葛小博　張建博　席燦勇

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院)

?

柳樹箐磷石膏尾礦庫在線安全監(jiān)測方案設(shè)計

葛小博1,2張建博1席燦勇1

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院)

摘要尾礦庫安全監(jiān)測是獲得尾礦庫運行中的各種準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，適時掌握尾礦庫運行狀態(tài)，指導(dǎo)尾礦庫安全運行管理，預(yù)防生產(chǎn)事故的重要手段。通過分析我國安全監(jiān)測研究現(xiàn)狀，論述了尾礦庫全程在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的必要性和國內(nèi)尾礦庫安全監(jiān)測發(fā)展的態(tài)勢,提出并制定了壩體表面位移變形監(jiān)測(磷石膏壩和水工壩)、壩體內(nèi)部位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、干灘監(jiān)測、庫水位監(jiān)測、雨量監(jiān)測、濁度監(jiān)測等主要監(jiān)測項目的在線安全監(jiān)測方案，為后期安全生產(chǎn)提供保障。

關(guān)鍵詞尾礦庫在線監(jiān)測壩體位移浸潤線干灘庫水位

磷石膏尾礦庫受到自然因素和人為因素的影響，其工作狀態(tài)隨時都在發(fā)生變化。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范要求和礦山企業(yè)的需求，借助計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測控技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)增強對尾礦庫的安全監(jiān)測和對監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，實行多級綜合監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、處理隱患，防止事故，有利于尾礦庫的安全生產(chǎn)，也可提高尾礦庫的科學(xué)管理水平。

國內(nèi)學(xué)者在尾礦庫安全監(jiān)測研究方面做了很多工作，為研究和開發(fā)尾礦庫自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了很好的借鑒和參考。胡軍通過論述影響尾礦壩安全因素，確定了尾礦壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容，繼而開發(fā)了基于Internet-Intranet的尾礦壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)[1]；曾群偉等通過尾礦庫潰壩事故的原因分析，提出將浸潤線、防洪容量、壩體位移和降雨量作為尾礦庫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)[2]；許同樂等通過分析光纖傳輸基本原理和其在尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的作用，提出了基于光纖傳輸?shù)奈驳V庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[3]；于廣明等綜述了我國尾礦壩穩(wěn)定性、抗震性能、安全管理、在線監(jiān)測等方面的研究現(xiàn)狀，并與國際上相關(guān)研究進(jìn)行了對比、分析和討論[4]。這些均表明高科技在尾礦庫在線監(jiān)測中的應(yīng)用是我國尾礦壩安全管理發(fā)展的必然趨勢。

1工程概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫是濕法上游式筑壩法形成的典型山谷型尾礦庫，該堆積壩的最終高程為2 070 m，堆積壩高約130 m，庫底高程為1 940 m，設(shè)計總庫容(有效庫容)為5 905.2萬m3，二等庫。堆場滿足堆存15～20 a磷石膏排放量的要求。

柳樹箐磷石膏尾礦庫初期壩設(shè)計壩頂高程為1 970 m，壩高30 m；堆積壩壩高約130 m，5 m一級形成子壩，總共20級，迎水面坡比為1∶1.5，壩后坡比為1∶2；防洪系統(tǒng)由排水豎井和排水隧洞組成，排水豎井共有3個；在1 994.8，2 013 m高程設(shè)置水平導(dǎo)滲；初期壩后布置回水系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)水池和水工壩(擋水壩)組成，壩頂寬5 m，壩長約190 m，高約30 m，水池庫容為130萬m3。

目前，該尾礦庫正在使用第十級子壩右岸部分的灘面堆存磷石膏，堆存量約1 520萬m3，干灘長度約600 m。該尾礦庫通過壩前均勻分散的放礦支管進(jìn)行磷石膏渣漿的排放，這樣可以保證粗顆粒沉積于壩前，不出現(xiàn)威脅堆積壩壩體安全穩(wěn)定的粗、細(xì)尾礦顆粒夾層軟弱滑動面。

2尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)重要性及設(shè)計原則

目前人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場測量收集柳樹箐磷石膏尾礦庫的安全運行技術(shù)參數(shù)，容易受天氣、現(xiàn)場、人員等諸多因素的影響，而且工作量大，觀測周期長，最大缺點是不能及時掌握尾礦庫的各項安全技術(shù)指標(biāo)和動態(tài)技術(shù)參數(shù)，這些都會對尾礦庫的安全運行和管理產(chǎn)生重大影響。

全程在線安全監(jiān)測系統(tǒng)將有利于企業(yè)、安全監(jiān)管部門掌握最新、最準(zhǔn)確的尾礦庫運行技術(shù)指標(biāo)和安全狀況，將有利于尾礦庫事故預(yù)防和庫區(qū)人民生命財產(chǎn)安全保障。

柳樹箐磷石膏尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計遵循以下幾個原則：

(1)滿足2個層次標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的技術(shù)要求。

(2)充分考慮本工程實際，選擇必要的監(jiān)測項目以及合適的安全監(jiān)測點；監(jiān)測點布置必須體現(xiàn)代表性和特殊性。

(3)監(jiān)測系統(tǒng)必須能準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測尾礦壩及水工壩的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)壩體異常跡象，為壩體現(xiàn)代化運行管理提供數(shù)據(jù)資料。

(4)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備選型要遵循先進(jìn)、實用的原則，在滿足安全監(jiān)測各項基本要求的情況下做到經(jīng)濟(jì)合理。

3安全監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

柳樹箐磷石膏尾礦庫為二等庫，根據(jù)規(guī)范要求[5]，應(yīng)進(jìn)行浸潤線、位移、庫水位、干灘、降水量等項目的監(jiān)測。根據(jù)工程實際情況，還需要對尾礦庫的滲流水混濁度進(jìn)行監(jiān)測。

3.1壩體表面位移變形監(jiān)測

壩體位移是尾礦庫潰壩災(zāi)害演化過程中的直觀反映指標(biāo)[6]。尾礦壩壩體變形率和發(fā)展速度的監(jiān)測主要通過壩體下游坡變形來掌握，這樣可以及時采取相應(yīng)預(yù)防措施。壩體表面位移監(jiān)測主要范圍包括磷石膏堆積體初期壩(初始壩)、堆積子壩(堆積壩)。

壩體表面變形監(jiān)測的方法很多，有人工監(jiān)測方法，以傳感器、激光技術(shù)和全站儀TPS為基礎(chǔ)的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)以及GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)等。柳樹箐磷石膏渣庫不僅要監(jiān)測磷石膏壩體表面位移，還要監(jiān)測回水井上方的邊坡棄土，原則上考慮采用監(jiān)測范圍跨度較大的GPS監(jiān)測方案，但必須解決幾個問題：①磷石膏壩體滲流的液體具有強酸腐蝕性，不利于GPS埋線布設(shè)；②GPS監(jiān)測點的布設(shè)必須考慮防雷措施；③后期維護(hù)成本較高；④GPS監(jiān)測墩不具有靈活可移動性；⑤GPS監(jiān)測系統(tǒng)不利于系統(tǒng)的擴(kuò)容。綜合分析，在保證監(jiān)測精度和施工方便的前提下，本方案設(shè)計采用全站儀監(jiān)測方法。

磷石膏壩體監(jiān)測點可根據(jù)規(guī)范中關(guān)于斷面選擇和布置方式進(jìn)行布設(shè)。為了使位移監(jiān)測點與浸潤線監(jiān)測孔一起印證、相互校核，將位移監(jiān)測點就近布設(shè)在水位孔旁，同時兼顧規(guī)范中監(jiān)測點布設(shè)的要求。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定[6]：初期壩頂和后期壩頂各布設(shè)一排，每30～60 m高差布設(shè)一排，一般不少于3排。測點的間距，一般壩長小于300 m時，宜取20～100 m；壩長大于300 m時，宜取50～200 m；壩長大于1 000 m 時，宜取100～300 m。柳樹箐磷石膏堆積壩、初期壩位移監(jiān)測點及工作基點參數(shù)見表1。

表1　磷石膏壩體位移監(jiān)測點及工作基點相關(guān)參數(shù)

目前，尾礦庫壩體表面位移的預(yù)警值尚不明確，本系統(tǒng)初步設(shè)計為水平方向預(yù)警值10 mm,垂直方向預(yù)警值10 mm;最小預(yù)警值為水平方向1 mm，垂直方向2 mm;可根據(jù)實際情況設(shè)置多級預(yù)警值。

3.2壩體內(nèi)部位移監(jiān)測

尾礦庫壩體內(nèi)部位移監(jiān)測主要是堆積壩代表性子壩壩體內(nèi)部位移監(jiān)測和庫基底內(nèi)部位移監(jiān)測。

常見的壩體內(nèi)部位移監(jiān)測設(shè)備有測斜兼沉降儀和垂直水平位移計。垂直水平位移計由沉降位移監(jiān)測和水平位移監(jiān)測組成，一般同時布置。這種設(shè)備觀測數(shù)據(jù)精度較低，易受摻氣、滲漏、線路、不均勻沉降等的影響，而且埋設(shè)安裝難度較大。測斜兼沉降儀系統(tǒng)則采用由活動式測斜儀和電磁式沉降儀組成的埋設(shè)在壩體中的測斜管、沉降管進(jìn)行觀測，在施工初期就能進(jìn)行埋設(shè)和觀測，并對位移進(jìn)行累加記錄，可監(jiān)測到整個施工期壩體內(nèi)部位移情況。

根據(jù)壩體內(nèi)部位移監(jiān)測的國家相關(guān)規(guī)范要求，柳樹箐磷石膏尾礦庫擬采用不銹鋼測斜兼沉降儀系統(tǒng)，在一般尾礦庫50 m孔深以內(nèi)，其精度可以達(dá)到或優(yōu)于2mm。結(jié)合工程的實際情況，由于其壩體較大，分別在第四級、第六級、第八級子壩表面位移監(jiān)測點附近布設(shè)3條監(jiān)測垂線，其中第六級子壩的監(jiān)測垂線設(shè)在壩體中軸線附近；3級子壩的監(jiān)測孔中分別埋設(shè)3、4、5個測斜儀兼沉降儀，共計12個。

3.3浸潤線監(jiān)測

浸潤線即滲流網(wǎng)的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關(guān)系到壩體穩(wěn)定及安全狀況。因此，浸潤線位置的監(jiān)測是尾礦庫安全監(jiān)測的重要內(nèi)容之一[7]。浸潤線監(jiān)測范圍主要是堆積壩壩體內(nèi)部。

由于特殊的監(jiān)測環(huán)境，各種鋼式材料傳感器都不適合本項目的長期埋設(shè)監(jiān)測，必須考慮具有防強腐蝕的陶瓷材料傳感器。本工程采用防強腐蝕液位變送器。浸潤線監(jiān)測點布設(shè)見圖1。浸潤線監(jiān)測點參數(shù)見表2。測壓管布設(shè)見圖2。

圖1　浸潤線監(jiān)測點布設(shè)

位置標(biāo)高/m壩長/m監(jiān)測點數(shù)目/個監(jiān)測孔間距/m備注第2級子壩1980224350沿用老孔第4級子壩1990320450沿用老孔3個,新增鉆孔1個第6級子壩2000382450第8級子壩2010450450新增鉆孔

圖2　測壓管布設(shè)示意

3.4干灘監(jiān)測

尾礦壩自身的運行特點決定了干灘標(biāo)高不同于其他點標(biāo)高的測量，隨著尾礦壩不斷填筑加高，由于灘頂標(biāo)高和設(shè)計最高洪水位下允許達(dá)到的干灘標(biāo)高是2個動態(tài)指標(biāo)，標(biāo)高監(jiān)測設(shè)備不能固定設(shè)置在某一位置。

張記峰詳細(xì)介紹了近景攝影測量在礦山尾礦庫干灘監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)合實例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和精度對比分析[8]。根據(jù)干灘監(jiān)測的國家相關(guān)規(guī)范要求，在尾礦庫右側(cè)3#、4#豎井間布置2臺近景立體攝影測量儀。測量斷面垂直于壩軸線布置，在幾個測量結(jié)果中，選最小者作為該尾礦庫的沉積灘干灘長度監(jiān)測值。沉積干灘坡度按照各測量斷面的磷石膏沉積干灘坡度加權(quán)平均計算。

3.5庫水位監(jiān)測

尾礦庫內(nèi)一般存有大量尾礦漿沉淀水，庫水位監(jiān)測的目的是根據(jù)水位高低判斷壩體是否滿足安全要求。對于庫水位位置的監(jiān)控和把握，可以直接防止尾礦庫在汛期因洪水漫頂發(fā)生潰壩事故[9]。

由于現(xiàn)場無法靠近或不能實現(xiàn)人力監(jiān)控庫水位，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控。不同的尾礦庫有著不同的實際情況和技術(shù)要求，而且?guī)焖粎?shù)的測量方法和測量位置不同，對監(jiān)測設(shè)備的要求也有所不同。因此，在綜合研究柳樹箐磷石膏尾礦庫的實際情況及相關(guān)工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，擬采用分體式超聲波液位計實時測量庫水位。

目前，回水庫水工壩已設(shè)置有雷達(dá)液位計實時監(jiān)控。尾礦庫存水的水位則由設(shè)置于排洪回水豎井井架上的水位標(biāo)尺人工讀取。本方案考慮繼續(xù)使用水工壩雷達(dá)液位計，將該臺液位計讀數(shù)納入本方案尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)。目前正在使用的4#溢水井處安裝一臺超聲波液位計，根據(jù)庫水位的實際情況，2個不同溢水塔分為初期安裝位置和后期安裝位置，布線時充分考慮不同時期水位計的布設(shè)位置。

3.6雨量監(jiān)測

隨著極端降雨造成的安全事故頻繁出現(xiàn)，降雨量監(jiān)測越來越重要。結(jié)合實地踏勘結(jié)果和雨量計安裝點位規(guī)范，并考慮到安裝調(diào)試難度、后期維護(hù)難度等因素，選址在第六級子壩上MCU旁邊，也可在值班室房頂(即視頻監(jiān)控中心房頂)，本方案選擇在值班室房頂。庫區(qū)降水預(yù)警值設(shè)計參考柳樹箐磷石膏尾礦庫設(shè)計資料、往年庫區(qū)降水量數(shù)據(jù)及庫水位等信息，可根據(jù)實際情況進(jìn)行多級預(yù)警值設(shè)置。

3.7濁度監(jiān)測

根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求，一、二、三等庫有必要監(jiān)測混濁度。實地考察后，壩體內(nèi)常年有水滲出，混濁度反應(yīng)出庫內(nèi)漏沙情況，直接關(guān)系到尾礦庫的安全。目前，庫區(qū)尚未布置濁度監(jiān)測設(shè)施，擬在初期壩腳處布設(shè)一臺濁度監(jiān)測儀。

4結(jié)語

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)可以提高尾礦庫的安全技術(shù)和監(jiān)管水平，增強對尾礦庫災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力。但是，我國尾礦庫安全監(jiān)測的力度和方法仍然存在著一定的漏洞和局限性。主要突出表現(xiàn)在觀測設(shè)備陳舊，技術(shù)手段單一，監(jiān)測項目不全面，自動化程度低，觀測周期長，觀測數(shù)據(jù)并不能完全反映尾礦庫實時動態(tài)變化情況。為適應(yīng)發(fā)展的要求，應(yīng)加快壩體表面位移變形監(jiān)測、壩體內(nèi)部位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、干灘監(jiān)測、庫水位監(jiān)測、雨量監(jiān)測、濁度監(jiān)測等主要監(jiān)測項目的尾礦庫全程在線安全監(jiān)測方案的推廣應(yīng)用進(jìn)程，為及時、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)尾礦庫的隱患提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1]胡軍.基于Internet-Intranet的尾礦壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].金屬礦山，2010(2)：124-132.

[2]曾群偉，謝殿榮,蘇舉端，等.尾礦庫潰壩的安全監(jiān)測[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(1)：44-46.

[3]許同樂，郎學(xué)政，裴新才，等. 基于光纖傳輸?shù)奈驳V庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 黃金，2011，32(7)：43-47.

[4]于廣明，宋傳旺，潘永戰(zhàn)，等．尾礦壩安全研究的國外新進(jìn)展及我國的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014(S1)：3238-3248．

[5]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．AQ 2006—2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

[6]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．AQ 2030—2010尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．

[7]于瑞杰，房志龍，張泓麟，等．尾礦庫安全在線監(jiān)測技術(shù)探討[J]．金屬材料與冶金工程，2013(10)：52-58．

[8]張記峰，李少波．近景攝影測量在礦山尾礦庫干灘監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2014(6)：54-57．

[9]張強．淺淡尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]．有色冶金設(shè)計與研究，2014(2)：16-17．

(收稿日期2015-12-05)

葛小博(1980—)，男，高級工程師，550081 貴州省貴陽市興黔路16。