劉建東，蘇 軍，韓志磊

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫(kù)是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所，是維持礦山進(jìn)行正常生產(chǎn)的必要設(shè)施，同時(shí)也是礦山的重大危險(xiǎn)源之一［1］。開展尾礦壩的安全監(jiān)測(cè)工作，對(duì)提高尾礦庫(kù)的本質(zhì)安全狀態(tài)和安全管理水平，減少和控制尾礦庫(kù)運(yùn)行中的危險(xiǎn)、有害因素，減少各類隱患、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防事故發(fā)生，保護(hù)企業(yè)及下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，保持庫(kù)區(qū)周邊的自然環(huán)境和社會(huì)穩(wěn)定等方面都具有重要意義［2］。國(guó)家安全監(jiān)督管理總局于2011年9月出臺(tái)規(guī)定，要求三等及三等以上尾礦庫(kù)必須安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［3］。然而，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)中線法尾礦庫(kù)不盡完全適用，國(guó)內(nèi)真正成功實(shí)施中線法尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)的案例寥寥無(wú)幾。因此，結(jié)合德興四號(hào)庫(kù)現(xiàn)狀，研究提出中線法尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，為項(xiàng)目實(shí)施奠定了良好基礎(chǔ)，也為類似工程提供了重要借鑒。

1 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)常用技術(shù)手段

1）壩體表面位移監(jiān)測(cè)：壩體表面變形監(jiān)測(cè)主要采用智能全站儀或GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)。智能全站儀可以自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確找準(zhǔn)目標(biāo)并測(cè)量角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像信息等，其監(jiān)測(cè)成本低、管理維護(hù)便捷、監(jiān)測(cè)精度高，但要求全站與儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間能夠通視且測(cè)量距離有限，受地形和氣象條件影響大。GPS監(jiān)測(cè)基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壩體變形監(jiān)測(cè)，具有全天候監(jiān)測(cè)、抗干擾強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，但系統(tǒng)維護(hù)量大、費(fèi)用相對(duì)較高。

2）壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)：主要使用測(cè)斜儀或沉降儀。測(cè)斜儀安裝于帶標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)槽的測(cè)斜管中，通過(guò)測(cè)量滑輪的傾斜長(zhǎng)度和角度計(jì)算出橫向和縱向水平位移。沉降儀通過(guò)將整套儀器安裝在鉆孔中來(lái)監(jiān)測(cè)灌漿錨頭和沉降板之間的壓縮沉降變形量。

3）浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)：一般采用測(cè)壓管的方式測(cè)量，通常在壩體內(nèi)鉆鑿鉆孔安裝測(cè)壓管，在孔內(nèi)安裝壓力傳感器，通過(guò)測(cè)量孔內(nèi)水壓力轉(zhuǎn)換為水頭高度，結(jié)合安裝深度及孔口高度即可得到壩體或繞壩的浸潤(rùn)線高度。

4）庫(kù)水位監(jiān)測(cè)：尾礦庫(kù)的水位監(jiān)測(cè)常采用接觸式和非接觸式方式。接觸式主要通過(guò)埋設(shè)在水中的壓力傳感器測(cè)量水面高度，雖然精度高，但是不利于維護(hù)，傳感器易于被淤泥堵塞從而影響精度和可靠性。非接觸式，主要在庫(kù)岸邊水面以上安裝超聲波液位計(jì)或雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量水面高度。

5）灘頂標(biāo)高與干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)：通常采用的方法是選擇監(jiān)測(cè)斷面，建立平面直角坐標(biāo)系，使用移動(dòng)GPS或超聲波液位計(jì)等儀器測(cè)量監(jiān)測(cè)斷面上若干個(gè)點(diǎn)的高程，結(jié)合各測(cè)點(diǎn)間的距離計(jì)算出于灘坡度，或擬合出干灘曲線方程，再利用庫(kù)水位、灘頂標(biāo)高分別得出干灘與庫(kù)水面和尾礦壩外坡面的交點(diǎn)，從而求出干灘長(zhǎng)度或安全超高。近幾年國(guó)內(nèi)發(fā)展了激光測(cè)量干灘和攝影測(cè)量干灘等技術(shù)［4－5］，但成本較高、應(yīng)用效果一般。

6）尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)：軟件是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，主要提供以下功能：①數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)與分析；②數(shù)據(jù)管理、查詢、生成圖表、打印、報(bào)表、故障診斷；③網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，提供客戶端遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)功能；④綜合報(bào)警，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的報(bào)警條件發(fā)出聲光或短信報(bào)警信息以提醒管理人員。近幾年，北京礦冶研究總院開發(fā)了基于webgis的尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)三維軟件平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)可在三維環(huán)境中實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)安全狀況三維動(dòng)態(tài)演變模擬，為尾礦庫(kù)的安全管理提供有力支持［6］。

2 中線法尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)實(shí)施的技術(shù)難點(diǎn)

中線法尾礦筑壩是以確定的壩軸線，利用分級(jí)的沉砂尾礦升高筑壩。其尾礦分級(jí)方法是采用水力旋流器進(jìn)行分級(jí)，粗粒級(jí)尾礦堆積到壩軸線下游尾礦堆積區(qū)，溢流尾礦排放到壩軸線上游庫(kù)內(nèi)充填的筑壩［7］。受壩體規(guī)模、壩體形態(tài)、堆壩工藝等因素影響，中線法尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施起來(lái)要比上游法尾礦庫(kù)復(fù)雜得多，主要體現(xiàn)在：①中線法尾礦壩規(guī)模較大，若完全按照現(xiàn)行在線監(jiān)測(cè)規(guī)范布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)），將導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量龐大，一方面會(huì)影響壩面施工作業(yè)，另一方面也將造成工程投資的不必要浪費(fèi)，必須根據(jù)具體情況優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和適用性；②中線法尾礦庫(kù)的筑壩工藝，決定了在運(yùn)行期內(nèi)壩面總是處于不斷被覆蓋的動(dòng)態(tài)抬升過(guò)程中，在壩面布置監(jiān)測(cè)設(shè)備或設(shè)施，必須考慮后期被尾砂“淹沒(méi)”的問(wèn)題；③經(jīng)旋流器分級(jí)后，排放到庫(kù)內(nèi)的尾礦粒徑較細(xì)，灘面極為細(xì)軟，安裝干灘監(jiān)測(cè)設(shè)備較困難；④中線法尾礦堆積壩較高、壩面范圍較大，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)要求選擇大量程監(jiān)測(cè)設(shè)備，必須考慮設(shè)備量程、精度匹配問(wèn)題；⑤中線法尾礦壩地勢(shì)開闊，易遭雷害，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)防雷和接地要求較高。

3 中線法尾礦庫(kù)安全在監(jiān)測(cè)方案

3.1 尾礦庫(kù)概況

德興銅礦四號(hào)尾礦庫(kù)位于大山選廠以北的西源大溝內(nèi)，屬山谷型尾礦庫(kù)，采用中線法筑壩工藝，堆積壩利用旋流器二段分級(jí)后生產(chǎn)的粗砂進(jìn)行堆筑，溢流直接入庫(kù)。該庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容8.35億m3，有效庫(kù)容為7.7億m3，匯水面積14.3km2。初期壩為黏土斜墻堆石壩，壩頂標(biāo)高110.00m，壩底標(biāo)高72.00m，壩高38m，壩頂寬10m。初期壩以上采用尾砂筑壩，堆積壩采用中線式分期堆筑，最終壩頂標(biāo)高為＋280m，總壩高為208m，平均內(nèi)坡比為1∶2.5，外坡比為1∶3.0。當(dāng)前堆積壩頂標(biāo)高為249.0m，外坡比為1∶5.3，頂寬40m。壩體下游為農(nóng)田及村莊，下游一帶地勢(shì)較為平緩開闊，一旦發(fā)生潰壩，危險(xiǎn)性極大。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇

德興銅礦四號(hào)庫(kù)為二等尾礦庫(kù)，考慮到中線法尾礦壩外坡總處在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，實(shí)施位移在線監(jiān)測(cè)存在困難也缺乏實(shí)際意義，因此本方案不設(shè)位移在線監(jiān)測(cè)，采用人工觀測(cè)代替。根據(jù)德興銅礦四號(hào)庫(kù)中線法堆壩工藝及運(yùn)行管理需要，設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括浸潤(rùn)線、干灘、庫(kù)水位、降雨量、滲流量及重要場(chǎng)所的視頻監(jiān)控，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見圖1。

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)管理站、監(jiān)測(cè)管理中心站三級(jí)架構(gòu)，如圖2所示。監(jiān)測(cè)站用于在線實(shí)時(shí)獲取各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由前端各類監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊等組成；監(jiān)測(cè)管理站設(shè)在尾礦工段值班室，由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、管理查詢服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、查詢、報(bào)警等功能；監(jiān)測(cè)管理中心站設(shè)在精尾廠辦公樓，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、管理發(fā)布服務(wù)器、視頻服務(wù)器、大屏幕展示系統(tǒng)等組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.4.1 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)

浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置本著“經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理”的原則，設(shè)計(jì)在垂直壩軸線方向布置四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，相鄰兩個(gè)斷面之間的距離150～200m；除4＃監(jiān)測(cè)斷面因受下游山體遮擋布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其他三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距80～150m。如圖3所示，沿監(jiān)測(cè)斷面方面上，靠近中線附近浸潤(rùn)線較陡，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置密集；靠近下游攔砂壩附近，浸潤(rùn)線平緩，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置相對(duì)稀疏。

圖3 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)剖面圖

浸潤(rùn)線鉆孔深度以見水后再下鉆2m為準(zhǔn)。本次設(shè)計(jì)安裝的浸潤(rùn)線傳感器滿足壩體加至最終壩高（壩面抬升20～40m不等）時(shí)的監(jiān)測(cè)需要。因靠近中線附近浸潤(rùn)線隨壩面抬升變化較大，在各監(jiān)測(cè)斷面臨近中線附近三個(gè)孔內(nèi)上、下各設(shè)1個(gè)傳感器，量程分別為17m、35m；靠近下游攔砂壩附近浸潤(rùn)線隨壩面抬升變化較小，故各監(jiān)測(cè)斷面臨近攔砂壩的三個(gè)孔內(nèi)安裝1個(gè)傳感器，量程35m。

受選礦工藝影響，德興四號(hào)庫(kù)水中富含鈣鎂離子，易與空氣中的氧氣和二氧化碳結(jié)合固化成鈣，從而導(dǎo)致滲壓計(jì)表面結(jié)鈣失效，采取以下方式解決：①選擇一次性埋設(shè)并使用通氣式滲壓計(jì)，減少測(cè)壓管內(nèi)空氣流動(dòng)，降低結(jié)鈣速度；②埋設(shè)前用清水充分浸泡滲壓計(jì)透水石；③在測(cè)壓管透水段的反濾層中添加氯化鈉浸泡后的軟水濾料；④在測(cè)壓管外使用土工布包裹氯化鈉浸泡的軟水濾料。

3.4.2 干灘監(jiān)測(cè)

在壩頂內(nèi)坡底布置3個(gè)灘頂高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用超聲波物位計(jì)監(jiān)測(cè)灘頂高程。德興四號(hào)尾礦庫(kù)采用壩前均勻放礦，干灘坡度變化不大，設(shè)計(jì)采用人工監(jiān)測(cè)干灘坡度，結(jié)合干灘高程和庫(kù)水位數(shù)據(jù)，可計(jì)算出干灘長(zhǎng)度。

干灘監(jiān)測(cè)實(shí)施重點(diǎn)為傳感器立桿安裝，考慮到灘面細(xì)軟，可鋪設(shè)簡(jiǎn)易浮橋至施工地點(diǎn)，采用沉桶方式從桶內(nèi)挖尾砂，沉桶下沉至設(shè)計(jì)位置后封底并澆筑混凝土基礎(chǔ)。

3.4.3 視頻監(jiān)控

中線法尾礦庫(kù)壩面范圍較大，為獲得較好視頻監(jiān)控效果，在壩頂兩側(cè)和壩坡兩側(cè)共布置5個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，采用高清激光夜視攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)500m長(zhǎng)距離高分辨率夜視；在攔沙池、泄洪斜槽、回水斜槽等位置，設(shè)置4臺(tái)高清低照度網(wǎng)絡(luò)紅外槍機(jī)（球機(jī)），實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)部位24小時(shí)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)看。

3.4.4 其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)

在庫(kù)內(nèi)回水斜槽處，安裝超聲波液位計(jì)監(jiān)測(cè)庫(kù)水位。在西側(cè)壩頂分級(jí)機(jī)站處容柵式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)降水量。在壩底滲流匯集處采用量水堰方式監(jiān)測(cè)滲流量。

3.4.5 系統(tǒng)供電

為提高系統(tǒng)供電可靠性，設(shè)計(jì)采用多層次、高冗余的不間斷供電方案：①正常情況下，采用工業(yè)電源直接供電；②工業(yè)電源發(fā)生中斷后，由應(yīng)急EPS電源提供不小于8小時(shí)的穩(wěn)定供電；③應(yīng)急EPS電源電量耗盡時(shí)，可人工啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)值班室內(nèi)的汽油發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)供電。另外，在泄洪斜槽和回水斜槽等處配置風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，為提供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備輔助供電。

3.4.6 系統(tǒng)通信

為提高系統(tǒng)的健壯性和可靠性，采用“有線＋無(wú)線”環(huán)網(wǎng)冗余的通信方案。環(huán)網(wǎng)路線為：工段值班室－西壩－2＃回水斜槽－東壩壩肩－東壩壩坡－工段值班室，其中2＃回水斜槽－東壩壩肩之間為無(wú)線通信。此外，在壩頂西分級(jí)站和東側(cè)壩肩之間再設(shè)置一對(duì)無(wú)線傳輸設(shè)備，形成局部有線無(wú)線環(huán)網(wǎng)，進(jìn)一步提高通信線路可靠性。

3.4.7 接地防雷

系統(tǒng)防雷從電源防護(hù)、設(shè)備防護(hù)、直擊雷防護(hù)、接地網(wǎng)建設(shè)、等電位連接、線路防雷等方面全方位整體考慮。設(shè)計(jì)沿壩體兩側(cè)岸坡和壩頂埋設(shè)接地扁鐵，并與沿途監(jiān)測(cè)設(shè)備接地體連接形成接地網(wǎng)，值班室、回水斜槽等無(wú)法并入接地網(wǎng)的地方應(yīng)單獨(dú)制作接地體，要求接地電阻小于4Ω。值班室供電系統(tǒng)采用三級(jí)防護(hù)，即值班室入戶電源加裝一級(jí)SPD浪涌保護(hù)器，在UPS供電前端加裝二級(jí)SPD浪涌保護(hù)，用電設(shè)備之前加裝三級(jí)SPD浪涌保護(hù)。室外基站和防護(hù)箱內(nèi)電源增設(shè)二級(jí)SPD浪涌防護(hù)，各類弱電信號(hào)均設(shè)置相應(yīng)SPD浪涌保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析中線法尾礦壩浸潤(rùn)線分布規(guī)律，優(yōu)化浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。針對(duì)中線法尾礦庫(kù)壩體規(guī)模大、庫(kù)區(qū)范圍廣、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)多等特點(diǎn)，提出了多層次冗余供電、環(huán)網(wǎng)冗余通信、多級(jí)防雷保護(hù)等系統(tǒng)安全防護(hù)措施，提高了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端惡劣氣象條件的能力。實(shí)踐中，必須結(jié)合中線法尾礦壩形態(tài)、特征及具體監(jiān)測(cè)需要，合理選擇滿足量程和精度要求的監(jiān)測(cè)設(shè)備；針對(duì)諸如滲壓計(jì)結(jié)鈣、灘面立桿困難等特殊復(fù)雜條件，必須提出具體應(yīng)對(duì)措施，精心組織施工，方能保證在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)順利實(shí)施。

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