貴州某礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的建立

徐明智 幸貞雄 周訓(xùn)兵

（貴州省勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究院，貴州遵義563000）

貴州礦產(chǎn)資源豐富，開采的礦產(chǎn)種類眾多，存在著大量不同類型的礦山排土場。對貴州典型礦山的排土場進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研及查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)排土場在設(shè)計、安全管理、現(xiàn)場作業(yè)、排水設(shè)施和監(jiān)測系統(tǒng)等方面存在著突出的問題［1］；同時，貴州地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶地貌普遍，降雨及地下水活動頻繁，加之排土場的松散堆積特性［2-3］，容易發(fā)生排土場滑坡、泥石流等災(zāi)害事故，貴州礦山排土場的安全現(xiàn)狀不容樂觀。

目前，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在多個領(lǐng)域使用，如露天礦山采場邊坡、尾礦庫等，能有效預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生?！督饘俜墙饘俚V山排土場安全生產(chǎn)規(guī)則》和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中規(guī)定，礦山應(yīng)建立排土場監(jiān)測系統(tǒng)，定期進(jìn)行排土場監(jiān)測；國家安全監(jiān)管總局《關(guān)于印發(fā)非煤礦山領(lǐng)域遏制重特大事故工作方案的通知》（安監(jiān)總管一［2016］60號）中也要求，堆置高度200 m以上的排土場，必須進(jìn)行在線監(jiān)測。而貴州建立排土場監(jiān)測系統(tǒng)的礦山很少，僅有個別礦山采用GPS對表面變形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測的指標(biāo)單一，不能全面反映排土場的安全狀況。因此，建立礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，對影響排土場安全穩(wěn)定的多個指標(biāo)進(jìn)行同時監(jiān)測是十分必要的。本研究以貴州某礦山排土場為例，選擇一定大小的試驗區(qū)域作為該排土場的監(jiān)測區(qū)域，建立排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。

1 排土場概況

該礦為金礦采選企業(yè)，廢石量大，排土場位于露天礦坑南側(cè)，最大寬度約430 m，長度約1 178 m。排土場最終堆積坡腳設(shè)置攔渣壩，壩底標(biāo)高為390 m，壩頂標(biāo)高為411 m。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排土，共分為411 m、430 m、460 m、490 m、520 m、550 m和580 m7個臺階，411 m平臺寬度為20 m，其余平臺寬度均為24 m。排土方式為使用運(yùn)礦卡車和推土機(jī)自下而上依次排放，累計排渣12 046萬t，已堆放到設(shè)計標(biāo)高，并停止排土。其下游有零星住戶，計有8戶共61人。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的建立

2.1 監(jiān)測區(qū)域

因整個排土場面積巨大，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性上考慮，前期在460 m臺階上朝攔渣壩的一面，選擇長150 m、寬30 m，共4 500 m2的試驗區(qū)域作為排土場災(zāi)害監(jiān)測區(qū)域。

2.2 監(jiān)測指標(biāo)

在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇表面位移、內(nèi)部位移、降雨量、孔隙水壓力、內(nèi)部應(yīng)力和土壤含水量作為監(jiān)測的指標(biāo)［4-5］。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)組成

為實(shí)時獲取各項監(jiān)測指標(biāo)，結(jié)合排土場實(shí)際情況，礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由前端監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測預(yù)警中心組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。前端監(jiān)測儀器負(fù)責(zé)獲取各項監(jiān)測指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集裝置采集和匯總監(jiān)測數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測預(yù)警中心，監(jiān)測預(yù)警中心對傳輸來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、展示，進(jìn)而進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警；供電系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)確保各設(shè)備的正常運(yùn)行和免遭雷擊。

（1）前端監(jiān)測儀器。為了實(shí)時獲取各項監(jiān)測指標(biāo)，選擇相應(yīng)的前端監(jiān)測儀器［6-7］，具體如表1所示。

?

（2）數(shù)據(jù)采集裝置。一類是GPS的接收機(jī)，通過采集GPS信號，獲得表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)；一類是DAG數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，采集除GPS以外的前端監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。按傳輸形式不同，分為有線傳輸和無線傳輸。礦山企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇數(shù)據(jù)傳輸形式，并配置公網(wǎng)IP地址，開放網(wǎng)絡(luò)通信端口等。本項目排土場距其調(diào)度中心較遠(yuǎn)，故選擇無線傳輸，數(shù)據(jù)采集裝置配置物聯(lián)網(wǎng)卡，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)（4G/3G/2G）接入Internet以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（4）監(jiān)測預(yù)警中心。主要由服務(wù)器、顯示器、短信報警、聲光報警等硬件設(shè)備和監(jiān)測預(yù)警軟件組成，對傳輸來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、展示，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。宜設(shè)置在礦山企業(yè)的調(diào)度中心。

（5）供電系統(tǒng)。主要為前端監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集裝置等供電，在不具備市電供電的條件下，宜采用太陽能供電，并具備在連續(xù)15 d無光照條件下的供電能力。

（6）防雷系統(tǒng)。主要保護(hù)前端監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集裝置等免受雷擊，直擊雷防護(hù)采用避雷針，感應(yīng)雷防護(hù)采用單項電源避雷器和通訊電纜防雷器。直擊雷避雷接地系統(tǒng)控制在10 Ω以下，感應(yīng)雷避雷接地系統(tǒng)控制在4 Ω以下。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)布置方案

為了準(zhǔn)確獲取反映排土場安全狀況的監(jiān)測指標(biāo)，需要對監(jiān)測儀器合理布置，具體布置方案如圖2所示。

（1）除GPS基準(zhǔn)站外，所有監(jiān)測儀器布置在460 m臺階上的4 500 m2的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，距離邊坡約5 m處，并盡量處于同一直線上；GPS基準(zhǔn)站布置在監(jiān)測區(qū)域以外的不發(fā)生位移變化的穩(wěn)定地點(diǎn)。

（2）GPS監(jiān)測站布置在監(jiān)測區(qū)域的中軸線上，并在其附近布置雨量計和土壤含水計。

（3）其余前端監(jiān)測儀器平均分為4組，每組包含3個固定式測斜儀、1個土壓力計和1個孔隙水壓力計。沿監(jiān)測區(qū)域的中軸線兩側(cè)15 m、45 m的軸線上各設(shè)置1條監(jiān)測斷面，共計4個斷面，每個斷面布置1組儀器；每組間距30 m，組內(nèi)的監(jiān)測儀器之間相距2.5 m。

2.5 監(jiān)測儀器施工安裝

（1）GPS（監(jiān)測站和基準(zhǔn)站）及翻斗式雨量計的施工方式為采用鋼筋混凝土澆筑觀測墩，在觀測墩上安裝相應(yīng)的監(jiān)測儀器。

（2）土壤含水計的施工方式為地面開挖監(jiān)測坑，在監(jiān)測坑側(cè)壁安裝4個土壤含水計，安裝完成后回填土至與地表平齊。

（3）固定式測斜儀、孔隙水壓力計和土壓力計的施工方式為地面垂直鉆孔，鉆孔深度根據(jù)排土場實(shí)際情況確定，在鉆孔內(nèi)安裝相應(yīng)的監(jiān)測儀器。其中，固定式測斜儀3個為1組安裝在同一個鉆孔內(nèi)，其余儀器每個鉆孔內(nèi)安裝1個；土壓力計安裝完成后需向孔內(nèi)回填土至與地表平齊。

2.6 監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)

通過安裝在監(jiān)測預(yù)警中心服務(wù)器上的排土場災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)軟件，可以對排土場災(zāi)害的監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，了解排土場的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警，并通過短信報警和聲光報警及時發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警界面如圖3所示。

系統(tǒng)界面左側(cè)為菜單欄，包括排土場信息管理、排土場數(shù)據(jù)監(jiān)測和排土場災(zāi)害預(yù)警；右側(cè)以排土場460 m臺階航拍圖為背景，顯示最新預(yù)警信息和各傳感器實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)了排土場的在線監(jiān)測

通過該系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了排土場的在線監(jiān)測，系統(tǒng)每隔30 min對監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行巡測采樣1次，且采樣周期可調(diào)。該礦排土場災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)自2016年12月建成后，已運(yùn)行1年半多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率小于5%（截至2018年7月）。系統(tǒng)建立前，該礦排土場采用人工監(jiān)測，監(jiān)測的指標(biāo)僅有表面位移，而監(jiān)測準(zhǔn)確性低、工作量大；目前，已采用在線監(jiān)測為主，少量人工監(jiān)測為輔的方式，同時增加了監(jiān)測指標(biāo)，提高了準(zhǔn)確性，大大減少了工作量。

3.2 預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確

預(yù)警分為單一預(yù)警和綜合預(yù)警2種方式，預(yù)警級別分為1～4共4個等級（1級最高），預(yù)警過程由系統(tǒng)軟件后臺自動計算得出，在此不詳細(xì)介紹。以綜合預(yù)警為例，2018-07-27 03∶43時發(fā)出了3組綜合預(yù)警等級為4級的預(yù)警信息（見圖3），對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果（關(guān)聯(lián)度）如表2所示。

?

系統(tǒng)預(yù)警后，通過短信報警和聲光報警向礦山相關(guān)人員發(fā)出預(yù)警信息，前往排土場現(xiàn)場查看后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天大雨，由于降雨量較大導(dǎo)致土壤含水率上升，這也正好同2018-07-27 00:07時發(fā)出的降雨量4級單一預(yù)警相吻合，說明該系統(tǒng)的預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確。

3.3 排土場穩(wěn)定性分析

該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以對排土場穩(wěn)定性進(jìn)行分析。以內(nèi)部位移為例，選擇2017-05至2018-05時間段內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，具體如表3所示。

?

由表3可知，到2017-05，內(nèi)部位移已經(jīng)很小，最大僅有0.019 7 mm，隨著時間推移，內(nèi)部位移越來越小，到2018-05僅有0.000 4 mm，幾乎未發(fā)生變化，表明排土場內(nèi)部趨于穩(wěn)定（該排土場已經(jīng)停止排土）。

4 結(jié)語

針對貴州礦山排土場安全現(xiàn)狀堪憂，而又少有礦山建立了排土場監(jiān)測系統(tǒng)的問題，以某礦山排土場為例，選擇4 500 m2試驗區(qū)域作為排土場災(zāi)害監(jiān)測區(qū)域，以表面位移、內(nèi)部位移、降雨量、孔隙水壓力、內(nèi)部應(yīng)力和土壤含水量作為監(jiān)測指標(biāo)，建立了礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)軟件，可以實(shí)時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解排土場的安全狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警。

該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了排土場災(zāi)害的在線監(jiān)測，監(jiān)測精度高，采樣周期30 min，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可代替人工監(jiān)測；系統(tǒng)預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確，可以對排土場穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過在該礦山試驗區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行，驗證了技術(shù)的可行性和實(shí)用性，后期可以在整個排土場進(jìn)行全面布置，進(jìn)而保障礦山的安全生產(chǎn)和周邊人民生命財產(chǎn)安全，也為其他礦山建立排土場監(jiān)測系統(tǒng)提供參考。