基于在線監(jiān)測的尾礦庫防治處理研究

黃 敬，李 毅，王 濤，蔣成成，張曉博

（1.四川煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，四川 成都 610046；2.西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，四川 成都 611756）

0 引言

尾礦庫是礦山產(chǎn)業(yè)組成中的部分，貯存著礦石冶煉后的礦渣和泥漿，避免污染周圍的環(huán)境，隨著存儲物的增多，尾礦堆積不斷加高，形成后期堆積壩，具有潛在的垮壩風(fēng)險(xiǎn)。2001—2015年，全國尾礦庫事故共發(fā)生99起，平均每年6起多事故，大多數(shù)為尾礦庫潰壩。在2008年9月8日山西省臨汾市新塔礦業(yè)的980平硐尾礦庫發(fā)生特大潰壩[1]，造成了277人死亡、33人受傷、4人失蹤，泄容26.8萬m3尾砂量。我國大部分尾礦庫采用人工和傳統(tǒng)儀器對尾礦庫的庫水位、干灘、壩體位移等技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量采集，易受外界環(huán)境等因素干擾，測量精度和時(shí)效性較低。在線監(jiān)測技術(shù)可以使尾礦庫的運(yùn)行現(xiàn)狀和儀器設(shè)備狀態(tài)直觀和實(shí)時(shí)地展現(xiàn)給各監(jiān)管和工作人員，提高尾礦庫的可管理性和安全性，以及有效防止尾礦庫事故的發(fā)生。該技術(shù)應(yīng)用于尾礦庫防治監(jiān)測場景，有助于政府和企業(yè)的共同管理，并且具有重要的實(shí)際研究意義。

1 尾礦庫概況

尾礦庫是金屬及非金屬礦山經(jīng)工業(yè)處理后排出尾礦的貯存點(diǎn)，是由尾礦等廢棄物堆積形成的產(chǎn)生高勢能危險(xiǎn)性的來源。尾礦庫潰壩時(shí)會產(chǎn)生大量泥石流且流速較快，從壩腳到距離下游1km處往往只需幾分鐘，事故應(yīng)急措施的實(shí)施時(shí)間非常短[2]。

1.1 尾礦庫的特點(diǎn)

尾礦庫既是礦山采選中不可缺少的生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)也是環(huán)境污染源和高勢能危險(xiǎn)源[3]。并且根據(jù)以往事故經(jīng)驗(yàn)來看，若尾礦庫失事，將造成生命、財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)的巨大損失。

1）尾礦庫是礦山采選中必不可少的生產(chǎn)設(shè)施；

2）尾礦庫通過就近圍地或攔擋谷口，可以用于堆存工業(yè)廢渣或選礦產(chǎn)生的尾礦，防止廢渣或尾礦隨意排放造成額外的環(huán)境污染。只要礦山正常運(yùn)行就會有尾礦產(chǎn)生，尾礦庫是維持礦山正常運(yùn)營的必要場所設(shè)施；

3）尾礦庫是環(huán)境污染源和高勢能危險(xiǎn)源；

4）尾礦庫在數(shù)十年之長的周期里，可能會由于地震、強(qiáng)降水等自然原因而發(fā)生滲透破壞，再輔以設(shè)計(jì)或施工問題、管理不善、超負(fù)荷運(yùn)營等人為原因造成安全事故，威脅到下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全；

5）尾礦庫一旦失事后果嚴(yán)重。我國人口基數(shù)大、分布廣，有相當(dāng)一部分尾礦庫的設(shè)置選址難以避開居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和重要公共設(shè)施或建筑。尾礦庫一旦發(fā)生滲漏、垮壩等重大事故，必將對下游造成巨大災(zāi)害和損失。

1.2 尾礦庫安全度

安全度劃分的主要依據(jù)原則是根據(jù)尾礦庫防洪能力和尾礦壩體穩(wěn)定性的安全程度來進(jìn)行判斷。

1）尾礦庫防洪能力的安全程度或可靠程度：主要指防洪標(biāo)、調(diào)洪、排洪能力及排洪設(shè)施安全可靠性是否符合安全規(guī)定；

2）尾礦壩穩(wěn)定性安全程度：主要指壩體在規(guī)定的工況條件下靜力、動力和滲流穩(wěn)定性是否符合安全規(guī)定及符合程度。

1.3 尾礦庫的安全問題

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2001—2015年，我國發(fā)生尾礦庫事故共計(jì)99起[3,4]，加上從20世紀(jì)60年代到2000年，造成10起重大傷亡尾礦庫事故[5]，對總計(jì)109起尾礦庫事故按類型統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)[6]，主要是由潰壩和尾礦泄漏引起，潰壩事故占比約2/3，尾礦泄漏事故占比約1/3，二者之和占到總事故的96.33%。

1）尾礦庫潰壩事故危害的主要形式有:①尾礦設(shè)施毀壞等；②導(dǎo)致尾礦庫下游的人員大量傷亡，建筑物、構(gòu)筑物、公路、鐵路、農(nóng)田等被沖毀。

2）尾礦庫尾礦泄漏事故危害的主要形式有：①導(dǎo)致潰壩事故的發(fā)生；②污染下游河流、農(nóng)田、植被等。

對于正在運(yùn)行的尾礦庫，發(fā)生潰壩和泄漏等事故的主要原因是洪水漫頂、壩坡穩(wěn)定性差、以及壩體振動液化[7]。通過對尾礦庫事故原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對尾礦庫不同類型制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，可減少事故隱患。

2 尾礦庫災(zāi)害防治措施

由于尾礦庫是高危險(xiǎn)源，在安全管理上也必須做到科學(xué)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測。安全監(jiān)測是尾礦庫安全管理的重要內(nèi)容，維持尾礦庫健康安全運(yùn)營、事故預(yù)防及應(yīng)急響應(yīng)均離不開準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)測信息。尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)，使尾礦庫安全生產(chǎn)管理工作人員可以全面實(shí)時(shí)地掌握了解到尾礦庫的實(shí)際動態(tài)，進(jìn)行安全評價(jià)、預(yù)報(bào)預(yù)警。

2.1 科學(xué)管理

由于尾礦庫是高危險(xiǎn)源，因此除在設(shè)計(jì)施工方面必須謹(jǐn)慎可靠外，在管理上也必須做到科學(xué)管理。加強(qiáng)監(jiān)測管理工作，堅(jiān)持每周監(jiān)測一次庫內(nèi)水位，每半月監(jiān)測1次浸潤線，每月監(jiān)測1次壩體位移、滲透流量、干灘指標(biāo)[8]，實(shí)時(shí)關(guān)注數(shù)據(jù)變化，為安全管理提供決策依據(jù)；實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化異常，立即進(jìn)行安全響應(yīng)或技術(shù)指標(biāo)的調(diào)整工作，配備專職技術(shù)人員，將工作任務(wù)落實(shí)到個(gè)人。

2.2 安全監(jiān)管

整個(gè)尾礦庫全生命周期管理流程，從建設(shè)開始，一直到運(yùn)行和封場結(jié)束，涉及到的活動復(fù)雜，監(jiān)管涉及部門眾多。2005年起，原安監(jiān)總局、環(huán)保部等部門多次聯(lián)合或者單獨(dú)發(fā)布尾礦庫隱患綜合治理方案，對尾礦庫安全環(huán)境管理提出更高要求。2013年住建部門制定發(fā)布《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，2019年應(yīng)急部門再次修訂《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》，2020年應(yīng)急等多部委聯(lián)合出臺《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險(xiǎn)工作方案》[9,10]。依托法律法規(guī)要求，以風(fēng)險(xiǎn)防控為核心，明確尾礦庫環(huán)境管理責(zé)任分工，完善尾礦監(jiān)管細(xì)節(jié)以及建立健全尾礦庫全生命周期的管理體系。

2.3 提高尾礦技術(shù)

隨著國家對尾礦庫管理的法律法規(guī)逐漸健全和完善，監(jiān)管部門對尾礦庫運(yùn)行的環(huán)保和安全要求日益嚴(yán)格，迫于環(huán)境和安全的壓力，傳統(tǒng)的地表堆存尾礦庫已經(jīng)無法滿足礦山長期發(fā)展的需要，安全、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的尾礦處理方法將逐步獲得推廣應(yīng)用，同時(shí)也能夠響應(yīng)國家對尾礦資源進(jìn)行再利用的倡議。截至2012年底，全國已有738座尾礦庫應(yīng)用了在線監(jiān)測技術(shù)，279座尾礦庫應(yīng)用了尾礦充填技術(shù)，415座尾礦庫應(yīng)用了干式堆存技術(shù)，285座尾礦庫應(yīng)用了尾礦綜合利用技術(shù)，減少了尾礦的排放，能夠有效提升尾礦庫安全水平[11]。

3 在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

在線監(jiān)測是一種利用智能化設(shè)備對現(xiàn)場物理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測，并上傳存入到終端數(shù)據(jù)庫中，依據(jù)特定的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算和診斷分析的信息化技術(shù)。在線監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)采集使用傳感器設(shè)備對現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和收集，采用相關(guān)的計(jì)算機(jī)、信息及通信技術(shù)對原始數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)地采集分析。本節(jié)通過尾礦庫監(jiān)測的數(shù)據(jù)指標(biāo)分類，分別介紹了5種尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)原理，并對在線監(jiān)測技術(shù)在尾礦庫防治處理當(dāng)中的應(yīng)用前景做了調(diào)研及展望。

3.1 尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)

3.1.1 庫水位監(jiān)測技術(shù)

庫水位是尾礦庫實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中水平面的高度，反映了當(dāng)前尾礦庫的存量狀況。庫水位監(jiān)測可采用遙測水位計(jì)、滲壓計(jì)、超聲波液位計(jì)等器材，得到水位的高度，并對尾礦庫的水位實(shí)時(shí)跟蹤及監(jiān)測，判斷尾礦庫此時(shí)防汛防洪的能力水平，確保處于安全范圍內(nèi)。滲壓計(jì)監(jiān)測是浸入式測量方式，集成水壓敏感元器件，內(nèi)核附有計(jì)算芯片和溫度傳感器，能夠?qū)?shù)據(jù)自動地處理，減少人工計(jì)算誤差和修正外部溫度帶來的影響。監(jiān)測點(diǎn)一般選擇庫中的較平穩(wěn)水位，可以布置在庫內(nèi)的排水構(gòu)筑物，庫水淹沒區(qū)域中心，溢流塔出口等位置。庫水位監(jiān)測可以及時(shí)掌握庫水位的位置信息[12]，預(yù)留調(diào)洪庫容防止在汛期時(shí)出現(xiàn)水漫頂潰壩的危害。在汛期到來之前，庫水位監(jiān)測有助于安全監(jiān)管部門和相應(yīng)的企業(yè)了解尾礦庫是否超出限制水位，以便采取防治處理措施來降低水位排除隱患。

3.1.2 滲漏量監(jiān)測技術(shù)

尾礦庫的存儲過程中，無法避免地出現(xiàn)庫液滲漏使浮選藥劑和黃藥等污染物流入地下水，這也是采礦活動中比較難處理的問題。庫滲漏分為壩基滲漏、壩體滲漏等部分，庫運(yùn)行過程的中后期，由隔水層作用使?jié)B透能力減弱，壩基滲漏測量采用均勻質(zhì)地基計(jì)算公式[13]：

式中：QJ為壩基滲漏總量，L為壩體滲漏段斜高，W為滲漏透水層厚度，K為壩基滲漏透水層系數(shù)，H為尾礦庫上下游水頭高度差，B為壩基底部寬度。壩體滲漏測量采用均質(zhì)壩體滲流公式：

式（2）、（3）中：QT為壩體滲漏總量，K為壩體滲漏透水層系數(shù)[14]，L為壩體滲漏段斜高，H為尾礦庫上下游水頭高度差，A為下坡水位臨界點(diǎn)高度，B為壩基底部寬度，m為下游壩坡系數(shù)。滲漏量監(jiān)測設(shè)備使用磁致伸縮量水堰儀，由集水渠直線堰板、量水堰計(jì)等部件組成，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在壩腳處。

3.1.3 位移監(jiān)測技術(shù)

尾礦庫壩體位移技術(shù)指標(biāo)能夠直觀地反映出壩體災(zāi)害承受能力，是尾礦庫監(jiān)測的一個(gè)重要部分，實(shí)際工程中投入使用比重較大，位移監(jiān)測根據(jù)尾礦庫壩體不同監(jiān)測位可分為內(nèi)部位移監(jiān)測和全方位位移監(jiān)測等。內(nèi)部位移監(jiān)測可采用固定式測斜儀，該設(shè)備內(nèi)部組有高精度角度傳感器芯片，使用場景中將儀器導(dǎo)入壩體指定鉆孔內(nèi)，通過測量傾斜角度計(jì)算出尾礦庫壩體內(nèi)部位移的變化量和變化速率。

全方位位移監(jiān)測可以使用靜力水準(zhǔn)儀、GPS技術(shù)和自動型全站儀[1]等設(shè)備和技術(shù)，因測量時(shí)可以獲取監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，又稱為三維位移監(jiān)測技術(shù)。靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)部由各個(gè)通過連通管連接的儲液罐和系列的液位傳感器構(gòu)成，使用中根據(jù)測量點(diǎn)的容器內(nèi)頁面的相對變化，計(jì)算測量點(diǎn)關(guān)于基準(zhǔn)點(diǎn)相對位移的變化。該設(shè)備監(jiān)測方式使用中便捷易操作，但是測量周期長，不滿足自動化、在線監(jiān)測的需求，還易受地形地勢的限制。GPS技術(shù)是基于GNSS進(jìn)行庫體位移監(jiān)測，通過監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的接受機(jī)實(shí)時(shí)獲取GPS信號，利用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳入到數(shù)據(jù)控制中心，在解算系統(tǒng)中解算得監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)并對比計(jì)算出位移變化量及位移速率，具有自動化、全天候監(jiān)測、受地形限制較小等特性，但建造和維護(hù)成本較高。自動型全站儀測量精度高、布設(shè)成本低，能夠采集角度、三維坐標(biāo)等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)搜索、傳輸、辨識與處理等自動化功能。

3.1.4 干灘監(jiān)測技術(shù)

干灘長度是尾礦庫安全運(yùn)轉(zhuǎn)重要指標(biāo)之一[15]，能反映出庫的防洪處理能力，除此之外工程中還需要監(jiān)測灘頂高程、干灘坡度，干灘長度是從灘頂標(biāo)高到壩內(nèi)水面的最短距離，灘頂標(biāo)高是沉積灘的表面與壩體外坡的的交界處，尾礦庫投入使用時(shí)需要設(shè)計(jì)最小干灘長度，即設(shè)計(jì)的最高洪水位下的灘長。常用的干灘長度監(jiān)測方法有坡度推算法、圖像分析等，坡度推算法[16]通過設(shè)置多個(gè)剖面點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)之間的間隔按照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)選擇，并在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)建設(shè)立桿并在桿頂放置超聲波物位計(jì)，根據(jù)立桿頂端到灘面高度的變化測出干灘高程及干灘坡度，結(jié)合水位高度換算出干灘長度。圖像分析[17]方法在尾礦庫壩體設(shè)置2臺雙目視覺儀設(shè)備，放置時(shí)需平行等距，由影像拍攝后獲取現(xiàn)場場景，通過攝像測量構(gòu)建出三維立體場景，輔助圖像分析獲取干灘水際輪廓并與設(shè)定參數(shù)經(jīng)過算法處理后可得干灘長度及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.1.5 視頻監(jiān)測技術(shù)

在黑夜或惡劣天氣條件下，值班工作人員難以對尾礦庫工作運(yùn)行和抵御自然災(zāi)害等情況做出準(zhǔn)確及時(shí)的判斷，視頻監(jiān)測技術(shù)可以解決上述問題，不受氣候和人工等條件限制。使用紅外高清攝像機(jī)對進(jìn)出水口、壩面滑坡、危險(xiǎn)地點(diǎn)等情況進(jìn)行監(jiān)視，為減少使用數(shù)量和觀察遠(yuǎn)距離物體可以加裝電動變焦鏡頭，攝像機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)信號選擇視頻基帶、射頻及光纖等方式進(jìn)行圖像的傳輸工作，在傳輸時(shí)要確保采集到的原始圖像無明顯失真，通過網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)將存儲的影像數(shù)據(jù)和控制臺控制的影像數(shù)據(jù)保持一致，視頻監(jiān)測技術(shù)原理如圖1所示。視頻監(jiān)測技術(shù)可用于計(jì)算干灘長度，攝像機(jī)捕捉到的圖像畫面劃分出水面區(qū)域和干灘區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)定物的位置參數(shù)來計(jì)算干灘長度，高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集畫面中判斷是否處于設(shè)定的安全干灘長度，達(dá)到預(yù)警提示作用。

圖1 視頻監(jiān)測原理

3.2 應(yīng)用前景

隨著各行各業(yè)及市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦山的開采量不斷增大，尾礦庫的數(shù)量也隨之增多。由于多年來的運(yùn)轉(zhuǎn)，尾礦庫容量正在逐漸縮小，抵御自然災(zāi)害的能力也在逐步下降中，增加了安全隱患[18]。尾礦庫是一個(gè)重要且應(yīng)該做好防治處理的危險(xiǎn)源，隨意地排放會造成環(huán)境的嚴(yán)重污染、資源損失，尾礦庫的安全問題關(guān)系到周圍區(qū)域內(nèi)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全及環(huán)境污染等問題[19]，因此做好尾礦庫的安全監(jiān)測工作具有重要意義。

尾礦庫的傳統(tǒng)監(jiān)測防治方法，多數(shù)通過工作人員到現(xiàn)場中使用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行測量，這存在著誤差大、測量周期長、工作繁多等問題隱患，易受天氣和現(xiàn)場環(huán)境等因素干擾，人力和物力的損耗較大。隨著信息化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在線監(jiān)測技術(shù)也受到廣泛的關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段,在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器自動采集技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)，根據(jù)收集的指標(biāo)數(shù)據(jù)分析判斷尾礦庫是否處于不安全狀態(tài)，給防治處理、排除隱患及救援工作提供充足的時(shí)間，讓管理人員充分地掌握當(dāng)前尾礦庫準(zhǔn)確有效的安全狀況信息。其智能化管理減少了現(xiàn)場人員的調(diào)動，提高尾礦庫的安全監(jiān)督能力。安全狀態(tài)的及時(shí)反饋，有效地預(yù)防了突發(fā)事故的發(fā)生，保障尾礦庫的安全運(yùn)行，減少資源的損耗。

4 總結(jié)

文中介紹了尾礦庫的基本信息和存在的安全性問題，及提出尾礦庫災(zāi)害防治的一些常規(guī)措施，并總結(jié)了在線監(jiān)測技術(shù)在尾礦庫的庫水位、滲漏量、位移、干灘和視頻監(jiān)測5個(gè)方面的應(yīng)用，為尾礦庫防治處理增添解決思路及更好地保護(hù)尾礦庫做參考。使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)等現(xiàn)代科技應(yīng)用在尾礦庫的防治處理工作中，能極大地減少人力和節(jié)約資源，比傳統(tǒng)人工測量結(jié)果更加精準(zhǔn)。尾礦庫事故的產(chǎn)生，是受多方面因素關(guān)聯(lián)的，傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法全面及時(shí)地做出反應(yīng)，在線監(jiān)測技術(shù)可以結(jié)合壩體位移、滲漏量、庫水位等多數(shù)據(jù)指標(biāo)對尾礦庫進(jìn)行實(shí)時(shí)、動態(tài)以及全面地監(jiān)測與預(yù)警，并且在尾礦庫防治處理工程中發(fā)揮出重要作用。