馬糞溝尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)與應(yīng)用

李 爽，孫圣添，劉津源

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066500)

0 引言

馬糞溝尾礦庫(kù)位于秦皇島市青龍滿族自治縣祖山鎮(zhèn)柏樹(shù)村一自然溝谷內(nèi)，東、南、西三面環(huán)山，西北面為溝口，走向大致呈西北-東南。初期壩位于溝口位置，壩體近東北-西南布置，自初期壩外壩坡腳處起算，西北面下游約80 m向北為廟溝鐵礦選礦作業(yè)區(qū)和輔助生產(chǎn)車間；下游約300～810 m處為柏樹(shù)村，有常住居民約979人，下游約3 km處為廟溝鐵礦生活區(qū)。庫(kù)區(qū)上游南部400 m處為礦山排土場(chǎng)，東南約3 km處為祖山風(fēng)景區(qū)。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)原因及歷史局限性選擇了馬糞溝位置屬于頭頂庫(kù)，隨著各級(jí)應(yīng)急管理部門(mén)對(duì)安全工作的日益重視，對(duì)尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，保證庫(kù)內(nèi)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)在合理范圍內(nèi)，確保尾礦庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及現(xiàn)有系統(tǒng)缺陷分析

尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由安置在尾礦壩、尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)及排洪設(shè)施等構(gòu)建筑物上的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備、監(jiān)控監(jiān)測(cè)中心與遠(yuǎn)程監(jiān)控端三大部分構(gòu)成，結(jié)合傳感器使用技術(shù)、信號(hào)傳輸使用技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)以及軟件應(yīng)用技術(shù)，從而使人體視覺(jué)感受與數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果相結(jié)合，進(jìn)而監(jiān)控監(jiān)測(cè)對(duì)尾礦庫(kù)壩體產(chǎn)生影響的各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)，并記錄歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，全面分析研判未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)，幫助尾礦庫(kù)企業(yè)和地方政府進(jìn)行決策，提高尾礦庫(kù)現(xiàn)行安全保障水平，最大限度的防范和遏制可能發(fā)生的安全生產(chǎn)事故[1-4]。馬糞溝尾礦庫(kù)現(xiàn)有智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅為低平臺(tái)子壩部分監(jiān)控設(shè)施，需要完善現(xiàn)有子壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增補(bǔ)內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)和應(yīng)急排洪等監(jiān)測(cè)保障設(shè)施。

2 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)

尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)尾礦庫(kù)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)警管理平臺(tái)，收集了探頭數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，通過(guò)與預(yù)警管控功能相結(jié)合并以圖形化的方式進(jìn)行展示，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)地表降雨量、沉降、內(nèi)部外部位移以及視頻監(jiān)控等重要運(yùn)行參數(shù)，將有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)一并呈現(xiàn)在同一時(shí)間軸的數(shù)據(jù)坐標(biāo)曲線圖上，結(jié)合曲線圖形得到尾礦庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的時(shí)間與空間關(guān)聯(lián)性，從而對(duì)尾礦庫(kù)運(yùn)行健康情況進(jìn)行綜合分析研判，并通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)以往位移數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化分析，比對(duì)出具有尾礦庫(kù)位移變動(dòng)特點(diǎn)的趨勢(shì)數(shù)據(jù)，通過(guò)產(chǎn)生的趨勢(shì)數(shù)據(jù)可以更加直接的表達(dá)出尾礦庫(kù)位移變化速率，讓監(jiān)測(cè)人員更加容易發(fā)現(xiàn)尾礦庫(kù)位移變化情況[5]。通過(guò)此類監(jiān)測(cè)手段，還可測(cè)算出相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)點(diǎn)在靠向平穩(wěn)時(shí)的最終位移值。通過(guò)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合，利用大數(shù)據(jù)的對(duì)比分析功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并且能夠?qū)崟r(shí)預(yù)警，為確保尾礦庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

2.1 在線位移監(jiān)測(cè)升級(jí)

尾礦庫(kù)在線位移監(jiān)測(cè)可分為表面位移監(jiān)測(cè)與內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)[6]。馬糞溝尾礦庫(kù)已設(shè)置了在線表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，在線表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)正常，隨著壩體升高，原有設(shè)計(jì)中因無(wú)內(nèi)部位移點(diǎn)而存在設(shè)計(jì)缺陷，加之現(xiàn)有在線表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)已不能滿足當(dāng)前尾礦庫(kù)整體的位移安全監(jiān)測(cè)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)院現(xiàn)場(chǎng)勘察計(jì)算結(jié)果，確定了本次馬糞溝尾礦庫(kù)在線位移監(jiān)測(cè)升級(jí)方案。

此次升級(jí)是在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部利舊的基礎(chǔ)上新增在線表面位移點(diǎn)13個(gè)，新增內(nèi)部位移點(diǎn)6個(gè)，新增在線表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)均采用GNSS，內(nèi)部位移采用固定式測(cè)斜儀，最下一個(gè)傳感器布置在管底，最上一個(gè)傳感器在堆積壩頂。結(jié)合現(xiàn)有及新增的人工、在線位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成8條位移監(jiān)測(cè)橫剖面，其中包括2條內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)橫剖面；形成 5條監(jiān)測(cè)縱剖面。

2.2 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)升級(jí)

尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線是尾礦庫(kù)的生命線，浸潤(rùn)線的變化與尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性直接相關(guān)，馬糞溝尾礦庫(kù)已安裝在線浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)9個(gè)，現(xiàn)有在線浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，隨著壩體升高，原有在線浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)已不能整體的反映出當(dāng)前尾礦庫(kù)的運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)設(shè)計(jì)院現(xiàn)場(chǎng)勘察計(jì)算結(jié)果，確定了本次馬糞溝尾礦庫(kù)在線浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)升級(jí)方案。

此次升級(jí)是在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部利舊的基礎(chǔ)上新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)14個(gè)，新增浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔深按15 m控制。結(jié)合現(xiàn)有及新增的人工、在線浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成8條浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)橫剖面，5條監(jiān)測(cè)縱剖面。

2.3 干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)升級(jí)

馬糞溝尾礦庫(kù)原有干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)為人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏及時(shí)性、準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性和自動(dòng)預(yù)警功能。根據(jù)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)得出，此次升級(jí)采用人工與在線相結(jié)合的方式，形成4條在線監(jiān)測(cè)剖面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨壩體升高逐步向上移動(dòng)。在線干灘監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用超聲波測(cè)距儀，太陽(yáng)能供電，數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線通信方式，方便隨灘面升高調(diào)整設(shè)備位置。每年汛期來(lái)臨前，提前堆筑子壩，盡量降低庫(kù)內(nèi)水位，保留足夠的干灘長(zhǎng)度并對(duì)尾礦庫(kù)調(diào)洪能力進(jìn)行復(fù)核，確保尾礦庫(kù)安全度汛。結(jié)合調(diào)洪演算復(fù)核結(jié)果、臨界浸潤(rùn)線計(jì)算對(duì)應(yīng)的干灘長(zhǎng)度及規(guī)范要求確定干灘長(zhǎng)度預(yù)警值，相應(yīng)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 干灘長(zhǎng)度預(yù)警值

2.4 降雨量監(jiān)測(cè)升級(jí)

馬糞溝尾礦庫(kù)現(xiàn)有一臺(tái)翻板式雨量計(jì)設(shè)在配電室外邊，該雨量計(jì)運(yùn)行正常，但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏自動(dòng)預(yù)警功能。根據(jù)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)得出，此次升級(jí)增加降雨量與預(yù)警值自動(dòng)對(duì)比功能，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加直觀。同時(shí)在尾礦庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中要求值班人員要實(shí)時(shí)了解和掌握氣象預(yù)報(bào)和汛期水情，及時(shí)通知全體尾礦工，并落實(shí)惡劣及暴雨天氣應(yīng)急預(yù)案。汛期加強(qiáng)降雨監(jiān)測(cè)設(shè)施的檢查，保證其正常運(yùn)行。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)

根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求，對(duì)排水井、放礦的灘面、尾礦排放管路出口、尾礦壩下游坡面、庫(kù)區(qū)水位標(biāo)尺等重點(diǎn)關(guān)注部位實(shí)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控管理。

馬糞溝尾礦庫(kù)目前已安裝了8臺(tái)視頻監(jiān)控?cái)z像頭，涵蓋范圍包括北邊坡、排洪系統(tǒng)出水口、進(jìn)水口、庫(kù)內(nèi)灘面、尾礦庫(kù)入口及尾礦管路，這些攝像頭運(yùn)行正常，缺少對(duì)主壩外坡及監(jiān)控室內(nèi)監(jiān)測(cè)人員工作狀態(tài)的視頻監(jiān)控。根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求，此次升級(jí)是在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部利舊的基礎(chǔ)上新增3個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，2個(gè)用于監(jiān)控主壩外坡，另一個(gè)安裝在監(jiān)控室內(nèi)監(jiān)測(cè)人員工作狀態(tài)。

隨著沉積灘面的不斷升高，一部分視頻監(jiān)控?cái)z像頭要隨壩體的升高而移動(dòng)，以保證視頻監(jiān)控范圍滿足規(guī)范要求。

2.6 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行管理升級(jí)

為了實(shí)現(xiàn)馬糞溝尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)生故障時(shí)能夠做到早發(fā)現(xiàn)早修理，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和及時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行，成立了尾礦庫(kù)觀測(cè)小組保障尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全天候連續(xù)正常運(yùn)行。

觀測(cè)小組由選礦專業(yè)技術(shù)人員和電氣專業(yè)技術(shù)人員及尾礦工組成，尾礦工負(fù)責(zé)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況的日?？垂芄ぷ鳎?小時(shí)檢查1次視頻信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)是否正常，出現(xiàn)無(wú)信號(hào)或信號(hào)異常等故障時(shí)要及時(shí)上報(bào)作業(yè)區(qū)領(lǐng)導(dǎo)，并做好記錄。在故障沒(méi)有解除時(shí)要隨時(shí)關(guān)注信號(hào)變化，專業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)為智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供技術(shù)保障。

在每年汛期前一個(gè)月觀測(cè)小組要對(duì)尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的排查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修復(fù)，保證系統(tǒng)在汛期能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在汛期中和汛期結(jié)束后以及發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后，觀測(cè)小組也要及時(shí)對(duì)尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的排查。

3 增加應(yīng)急排洪設(shè)施

馬糞溝尾礦庫(kù)已升級(jí)為二等庫(kù)，根據(jù)國(guó)家對(duì)尾礦庫(kù)的相關(guān)安全管理要求，馬糞溝尾礦庫(kù)屬于頭頂庫(kù)，需提等管理，庫(kù)內(nèi)汛期最小安全超高1.0 m，最小干灘長(zhǎng)度100 m，針對(duì)在汛期如何保證在尾礦庫(kù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警狀態(tài)下降低安全超高和庫(kù)內(nèi)浸潤(rùn)線高度開(kāi)展了系列研究，確定了增加應(yīng)急排洪設(shè)施方案。

設(shè)計(jì)應(yīng)急排洪設(shè)施采用溢洪道，在西側(cè)壩肩布設(shè)，由庫(kù)內(nèi)臨時(shí)溢洪道與庫(kù)外永久溢洪道、消力池和排洪鋼管組成。庫(kù)內(nèi)臨時(shí)溢洪道設(shè)置在庫(kù)區(qū)西側(cè)干灘與山坡交界位置，進(jìn)水口標(biāo)高應(yīng)低于規(guī)范允許最高洪水位1.5 m。根據(jù)馬糞溝尾礦庫(kù)灘面實(shí)際情況，臨時(shí)溢洪道初始長(zhǎng)度約252 m，后期尾礦壩最終標(biāo)高約為287 m。

臨時(shí)溢洪道采用倒梯形斷面，過(guò)水?dāng)嗝娴讓?.2 m，深1.5 m，兩側(cè)邊坡坡比為1：0.5，側(cè)壁和底板厚度不小于0.5 m，縱坡不小于1%。溢洪道開(kāi)挖后先在底部鋪設(shè)一層土工膜，然后采用尾砂袋砌筑，砌筑厚度不小于500 mm。設(shè)計(jì)采用的土工膜為0.35 mm厚HDPE土工膜，其技術(shù)指標(biāo)要求：拉伸強(qiáng)度大于17 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率大于450%，直角撕裂強(qiáng)度大于80 N/mm?，F(xiàn)已建成并投入使用，見(jiàn)圖1。

圖1 臨時(shí)溢洪道 圖2 永久溢洪道

庫(kù)外永久溢洪道沿西側(cè)壩肩布設(shè)，與庫(kù)區(qū)臨時(shí)溢洪道連接，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，過(guò)水?dāng)嗝鏋榈讓?.2 m，深1.5 m，兩側(cè)邊坡坡比為1：0.5，側(cè)壁和底板厚度0.5 m，漿砌石水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M7.5。庫(kù)外溢洪道初始長(zhǎng)度約為45 m，隨著尾礦壩的升高，逐步延長(zhǎng)，最終長(zhǎng)度約248 m。在標(biāo)高約565.5 m位置將原有值班室拆除，修建消力池，與永久溢洪道連接。消力池凈斷面尺寸為10 m×5 m×3 m，側(cè)壁和底板厚度0.3 m，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池下游連接2條排洪鋼管，延伸至初期壩下游原有消力池，將洪水排到庫(kù)外。排洪鋼管總長(zhǎng)度1 306 m，直徑700 mm，壁厚10 mm?，F(xiàn)已建成并投入使用，見(jiàn)圖2。

4 結(jié)語(yǔ)

馬糞溝尾礦庫(kù)系危險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較高的“頭頂庫(kù)”，是國(guó)家安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。馬糞溝尾礦庫(kù)通過(guò)此次智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，增加了對(duì)壩體內(nèi)部位移等參數(shù)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)和應(yīng)急排洪設(shè)施，對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)行連續(xù)跟蹤測(cè)定，最大程度降低了造成尾礦泄漏、潰壩、環(huán)境污染等重大安全事故的可能，保證了下游村莊人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全以及庫(kù)區(qū)下游的生態(tài)環(huán)境安全，對(duì)降低重特大事故發(fā)生概率，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失以及確保尾礦庫(kù)高效生產(chǎn)運(yùn)行具有重要的安全效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。