胡祥群,鄭學鑫

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 背景

尾礦庫是指利用山區(qū)溝谷或者利用平地建筑圍堤壩形成庫容,用以堆存金屬或非金屬礦山選礦后排出礦渣的場所[1]。尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源,存在潰壩危險,一旦失事,容易造成重特大安全和環(huán)保事故[2]。尾礦壩作為尾礦庫的主體工程,其穩(wěn)定性是關系尾礦庫能否正常運行的關鍵因素之一。

目前,根據(jù)堆積子壩的壩頂軸線推移方向,可以將尾礦壩的筑壩方法分為上游式尾礦筑壩法、下游式尾礦筑壩法和中線式尾礦筑壩法[3]。

上游式尾礦筑壩法:在初期壩上游方向堆積尾礦的筑壩方式[4]。上游式尾礦筑壩法具有工藝簡單,操作方便,基建投資少,經(jīng)營費低等優(yōu)點,是我國目前廣泛應用的尾礦壩建筑方法。但是,上游式尾礦筑壩法容易形成復雜的、混合的壩體結構,壩體內(nèi)易形成細顆粒透晶體、浸潤線較高,從而容易引起壩體滲透破壞或滑坡,尤其是在地震作用下易發(fā)生液化破壞。

下游式尾礦筑壩法:在初期壩下游方向用旋流器分離粗尾砂的筑壩方式[4]。下游式尾礦筑壩法具有粗砂筑壩、滲透性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但是需要使用大量的粗粒尾礦,容易出現(xiàn)粗粒尾礦量不足的問題。

中線式尾礦筑壩法:在初期壩軸線處用旋流器分離粗尾砂的筑壩方式[4]。中線式尾礦筑壩法所建筑的壩體,其壩型介于上游式尾礦筑壩法和下游式尾礦筑壩法之間,其壩體的抗震穩(wěn)定性也介于上游式與下游式尾礦筑壩法之間,但其壩體上升所需的粗顆粒尾礦要比下游式尾礦筑壩少,筑壩費用也比下游式尾礦筑壩法低。

綜合上述,下游式或者中線式尾礦筑壩方法具有粗砂筑壩、滲透性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[5],在高震區(qū)有優(yōu)勢,《尾礦設施設計規(guī)范》(GB 50863—2013)也提倡地震設防烈度為8 度～9 度地區(qū)采用下游式或者中線式尾礦筑壩[4],而中線式尾礦筑壩方法所需的粗尾礦比下游式尾礦筑壩方法少,筑壩成本較低。因此,中線式尾礦筑壩方法具有廣大的應用前景,尤其是高震地區(qū)。

中線式尾礦筑壩管理的關鍵是砂量平衡的管理,即排往壩外坡的旋流器分離的粗尾砂與排往庫內(nèi)的細尾砂兩者需平衡,使得尾礦壩各階段壩頂上升速度滿足庫內(nèi)尾砂沉積灘面的上升速度[5]。目前,尚沒有一種成熟的管理方法用來實時監(jiān)測和指導中線式尾礦筑壩,使得中線式尾礦筑壩管理過程中容易混亂,容易出現(xiàn)分級粗尾砂過多不經(jīng)濟或分級粗尾砂不足而影響筑壩安全、壩外坡局部欠砂不利于局部邊坡的穩(wěn)定、子壩堆筑過早不利于邊坡穩(wěn)定、子壩堆筑滯后影響尾礦庫防洪安全的不良后果[6]。因此,需要尋求一種新的用于中線式尾礦筑壩的管理系統(tǒng),為中線式尾礦筑壩日常管理提供實時監(jiān)測和指導。

與此同時,緣于我國尾礦庫數(shù)量之多,且隨著城鎮(zhèn)化進度加快,尾礦庫距離人口居住區(qū)越來越近,一旦發(fā)生潰壩或者尾礦滲漏,將會嚴重影響到下游人民的生命財產(chǎn)安全,對周邊環(huán)境造成極大的負面影響,尾礦庫監(jiān)測預警應急信息化管理方面近年來也逐漸被重視。傳統(tǒng)的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)重尾礦庫數(shù)據(jù)的采集、管理和展示,無法滿足尾礦庫應急救援需求,在險情發(fā)生時往往已經(jīng)癱瘓,無法發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)輔助應急救援的作用[7]。因此,需要尋求一種新的中線式尾礦壩應急救援系統(tǒng),當險情發(fā)生時,可以集成豐富的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、影像等,為尾礦庫應急救援構建一個抗干擾性強、性能穩(wěn)定、反映迅速的綜合信息化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概況

提出一種基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應急救援系統(tǒng),該系統(tǒng)以三維激光掃描儀為測量手段,實現(xiàn)集尾礦庫正常運行時的尾礦分級和筑壩過程精細化管理、險情發(fā)生時的應急指揮和輔助救援于一體的綜合化管理。

日常管理過程中,結合三維激光掃描儀與中線式尾礦筑壩砂量平衡原理,參照中線式尾礦分級筑壩計劃,實時對比通過掃描儀獲得的實際壩體三維地形與設計規(guī)劃的壩體三維圖形,分析尾礦粗砂欠缺情況,優(yōu)化后續(xù)尾礦分級和筑壩過程,避免出現(xiàn)分級粗尾砂的浪費或不足、子壩堆筑過早或滯后的現(xiàn)象[6]。

險情發(fā)生時,以三維激光掃描儀為觀測手段,保證在最危急的時刻,應急救援系統(tǒng)能夠獲得第一線的數(shù)據(jù),并提供輔助性應急指揮,為尾礦壩應急救援、排險加固等提供強有力的支撐。

2 三維掃描儀

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術[8-9],是測繪領域繼GPS 技術之后的一次技術革命[10]。三維激光掃描的主動性和非接觸性測量系統(tǒng),采用高速激光測量獲取目標物表面三維點云數(shù)據(jù)的方式,來快速獲取三維坐標(X,Y,Z),為特殊環(huán)境條件下的工程監(jiān)測提供了一種新的量測方案[11-13]。目前,三維激光掃描技術已廣泛應用于工程測量、變形監(jiān)測、古建筑和文物修復、數(shù)字智慧城市建設等領域[14-16],并且國外學者在捕獲海底圖像、農(nóng)田土壤侵蝕測量等復雜環(huán)境領域也成功進行了應用。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù),因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型[17]。

日常管理過程中,通過三維激光掃描儀及配套軟件實時獲取中線式尾礦壩壩頂標高、沉積灘標高、下游累積粗砂量和欠砂區(qū)域,為下一步尾礦分級和筑壩精細化管理提供依據(jù)。

險情發(fā)生時,通過三維激光掃描儀及配套軟件第一時間獲取壩體變形區(qū)域的位置和范圍,全面掌控事態(tài)發(fā)展趨勢,保證應急救援工作迅速有序高效開展。

3 筑壩管理系統(tǒng)

3.1 技術方案

根據(jù)中線式尾礦分級筑壩砂量平衡原理,制作尾礦分級筑壩計劃圖,從該圖上能查出任意堆壩壩頂標高時庫內(nèi)尾礦沉積灘標高、下游累積需要粗砂量和對應的累積排放尾礦時間,這個計劃圖作為中線式尾礦筑壩管理的準繩。尾礦庫實際運行過程中,根據(jù)三維激光掃描儀測算的實際庫內(nèi)尾礦沉積灘標高、實際下游累積粗砂量,和查得的實際累積尾礦排放時間,對照尾礦分級筑壩計劃圖,查算出目前堆壩壩頂標高下,尚需下游粗砂量和允許的排放尾礦時間,從而得到需要的日均粗砂產(chǎn)量,據(jù)此確定后續(xù)尾礦分級計劃,并調(diào)整旋流器設備的運行數(shù)量。其間,根據(jù)下一級子壩施工工期,可反推出堆筑下一級子壩的起始時間。

3.2 實施方式

中線式尾礦分級筑壩壩體橫剖面示意圖如圖1所示,圖中:H為某堆壩壩頂標高,H0為某堆壩壩頂標高H下實際庫內(nèi)尾礦沉積灘標高,H1為某堆壩壩頂標高H下最終庫內(nèi)尾礦沉積灘標高,W0為某堆壩壩頂標高H下實際下游累積粗砂量,ΔW為某堆壩壩頂標高H下尚需粗砂量。

圖1 中線式尾礦分級筑壩壩體橫剖面示意圖

根據(jù)中線式尾礦分級筑壩橫剖面和中線式尾礦分級筑壩砂量平衡原理,制作中線式尾礦分級筑壩計劃示意圖,如圖2 所示。

圖2 中線式尾礦分級筑壩計劃示意圖

中線式尾礦分級筑壩管理流程如圖3 所示,圖中:t0為某堆壩壩頂標高H下實際累積排放尾礦時間,t1為某堆壩壩頂標高H下最終累積排放尾礦時間,t為堆筑下一級子壩的施工工期,ta為堆筑下一級子壩的起始時間,m0為實際每日生產(chǎn)粗砂量,m1為調(diào)整后的每日生產(chǎn)粗砂量。

圖3 中線式尾礦分級筑壩管理方法流程圖

具體實施方案為[6]:根據(jù)圖2,查得W1、H1、t1。根據(jù)三維激光掃描儀測得H0,再由圖2 查得t0。根據(jù)三維激光掃描儀和配套軟件測算得W0。計算m1:

將m1與m0對比,調(diào)整日后旋流器設備的運行數(shù)量。

其間,根據(jù)t,計算出ta:

3.3 有益效果

一種新的中線式尾礦筑壩管理系統(tǒng),在中線式尾砂筑壩管理過程中,實時、精準、快捷地測算出實際粗砂量與設計所需粗砂量之間的差距,再結合排放尾礦時間,指導和調(diào)整后續(xù)尾礦分級和子壩堆筑,該管理方法貫穿于中線式尾砂筑壩的整個生命周期,使得中線式尾礦筑壩管理有章可循,避免了出現(xiàn)分級粗尾砂量的浪費或不足、子壩堆筑過早或滯后的不良現(xiàn)象,具有良好的經(jīng)濟效益,同時為中線式尾砂筑壩提供了安全保障。

4 應急救援系統(tǒng)

4.1 技術方案

借助三維激光掃描儀和配套軟件測量計算出壩體表面位移,結合其他監(jiān)測項(浸潤線埋深、干灘、庫水位、降雨量等),通過數(shù)據(jù)預處理對多角度、多層次的數(shù)據(jù)進行有序存儲和過濾,使得準確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)送到計算和安全評價模塊,評估出尾礦庫安全狀態(tài),一旦通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢發(fā)現(xiàn)未來有險情發(fā)生可能時,啟動聯(lián)動報警和預案管理流程,指揮中心通過在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和影像資料,實時全面準備地掌握險情狀態(tài)和發(fā)展趨勢,以確定救援方案,保證應急救援工作迅速有序高效開展。

4.2 實施方式

根據(jù)中線式尾礦筑壩應急救援技術方案,構建在線監(jiān)測及應急指揮拓撲圖,如圖4 所示,拓撲圖由四個模塊組成,分別為監(jiān)測模塊、計算模塊、評價模塊和應急指揮模塊。

圖4 在線監(jiān)測及應急指揮拓撲圖

監(jiān)測模塊完成數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集和預處理任務,實現(xiàn)尾礦庫全方位監(jiān)測,監(jiān)測內(nèi)容有壩體內(nèi)部位移、壩體表面位移、浸潤線、干灘長度和安全超高、庫水位、降雨量、視頻等,其中三維掃描儀負責壩體表面位移觀測,儀器支架安裝在地基穩(wěn)固、沒有滑坡傾向的山體處,以防險情發(fā)生時設備失靈。

計算模塊[8]完成數(shù)據(jù)存儲、模型和計算、統(tǒng)計和整理任務,將準備有效的數(shù)據(jù)傳遞給評價模塊和供指揮中心調(diào)用。

評價模塊[8]根據(jù)各監(jiān)測數(shù)據(jù)、趨勢分析,對尾礦庫安全性進行綜合評價,得出結論。

應急指揮模塊[9]包括報警預案、指揮中心和工業(yè)現(xiàn)場三部分,報警預案是指評價得出尾礦庫有險情時,自動啟動報警程序,通過電話、短信、郵件、鈴聲、燈光等方式告知工作人員報警,同時啟動應急預案程序。指揮中心根據(jù)現(xiàn)場險情狀況和發(fā)展趨勢,制定應急救援方案,指揮調(diào)度應急物資和資源。

4.3 有益效果

一種新的中線式尾礦壩應急救援系統(tǒng),彌補傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足,啟用三維掃描儀對壩體表面位移實施觀測,結合其他在線監(jiān)測項,構建一個抗干擾能力、性能穩(wěn)定性、反映速度相對較好的綜合信息化系統(tǒng),當險情發(fā)生時,為尾礦庫應急救援提供強有力的保障。

5 結論和建議

(1)本文提出了一種基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應急救援系統(tǒng),以三維激光掃描儀為測量手段,實現(xiàn)集尾礦庫正常運行時的尾礦分級和筑壩過程精細化管理、險情發(fā)生時的應急指揮和輔助救援于一體的綜合化管理。

(2)結合三維激光掃描儀與中線式尾礦筑壩砂量平衡原理,參照中線式尾礦分級筑壩計劃,構建中線式尾礦筑壩管理系統(tǒng),實時對比分析壩體實際填筑與設計填筑的差別,以優(yōu)化后續(xù)尾礦分級和筑壩過程,實現(xiàn)中線式尾礦筑壩精細化管理,有利于尾礦壩安全和降低尾礦分級和筑壩成本。

(3)利用三維掃描儀對壩體表面位移實施觀測,結合其他在線監(jiān)測項,構建中線式尾礦壩應急救援系統(tǒng),險情將發(fā)生或發(fā)生時,應急救援系統(tǒng)獲得第一線數(shù)據(jù),并提供輔助性應急指揮,為尾礦壩應急救援、排險加固等提供強有力的支撐。

(4)中線式尾礦筑壩方法下游壩采用粗砂堆筑,透水性較強,有利于壩體穩(wěn)定,在高震區(qū)優(yōu)勢明顯,本文提出的基于三維掃描儀的中線式尾礦筑壩管理和應急救援系統(tǒng)能較好地幫助礦山企業(yè)管理中線式尾礦壩最關鍵的砂量平衡問題,當險情將發(fā)生或發(fā)生時,能提供輔助應急指揮,為應急救援提供強有力的支撐,建議在類似工程中可以借鑒使用。