尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

撖建國(guó) 王演海 高正乾 羊世軍

（蘭州瑞杰信息科技有限公司 甘肅省蘭州市 730010）

1 引言

尾礦庫(kù)作為堆積尾礦或廢渣的場(chǎng)所，是維持礦山正常運(yùn)營(yíng)的必要設(shè)施，但因?yàn)槠涮厥饨Y(jié)構(gòu)、材料和所處位置，同時(shí)也是潛在的重大危險(xiǎn)源。[1-4]尾礦庫(kù)的潰壩將導(dǎo)致重大的財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染、甚至人員傷亡。[5,6]所以對(duì)尾礦庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)是礦業(yè)正常運(yùn)營(yíng)的必需環(huán)節(jié)。

目前我國(guó)絕大數(shù)礦山仍然是采用傳統(tǒng)儀器和人工對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如壩體位移變形、庫(kù)水位、浸潤(rùn)線等定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。[7-9]這種方式受天氣、現(xiàn)場(chǎng)條件等多因素影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度不高，可靠性差且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量有限，而且時(shí)效性差，難以及時(shí)獲取尾礦庫(kù)的各項(xiàng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。[10,11]因此，開發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)尾礦庫(kù)的在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)尾礦庫(kù)的在線監(jiān)視、監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，實(shí)行多級(jí)綜合監(jiān)控，建立高效靈敏、反應(yīng)快捷、運(yùn)行可靠的尾礦庫(kù)網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)控。[12-16]尾礦庫(kù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提高公司的尾礦庫(kù)監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)水平，防止重特大事故的發(fā)生，對(duì)于加強(qiáng)尾礦庫(kù)的安全監(jiān)管，及時(shí)把握尾礦庫(kù)的安全狀態(tài)，降低尾礦庫(kù)的事故發(fā)生以及減輕事故發(fā)生的危害程度等具有重要意義。[17,18]

本文以“會(huì)東大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”為例，分析了在線檢測(cè)系統(tǒng)在尾礦庫(kù)的實(shí)際應(yīng)用中所面臨的問題和挑戰(zhàn)，對(duì)今后的尾礦在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供參考，以期更好的將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于尾礦庫(kù)。

2 工程概況

2.1 尾礦庫(kù)概況

大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)總壩高82.00m，總庫(kù)容630.26×104m3，其等別為三等庫(kù)。初期壩壩頂標(biāo)高為 1905.00m，壩底標(biāo)高為1873.00m，壩高為32.00m，壩體采用分區(qū)設(shè)置，排水設(shè)施采用棱體排水結(jié)合上昂式排水、排水褥墊結(jié)構(gòu)，排水壩體分區(qū)分為上游排水區(qū)、主堆石區(qū)、下游護(hù)坡、壩底褥墊區(qū)等組成。

2.2 安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容

大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)為三等尾礦庫(kù)，按規(guī)范要求監(jiān)測(cè)內(nèi)容有位移監(jiān)測(cè)（表面位移和內(nèi)部位移）、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、干灘監(jiān)測(cè)、庫(kù)水位監(jiān)測(cè)和降雨量監(jiān)測(cè)。

大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)礦堆積壩采用上游法水力沖擊尾砂筑壩，取沉積于尾礦庫(kù)壩前的粗顆粒尾砂筑成子壩，堆積壩是均質(zhì)壩體，根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》DLT5259-2012規(guī)定，均質(zhì)壩無需監(jiān)測(cè)內(nèi)部位移，但必須監(jiān)測(cè)表面位移。所以，會(huì)東大梁礦尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)表面位移，不監(jiān)測(cè)內(nèi)部位移；由于尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)較大，為提高管理效率，方便管理人員對(duì)尾礦庫(kù)及時(shí)監(jiān)管，需要在尾礦庫(kù)關(guān)鍵部位設(shè)置視頻監(jiān)控，完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置。

2.2.1 表面位移監(jiān)測(cè)

2.2.1.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)比選

目前，尾礦庫(kù)表面位移高精度、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有兩種，一是智能全站儀監(jiān)測(cè)技術(shù)，二是GPS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。[20]智能全站儀技術(shù)缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高，必須要求現(xiàn)場(chǎng)通視條件好，適合1.5km范圍內(nèi)通視條件好的場(chǎng)合，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少的情況下投資較高，性價(jià)比低。GPS技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境要求不高，不受天氣因素的影響，同時(shí)滿足復(fù)雜的地勢(shì)環(huán)境，性價(jià)比高。

大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)兩側(cè)山體坡陡，難以保證通視，庫(kù)區(qū)少數(shù)名族聚居，征地問題復(fù)雜，限制了全站儀技術(shù)的使用。尾礦庫(kù)外坡比為1:5，高差為10m，地勢(shì)平坦，依據(jù)科學(xué)可靠、布置合理和經(jīng)濟(jì)適用性原則，宜選用GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。

2.2.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)方案

大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)最終壩高82米，壩終壩高把軸線長(zhǎng)度為251.48m，根據(jù)規(guī)范壩長(zhǎng)于300m時(shí)，宜取斷面間距50~200m的規(guī)定，壩體共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，壩體2個(gè)主斷面各設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，另外1個(gè)斷面各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共7表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，值班室附近的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置一個(gè)位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

位移監(jiān)測(cè)用的平面坐標(biāo)及水平高程，采用設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行各階段的控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)，保持坐標(biāo)系統(tǒng)的一致性。

2.2.1.3 位移監(jiān)測(cè)變化值的分級(jí)監(jiān)管

位移監(jiān)測(cè)是壩體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，能直觀反應(yīng)壩體的變化趨勢(shì)和運(yùn)行狀態(tài)。[19]位移變化值的分級(jí)監(jiān)管是指位移分級(jí)預(yù)警和分級(jí)報(bào)送，即位移監(jiān)測(cè)設(shè)置多級(jí)預(yù)警和多級(jí)報(bào)送。一般情況下，可設(shè)置三級(jí)預(yù)警，分別報(bào)送礦、縣和市級(jí)監(jiān)管部門。

會(huì)東大梁礦礦尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)2種位移預(yù)警值設(shè)置功能，一種是位移變化速率，即單位時(shí)間的位移變化量，另一種是位移累計(jì)值。

2.2.2 干灘監(jiān)測(cè)

由于干灘監(jiān)測(cè)要具有非接觸式要求（灘內(nèi)有時(shí)無法安裝，而且安裝設(shè)備會(huì)自動(dòng)沉降，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果），故大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)采用激光測(cè)距儀結(jié)合角度測(cè)量?jī)x來監(jiān)測(cè)干灘，該設(shè)備具有非接觸式，測(cè)量精度小于3cm，結(jié)合庫(kù)水位數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)得到灘頂高程、安全超高、干灘坡度和最小干灘長(zhǎng)度。監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

在干灘測(cè)量立桿頂部固定角度安裝測(cè)距傳感器(豎直角分別為0°,30°，60°)，根據(jù)傳感器所測(cè)準(zhǔn)確距離通過三角形正弦/余弦定理即可計(jì)算出準(zhǔn)確的干灘監(jiān)測(cè)結(jié)果，如灘頂高程、干灘坡度、干灘長(zhǎng)度。計(jì)算公式如下：

其中，Ha、Hb、Hc三個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果，Ps、Pd為立桿底部、頂部高程，Pd為庫(kù)水位高程，a1和a2分別為傳感器安裝垂直角度。Ht、P、L分別為灘頂高程、干灘坡度、干灘長(zhǎng)度。

根據(jù)規(guī)范要求，大梁礦尾礦庫(kù)在庫(kù)區(qū)最小剖面處設(shè)置三條干灘監(jiān)測(cè)剖面，然后在監(jiān)測(cè)剖面線上壩頂部安置監(jiān)測(cè)儀器，此位置隨子壩的不斷推移而移動(dòng)。目前在堆積壩頂?shù)奈恢梅胖?臺(tái)監(jiān)測(cè)儀器，立桿安裝。

圖1

2.2.3 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)

目前壩體浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)比較成熟和運(yùn)用最廣泛的方式是采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定、適用性強(qiáng)、精度高。

根據(jù)規(guī)范，本系統(tǒng)壩體浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)設(shè)置于壩體表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，設(shè)計(jì)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，壩體主斷面上設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置5個(gè)點(diǎn)，另外1個(gè)副斷面上設(shè)置3個(gè)點(diǎn)。

壩體浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)采用鉆孔安裝測(cè)壓管，管內(nèi)安裝滲壓計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2.4 庫(kù)水位監(jiān)測(cè)

2.2.4.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)比選

目前庫(kù)水位監(jiān)測(cè)主要采用浸入式和非接觸式兩種測(cè)量技術(shù)。浸入式測(cè)量方法采用壓力傳感器，通過測(cè)量水壓計(jì)算水位，優(yōu)點(diǎn)是受水面波動(dòng)及雷電影響小、后期維護(hù)量少，缺點(diǎn)是受氣壓、溫度等影響、傳感器穩(wěn)定性差；非接觸式測(cè)量方法主要采用超聲波、雷達(dá)或激光液位計(jì)等非接觸傳感器，通過測(cè)量傳感器和水面之間的距離計(jì)算水位，優(yōu)點(diǎn)是儀器穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是受水面波動(dòng)和雷電影響大，隨水位提高，后期需要提高安裝位置。

大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)水位安裝條件較好，后期維護(hù)簡(jiǎn)單方便，選用超聲波液位計(jì)作為庫(kù)水位監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2.2.4.2 監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在1#排水井附近布設(shè)一個(gè)庫(kù)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用超聲波液位計(jì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)誤差小于20mm。超聲波液位計(jì)輸出4~20mA信號(hào)，需經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

2.2.5 降雨量監(jiān)測(cè)

2.2.5.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)比選

表1是國(guó)內(nèi)外常用的雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)對(duì)比，可以看出，容柵式雨量計(jì)的測(cè)量范圍和精度較優(yōu),故本系統(tǒng)雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備選用容柵式雨量計(jì)。

2.2.5.2 監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在值班室附近布設(shè)1個(gè)雨量計(jì)，降雨量采用容柵式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)。

2.2.6 視頻監(jiān)測(cè)

在尾礦庫(kù)初期壩壩低截滲池、初期壩壩體兩側(cè)、尾礦庫(kù)值班室、排水井附近等設(shè)置7臺(tái)低照度高清紅外智能網(wǎng)絡(luò)高速球機(jī)，實(shí)現(xiàn)大范圍遠(yuǎn)距離監(jiān)控，且具有夜視功能。

2.2.7 系統(tǒng)供電

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在庫(kù)區(qū)的設(shè)備由壩低回水泵站和現(xiàn)場(chǎng)值班室工業(yè)電源統(tǒng)一供電，動(dòng)力電纜從值班室敷設(shè)所有用電設(shè)備附近，一條動(dòng)力電纜從值班室敷設(shè)至尾礦庫(kù)壩體附近，為壩體位移監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控設(shè)備及其他輔助設(shè)備供電，另一條動(dòng)力電纜從回水泵站經(jīng)左岸截洪溝敷設(shè)至1#排水井附近，為庫(kù)水位監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控設(shè)備及其他輔助設(shè)備供電。為保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)以下幾種供電穩(wěn)定性保證措施：

（1）尾礦庫(kù)值班室內(nèi)設(shè)置EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)總用電功耗配備足夠系統(tǒng)運(yùn)行8小時(shí)的充電電池組，在系統(tǒng)意外斷電情況下，保證系統(tǒng)運(yùn)行8小時(shí)；

（2）值班室配置汽油發(fā)電機(jī)，在系統(tǒng)斷電8小時(shí)后供電仍未提供的情況下，人工開啟發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)供電，并為電池組充電。

（3）系統(tǒng)在溢流壩處設(shè)置一套1000W太陽(yáng)能電池板，用于值班室至壩體之間線路意外斷電情況下使用。配合系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)通信設(shè)計(jì)，保證在線路斷電情況下也能繼續(xù)保證系統(tǒng)正常。

（4）動(dòng)力電纜采用RVV3*6銅芯電纜，線徑6mm2，供電距離2km，供電電纜與通信光纜敷設(shè)盡可能采用地埋敷設(shè)，保證線纜少受環(huán)境影響。

2.2.8 系統(tǒng)通信

大梁礦尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信總體方案以光纖通信為主，采用有線無線混合式自愈環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)，在庫(kù)區(qū)形成通信環(huán)網(wǎng)；尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)與礦辦公樓監(jiān)控中心之間采用光纖通信，利用已有電力電桿敷設(shè)，降低系統(tǒng)成本。

通信線路涉及的設(shè)備選擇寬溫工業(yè)級(jí)設(shè)備，分站防護(hù)箱低溫環(huán)境設(shè)計(jì)，光纜線路敷設(shè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用地埋敷設(shè)，不能實(shí)現(xiàn)地埋的地方架空敷設(shè)。

2.2.9 系統(tǒng)防雷

表1

現(xiàn)場(chǎng)防雷問題面臨的困難：會(huì)東縣屬于云貴高原的一部分，境內(nèi)許多高山海拔超過3000m，特別是鉛鋅鎮(zhèn)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)地勢(shì)溝壑，氣候復(fù)雜，變化劇烈，1年365天中，雷暴日在80天以上，所有監(jiān)測(cè)用電子設(shè)備安裝在壩體或相對(duì)地勢(shì)高點(diǎn)，并立桿安裝，很容易引雷，成為雷擊對(duì)象。一旦有雷擊，遭到雷擊的概率很大。針對(duì)這一實(shí)際情況，系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)如下：

2.2.9.1 接地網(wǎng)制作

（1）充分利用現(xiàn)場(chǎng)自然水體，重點(diǎn)制作3個(gè)接地網(wǎng)：在值班室附近，利用回水泵站處的尾礦庫(kù)自然水體制作一個(gè)防雷接地網(wǎng)；利用壩底回水泵站制作一個(gè)防雷接地網(wǎng)；利用1#排水井附近的尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)水體制作一個(gè)防雷接地網(wǎng)，所有設(shè)備的防雷接地就近接入這3個(gè)接地網(wǎng)；主接地網(wǎng)電阻不大于4Ω；

（2）接地網(wǎng)采用熱鍍鋅角鋼（50*5）做垂直接地體，在2個(gè)自然水體內(nèi)各打入2根2.5米長(zhǎng)垂直接地體，如果達(dá)不到要求的接地電阻，增加石墨接地電極2塊；用熱鍍鋅扁鋼（40*4）做水平接地體，從自然水體一直連接至系統(tǒng)接地點(diǎn)。

2.2.9.2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)接地方式

（1）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分站的防護(hù)箱及監(jiān)測(cè)設(shè)備要求規(guī)范接地，引下線采用16mm2以上銅芯接地線或熱鍍鋅圓鋼、扁鋼等；

（2）監(jiān)測(cè)分站的防護(hù)箱內(nèi)設(shè)備通過匯流排統(tǒng)一接地；

（3）接地點(diǎn)采用焊接方式，并做防腐處理。

2.2.9.3 浪涌保護(hù)器（SPD）配置

尾礦庫(kù)值班室要求在系統(tǒng)電源接入位置配置一級(jí)浪涌保護(hù)器，系統(tǒng)設(shè)備接入前（EPS前）配置二級(jí)電源浪涌保護(hù)器，用電設(shè)備電源接入位置（EPS后）配置三級(jí)浪涌保護(hù)器。所有信號(hào)采集設(shè)備、弱電控制設(shè)備需要配置與設(shè)備規(guī)格相匹配的浪涌保護(hù)器。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，尾礦庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)對(duì)礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全、環(huán)境保護(hù)等具有重要的意義。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是采用傳統(tǒng)儀器和人工的方式對(duì)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行采集，其受天氣、現(xiàn)場(chǎng)條件等多因素影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度不高，可靠性差、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量有限，而且時(shí)效性差，難以及時(shí)獲取尾礦庫(kù)的各項(xiàng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。因此，開發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)尾礦庫(kù)的在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)把握尾礦庫(kù)的安全狀態(tài)，降低尾礦庫(kù)的事故發(fā)生概率。本文以“四川會(huì)東大梁礦業(yè)尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”為例，分析了在線檢測(cè)系統(tǒng)在尾礦庫(kù)的實(shí)際應(yīng)用中所面臨的問題和挑戰(zhàn)，對(duì)今后的尾礦在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供參考，以期更好的將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于尾礦庫(kù)。