運用科學的手段有效地管理尾礦庫，提升其安全度，關鍵在于必須對尾礦庫實施安全監(jiān)控，及時準確地分析尾礦庫的安全狀況。因此，在國家對于尾礦庫安全管理工作加大力度的同時，提高尾礦庫的科研水平，特別是對尾礦庫安全監(jiān)控技術手段的研究和完善顯得尤為重要。

2 尾礦壩安全監(jiān)控

2.1 尾礦壩安全監(jiān)測常規(guī)方法

2.1.1 壩體位移監(jiān)測

位移和變形是尾礦庫發(fā)生潰壩的直觀表現(xiàn)。及時發(fā)現(xiàn)尾礦壩外坡破壞變形范圍和發(fā)展速度，有利于迅速做出的應急反映，減少災害損失。

壩體位移監(jiān)測主要包括壩體表面位移監(jiān)測和內部位移監(jiān)測，其監(jiān)測方法和儀器設備種類很多。壩體表面變形監(jiān)測可以使用高精度智能全站儀和GPS監(jiān)測技術等，壩體內部位移監(jiān)測主要使用傾斜儀和沉降儀［2］。

（1）智能全站儀，即測量機器人技術，可以自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準目標并測量角度、距離、三維坐標以及影像等信息。智能全站儀與監(jiān)測點目標（照準棱鏡）及計算機形成變形監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候監(jiān)測，并自動數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理變形點的三維數(shù)據(jù)。這種方法成本低，管理維護便捷，監(jiān)測精度高。缺點是系統(tǒng)受地形、氣候條件的影響，不能完全實現(xiàn)通視測量。

（2）GPS變形監(jiān)測技術

GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)是基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進行壩體變形監(jiān)測，它具有全天候監(jiān)測、抗干擾強、精度高等特點。但是其可靠性較差，系統(tǒng)維護量大，費用也較大。

（3）固定測斜儀

固定測斜儀適用于壩體變形的長期監(jiān)測，基本原理是使用測斜儀準確測量壩體的鉆孔內局部的傾斜度。儀器安裝于帶標準導槽的的測斜管中，通過測量滑輪的傾斜長度和角度從而計算出橫向和縱向水平位移。

（4）土體沉降儀

土體沉降儀（位移計）是通過將整套儀器安裝在鉆孔中監(jiān)測灌漿錨頭和沉降板之間的土體壓縮沉降變形量。

2.1.2 浸潤線監(jiān)測

浸潤線的高度直接關系到壩體穩(wěn)定及其安全性。因此，對于浸潤線位置的監(jiān)測，成為尾礦庫安全監(jiān)測的重要內容。尾礦壩浸潤線監(jiān)測通常有兩種方法。一種是埋設適當數(shù)量的測壓管，通過人工現(xiàn)場測量測壓管中水位得到浸潤線的高度；另一種是埋設特制傳感器，通過在壩體內鉆鑿鉆孔，把帶有壓力傳感器的滲壓計放置在鉆孔里，通過滲壓計測量的壓力，再轉換為水頭高度，結合安裝深度以及孔口高度即可得到壩體或繞壩的浸潤線高度。

2.1.3 庫水位監(jiān)測

尾礦庫內存有大量的尾礦漿沉淀水，水位的高低對應著水量的多少，關系到防洪能力是否滿足安全要求。目前主要采用超聲波液位計，在溢流井上安裝超聲波液位計，通過測量超聲波液位計距離庫水面的高度來計算庫水位高程，也可另外設置標桿或基準塔，觀察標尺刻度，直觀、及時了解庫水位。

2.1.4 干灘長度和標高監(jiān)測

在定量評價尾礦庫的防洪能力時，常需要考證干灘長度和安全超高［16］。通常采用的方法是選擇監(jiān)測斷面，建立平面直角坐標系，使用移動GPS或超聲波液位計等儀器測量監(jiān)測斷面干灘上若干點的高程，結合各測點間的距離計算出干灘坡度，或擬合出干灘曲線方程，再利用庫水位，壩頂標高分別得出干灘與庫水面和尾礦壩外坡面的交點，從而求出干灘長度或安全超高。雖然測量干灘高程的儀器設備靈活簡便、能適應不同位置變化的需要，但是由于水邊線的界線不明顯，且該處是測量人員無法進入的，所以這種測量方法無法從本質上實現(xiàn)精確、快速地測定這兩項指標。

2.1.5 滲流量監(jiān)測

尾礦壩排出的水流通過一個三角形或矩形槽口的堰板，堰口流出的水量與量水堰的水頭高度具有一定的函數(shù)關系，先用試驗方法確定堰上水頭高度與流量之間的轉換關系，然后用超聲波液位計監(jiān)測量堰的水頭高度進而得出滲流量。

2.1.6 尾礦庫數(shù)字化在線監(jiān)測系統(tǒng)

由于先進的信號傳輸、傳感器、網(wǎng)絡和軟件技術的不斷發(fā)展，使得尾礦庫數(shù)字化在線監(jiān)測技術近年來在我國得到長足的進步和極大的發(fā)展空間。這種監(jiān)測系統(tǒng)結合了對于以上尾礦庫各項安全指標的監(jiān)測方法，利用遍布尾礦庫各監(jiān)測點的傳感器獲取尾礦庫的各項運行數(shù)據(jù)，再采用多信息融合技術將數(shù)據(jù)進行整合重組，送入計算機分析模塊進行計算，從而在線監(jiān)控尾礦庫的運行狀態(tài)。當尾礦庫出現(xiàn)安全隱患時，系統(tǒng)能及時判斷并發(fā)出預警信號，提示有關部門進行處理，從而避免尾礦庫安全事故的發(fā)生。由于尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)目前仍處于試運行階段，其結構和功能都在不斷地被更新和開發(fā)，因此以下僅表示尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要結構（圖 1）［10～17］。

圖1 尾礦庫數(shù)字化在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of on line monitoring system of Tailing pond digitalization

這種監(jiān)測方法用全自動數(shù)字化技術代替了常規(guī)的人工監(jiān)測方法，大大降低了勞動強度，避免了人為監(jiān)測的誤差，并且在惡劣氣候下仍然可以運行。系統(tǒng)運用先進的高科技手段，監(jiān)測尾礦庫各項主要安全指標，顯示各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，同時通過配套軟件來分析壩體形變斷面、壩體形變等值線、各種參數(shù)過程線等，提高了數(shù)據(jù)采集的全面性和準確性，使尾礦庫的監(jiān)測管理實現(xiàn)了信息化。

2.2 常規(guī)監(jiān)測方法案例

尖山鐵礦是國家大型黑色冶金礦山企業(yè)，是太鋼集團重要的鐵精粉原料生產(chǎn)基地，其城東溝尾礦庫采用上游式筑壩。初期壩設在溝口，壩底標高為1276m，壩頂標高1305m，壩高29m。尾礦庫設計為年處理原礦400×104t，尾礦產(chǎn)率60％，尾礦最終堆積標高1400 m，最大壩高124 m，總庫容9427×104m3。目前尾礦堆積標高為1354m，尾礦壩壩高78m。

尖山鐵礦城東溝尾礦庫過去采用人工定期測量、統(tǒng)計上報的安全監(jiān)測方法，但這種方法只能測量尾礦壩的外觀變化情況，無法對壩體內部關鍵部位進行持續(xù)有效的監(jiān)測，而且人工監(jiān)測方法受天氣、技術經(jīng)驗等因素的影響，數(shù)據(jù)采集準確性較差。因此，尖山鐵礦在2009年8月份將“尾礦庫數(shù)字化在線監(jiān)測系統(tǒng)”正式投入運行，到目前為止該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果明顯。

主要監(jiān)測內容及布置如下［18］：

（1）壩體位移監(jiān)測

沿壩體垂直方向向庫內（水面方向）設置5個位移監(jiān)測剖面，共12個位移監(jiān)測點。位移監(jiān)測采用GPS技術進行全天候的三維變形監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集頻率每秒1次，每隔12 h或24 h進行解算。

（2）浸潤線監(jiān)測

沿壩體垂直方向向庫內（水面方向）設置7個浸潤線監(jiān)測剖面，共15個浸潤線監(jiān)測點。采用振弦式滲壓計為主要測量設備。數(shù)據(jù)采集頻率為每4 h 1次，每隔24 h進行解算。

（3）庫水位監(jiān)測

在溢洪塔處設置水位計和雨量計進行庫水位和降雨量的實時監(jiān)測。水位計和雨量計采用新一代的遠程終端測控設備（RTU），可以在惡劣的溫度與濕度條件下進行實時監(jiān)測。庫水位數(shù)據(jù)采集每小時1次，降雨量數(shù)據(jù)采集為實時數(shù)據(jù)。

（4）干灘監(jiān)測

沿壩體垂直方向向庫內（水面方向）設置7個干灘高程監(jiān)測剖面，共14個干灘監(jiān)測點。采用干灘高程監(jiān)測儀為設備進行實時監(jiān)測。每天上午8點和晚上8點各采集數(shù)據(jù)1次，以12 h為周期進行解算。

（5）視頻監(jiān)視

在1356m處子壩南、北各設置一臺攝像機，同時在溢洪塔周邊山體設置一臺攝像機。視頻信號接入尖山鐵礦視頻監(jiān)控專網(wǎng)進行監(jiān)控。

經(jīng)過一年多的測試，該系統(tǒng)的運行效果良好，實現(xiàn)了監(jiān)測自動化，達到了常規(guī)人工方法所不能及的測量精度和效率，大大降低了監(jiān)測人員的勞動強度，并且它能及時有效地提供尾礦庫的各項數(shù)據(jù)，便于工作人員隨時查看、分析，在尖山尾礦庫的安全治理中起到了關鍵的指導作用。但是，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和推廣也面臨著許多問題。目前該系統(tǒng)仍處于試運行階段，它的耐用性暫時得不到驗證，也沒有一個規(guī)范標準來評價它的適用性和可靠性。從經(jīng)濟的角度上看，由于我國的尾礦庫90％以上為中小型尾礦庫，多數(shù)尾礦庫無法承受這樣高額的運行費用；從技術的角度上看，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法是在借鑒土石壩監(jiān)測規(guī)范的基礎上開發(fā)的，而我國尾礦庫多采用上游式筑壩方式，無論在結構特點還是材料性質上都與土石壩有明顯差別。另外，該系統(tǒng)的運行效果雖然已經(jīng)大大超越了人工測量，但國產(chǎn)設備的精度和穩(wěn)定性還有待于進一步提高。更重要的是，從以上監(jiān)測內容中不難看出，該系統(tǒng)雖然監(jiān)測了比較全面的尾礦庫數(shù)據(jù)，但無法完全實現(xiàn)對尾礦庫重要參數(shù)的實時全天候監(jiān)測，尾礦庫安全管理的漏洞依然存在。

3 實時全天候監(jiān)測技術

3.1 實時全天候監(jiān)測的必要性

雖然我國尾礦庫日常管理正在逐步走向規(guī)范化，但是尚未推廣實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理的信息化和自動實時監(jiān)測，多數(shù)尾礦庫仍然采用常規(guī)的人工觀測，其精度完全由觀測人員的經(jīng)驗決定，數(shù)據(jù)采集受氣候的影響較大，難以做到實時、準確。同時，資料數(shù)據(jù)的整理分析滯后于生產(chǎn)運行，隱患和問題難以及時被發(fā)現(xiàn)，容易引發(fā)事故。而使用實時全天候監(jiān)測系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)尾礦庫管理的信息化、實時化、網(wǎng)絡化，使得尾礦庫生產(chǎn)、安全管理人員，可以及時直觀的掌握壩體的實際動態(tài)，進行安全評價、預警預報，并指導生產(chǎn)，為加固工程設計、管理及消除隱患提供依據(jù)，為尾礦壩的安全監(jiān)測與管理決策提供有力支持，可以充分發(fā)揮工程效益，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3.2 實時全天候監(jiān)測方法

3.2.1 可視化視頻監(jiān)測

將視頻監(jiān)測攝像頭設置在尾礦庫溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位，這些部位的情況通過實時拍攝的視頻圖像快速傳輸至控制室的顯示屏幕上，并通過網(wǎng)絡及時上傳有關視頻圖象，由主管部門審定。這種監(jiān)測方法能直觀地反映尾礦庫的運行狀態(tài)，但是尾礦庫安全事故的發(fā)生過程總是由內到外、由小到大。視頻監(jiān)測無法及時探知尾礦庫內部的變化，也就無法從本質上遏制安全事故的發(fā)生。

3.2.2 多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)

多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，是以陣列的形式把傳感器布置在監(jiān)測區(qū)域內，采集尾礦或壩體因受外荷載作用而產(chǎn)生微破裂釋放出彈性波的信號，再通過對信號的分析定位來評價結構的安全性，并可實現(xiàn)對微震（微破裂）事件的全天候實時監(jiān)測。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法只針對尾礦庫某些安全技術指標的監(jiān)測，如：壩體位移、浸潤線、庫水位、干灘長度監(jiān)測等，通過系統(tǒng)優(yōu)化布局，實現(xiàn)對設計監(jiān)測范圍內的尾礦庫壩破壞（裂）過程在空間概念上的時間過程監(jiān)測，并且可以監(jiān)測到常規(guī)方法不可到達的位置。由于該系統(tǒng)使用了多傳感器，即可在不同位置對同一微震（微破裂）信息進行有效采集和處理，實現(xiàn)對微震事件的高精度空間定位（即反映出微震事件發(fā)生的具體空間位置）。這種空間定位功能可為尾礦庫壩的災害防治指明方向。微震監(jiān)測采用全數(shù)字化技術，克服了模擬信號系統(tǒng)的缺點，對數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理更加方便，使得計算機監(jiān)控成為可能。系統(tǒng)的高速采樣以及P波和S波的全波形顯示，使得對微震信號的頻譜分析和事件的判別直觀方便［21］。微震監(jiān)測技術基于數(shù)字技術和光纖通訊技術的遠程監(jiān)測和信息遠傳輸送，使得監(jiān)測的勞動強度大大降低，同時可以避免監(jiān)測人員直接進入危險監(jiān)測區(qū)域，改善了監(jiān)測人員的監(jiān)測環(huán)境。由于與終端監(jiān)控計算機實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸，可以使用對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行空間定位分析的三維軟件，借助于可視化編程技術，實現(xiàn)對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化三維顯示，并利用網(wǎng)絡技術（局域網(wǎng)）實現(xiàn)多用戶可視化監(jiān)測，為多專家實時、遠程分析與評價創(chuàng)造了條件。

3.3 多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)的技術理論難題

（1）目前，多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)多應用于巖土工程和地下工程的安全監(jiān)測，微震（微破裂）釋放出的彈性波在以巖體為主的介質中傳播，對傳感器接收信號影響不大，但在尾礦壩的監(jiān)測中，彈性波傳播的媒介主要為尾砂堆壩（松散體），因此使彈性波在傳播過程中衰減速度加快，傳感器得到的信號難以真實反映尾礦庫壩的破壞情況。國內外現(xiàn)階段對于彈性波在尾砂堆壩（松散體）中傳播特性的研究非常罕見，可以借鑒的技術非常少。因此，如何運用技術手段解決這一理論難題，使得該系統(tǒng)可以正確地分析尾礦庫壩破壞情況，精確地對破壞進行空間定位，還有待于進一步的研究和探討。

（2）正是由于彈性波在尾砂堆壩（松散體）中的傳播特點，采用何種頻段的設備來采集信號成為該系統(tǒng)運用的一大難題。所以，需要以大量的實驗為依據(jù)，選擇適合運用于尾礦壩監(jiān)測中的設備。

（3）現(xiàn)階段國內對于尾礦壩的潰壩機理的研究還不夠全面，正如前文所言，尾礦庫的許多安全指標是在借鑒了土石壩規(guī)范的基礎上而提出的，并且每個尾礦壩都有各自的特點，不同類型和不同規(guī)模的尾礦庫在各種地形條件下發(fā)生潰壩的規(guī)律還沒有科學的依據(jù)可循。因此，系統(tǒng)的建立還需要大量收集分析國內外潰壩事故的案例，通過理論分析和實驗，從尾礦壩潰壩機理出發(fā)，為多通道微震系統(tǒng)設定科學合理的監(jiān)測目標。

4 結語

尾礦庫工程不同于一般建設工程，最突出特點是它的運行期是一個漫長的筑壩施工過程，通常在幾年到幾十年之間，并且所涉及的知識面非常廣泛，包括采礦、選礦、機械、土力學、水力學等。由于尾礦壩及其構筑物所處的自然環(huán)境比較惡劣，所以需要全面管理、實時觀測、及時維護，以保證其安全穩(wěn)定性。我國尾礦庫正常運行的比例偏低，災害不斷，時有重特大事故發(fā)生，多數(shù)是因為失察、失修、施工不當，導致尾礦庫的安全性存在巨大的隱患，同時也反映了我國尾礦庫安全監(jiān)測的力度和方法存在著一定的漏洞和局限性。因此，如何使多通道微震系統(tǒng)更加適合運用于尾礦庫工程中，為尾礦庫的安全提供實時、全面的監(jiān)測，將是巖土工程中具有重大意義的研究方向。

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