炉场沟尾矿库在线监测系统设计研究

赵劲彤，赵长中

（洛阳钼业集团股份有限公司选矿二公司，河南栾川471500）

0 前言

尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，是金属、非金属矿山企业最大的安全隐患。尾矿库一旦失事，将对库区下游人民生命财产造成灾难性危害。近年来，尾矿库溃坝造成人员伤亡和污染物下泄事故时有发生，在造成巨大生命财产损失的同时，对环境安全造成巨大威胁。因此，加强尾矿库安全监管力度，把握尾矿库安全现状，减少安全事故发生，对提高企业经济效益具有重要意义。

图1 我国尾矿库溃坝事故致灾因素统计图

由图1可知：稳定性不足、洪水漫顶、结构破坏、渗流破坏是造成尾矿库溃坝事故的主要原因。加强对浸润线、干滩长度、库区水位、坝 体位移、降雨量等信息参数的实时监控，是预防致灾因素发生的有效途径。

过去炉场沟尾矿库主要采用人工监测手段对各项数据信息进行采集分析，存在着数据上的误差性和时间上的滞后性等缺陷，随着生产的持续进行，尾矿库库容逐渐增大，人工监测越来越难以满足安全管理需求，利用当前先进的光纤传感器技术设计一套在线监测系统对尾矿库实施在线监控就显得十分必要。

1 炉场沟尾矿库简介

炉场沟尾矿库建于1980年，由长沙有色冶金设计研究院设计，设计总库容5 184.8万m3，现堆积库容为2 050万m3。该库为二级库，属山谷型上游式堆积坝，排洪方式为塔、隧洞式排洪。设计主要参数及结构如表1所示。

表1 炉场沟尾矿库主要设计参数及结构

1.1 初期坝

初期坝地基层为坡洪积粉质粘土。早期初期坝为均质土坝，坝底标高为1 193 m，坝顶标高为1 210 m，坝高17 m，坝顶宽2 m，内外坡比分别为1∶1.47、1∶1.55。第2次加固后为土石坝。土坝外坡面从内到外分别铺设0.2 m厚粗砂、300 g/m2无纺土工布一层、0.2 m厚粗砂、小块石过渡层、加固堆实体、大块石护坡，加固后外坡比为1∶2.5，坝顶标高1 211m，坝顶宽3 m。

后期初期坝坝顶宽度增加至56 m，外坡比为1∶2.3，底部设一浆砌块石挡墙，高6.5 m。2004年，万吨选厂扩建，经请示长沙有色冶金设计研究院，将选厂处理地基中的土石方运送至初期坝夯平压实堆存在原初期坝上层，堆积后现在初期坝高度为19.5 m、长66 m、宽51 m。其结构如图2所示。

图2 炉场沟尾矿库初级坝结构示意图

1.2 堆积坝（坝面）

炉场沟尾矿库采取上游式尾砂堆筑。二期工程设计坝高217 m，扩容改造后服务年限为9.8年。目前堆积坝顶标高约1 352 m，堆积总高度为139 m。在坝坡上每隔4～7 m高差设置一条马道，宽度2～10 m，坝坡现已设置56级马道。各级马道斜坡坡比约1∶2.2～1∶3.4，坝体平均外坡比为1∶4.25。库内干滩长约380～520 m，坝轴线长约610 m。沿坝坡铺设有9根尾矿输送管道，管道口径为0.5 m，坝顶有5根管道全天候放矿。为防止山坡和坝坡雨水对坝间、坝面及坝肩的冲刷，各级马道坡脚、坝坡坝肩分别设置了横向排水渠、纵向排水渠，两道坝肩排水渠，排水渠规格为1.1 m×1.2 m。均采用水泥砂浆砌筑。为防止雨水、渗流冲蚀以及大风扬尘造成环境破坏，在坝面上铺设了约0.4 m厚的粘性土层，全部种植了植被，植被护坡面积在85 000 m2左右。

1.3 排洪设施

排水系统采用钢筋混凝土框架式排水井+圆拱直墙型隧洞。库内共设9座排水塔，其中1#、2#、3#塔井筒高H=18.00 m，内径D=3.6 m；4#、5#、6#塔井筒高H=24.00 m，内径D=2.5 m。1#、2#、3#、4#、5#塔已淹没封堵，目前使用6#排水塔。库内排水塔与尾矿库右侧山体内排水隧洞贯通，供汛期期间泄洪需要，隧洞采用全段钢筋混凝土衬砌。

1.4 安全辅助设施

在堆积坝升高过程中，1 275 m、1 290 m、1 300 m、1 310 m、1 320 m、1 337 m标高分别在距离堆积坝滩面200～250 m处各铺设了一层排渗席垫，共铺设6道。在堆积坝体1 289 m、1 307 m标高处共设置了4座大口辐射渗井。内径为D=2.9 m，深度H=28 m，其下部有13根水平集渗管和一根水平排渗管，由水平排渗管导出井内的积水。该库在1 290 m标高沿沟底设置排渗层，铺设面积为6 500 m2。其主要作用是加快尾矿库底部尾沙粘土层固结，增强库底部尾沙的扛剪强度。

1.5 观测设施

在坝体平面布置浸润线人工观测孔34个。在堆积坝体平均间隔20 m坝高布置2个基准点观测点和2个坝体位移沉降观测点，现已建设6个。

1.6 尾矿库相关安全参数

尾矿库运行期间及洪水时的最小安全超高和最小干滩长度如表2所示。经监测，2010年汛期期间炉场沟尾矿库的最小安全超高在1.2 m，最小干滩距离在380 m，满足《尾矿库安区技术规程》的相关规定。

表2 上游式尾矿坝的最小安全超高和最小干滩长度［4］

2 炉场沟尾矿库在线监测系统设计

2.1 在线监测系统设计要求

（1）以炉场沟尾矿库设计方案为基本依据，设计院提供基本的观测点位布设平面图，按照设计要求布置施工。

（2）在线监测系统应能满足夜间视频监控的需要和整个库区全方位无死角监控的需要。

（3）在线监测系统要具备一定的数据处理能力，能够实现采集数据的整理、分析、报警。预留硬件接口，能与国内主流报警主机及国家在线监测设备实现对接。

（4）在线监测系统能全面、准确地反映坝体和库区的工作形态，并能设计参数比对，及时发现异常迹象，运行数据在一定时期要海量存储，满足安全生产管理需要，为生产运行期间管理提供可靠的资料。监测系统的设计和选型既要有可靠性、先进性、兼容性、互换性，又要体现经济性、实用性。在满足安全监测要求的前提下，力求经济合理。

（5）安全监测系统要满足国家关于尾矿库管理的相关标准、规定等技术要求。

2.2 监测指标的确定

美国谢泼德·米勒公司项目经理C斯特拉牵得出的尾矿坝溃坝数量与事故原因的关系［5］中指出：坝体边坡稳定性、漫顶和渗流等是溃坝事故发生的主要原因，应对其进行重点观测。边坡稳定性可通过观测坝体的位移、浸润线高度等来反映。漫顶可以通过观测库区水位、干滩高程和降雨量等来反映，相关技术指标在《尾矿库安全技术规程》中都作了明确规定。浸润线、坝体位移等技术指标是检验尾矿库安全的重要技术指标。因此，在监测过程中选择浸润线、防洪能力、坝体位移和降雨量做为尾矿库监测预警系统的监测指标。由此建立的监控系统包括：浸润线、坝体位移、库区水位、干滩长度和降雨量监测系统、视频监控系统和超限报警等部分。

2.2.1 浸润线在线监测

以人工监测的浸润线位置和长沙院对炉场沟尾矿库渗流计算得到的浸润线位置为依据，设定最佳浸润线在线观测点18个。将整个坝面分成6个水平，每个水平设3个浸润线观测点。采用渗压传感器进行数据传输，观测孔设计满足国家2级库设计浸润线埋深10 m以上的要求。具体情况如图3所示。

2.2.2 坝体位移监测

为随时了解尾矿坝坝面形变情况，设计在炉场购尾矿库坝面安装位移传感器监测坝体的形变情况，共安装6个光纤位移传感器，位移传感器如图4所示，在应用时先将锚固端固定在某一固定物上，传感器与锚固端通过钢丝绳连接，先预紧钢丝绳，将位移传感器调到合适测量位置，然后固定。位移形变数据通过光纤传输，并经过计算得到位移形变值，显示在监测系统上，具备报警功能。位移监测值应以毫米（mm）为单位。具体情况如图3所示。

图3 传感器安装示意图

图4 位移传感器示意图

2.2.3 库区水位监测

对库区水位情况进行监测，及时掌握尾矿库在汛期期间的水位上升下降情况以及在排洪泄洪过程中的水位变化情况，确保尾矿库水位处于最小安全超高以下，保证尾矿库正常运行，在6#排水塔处设计安装水位传感器，实时监测库区水位变化，通过光纤及后台计算得到管理者所需要的数据信息，并显示在监测系统上，具备报警功能。水位计算精度≤±0.1 m。具体情况如图3所示。

2.2.4 干滩长度监测

干滩长度是衡量尾矿库安全性能的重要指标之一［6］。炉场沟尾矿库设计的最小干滩长度在300 m，目前炉场沟尾矿库干滩长度的测量主要依赖于人工测量手段。郑学明［7］等发明了一种基于图像识别计算尾矿库干滩长度的方法，计算出的干滩长度精度较高，实时性较强，满足了对尾矿坝干滩长度的在线实时监测要求。利用其方法建立干滩长度监测系统，实时监测管理者所需要的干滩数据信息。干滩长度监测数据精度≤15 m。

2.2.5 降雨量监测

雨量计可设在二级砂泵站处，便于数据采集和布线方便，降雨量监测标准与国家气象部门使用的标准一致。通过降雨量监测，能够方便管理者实时掌握雨量大小和洪水位的可能位置，便于提前采取措施，防范于未然。雨量计的监测精度≤±3％，分辨率为1 mm。

2.2.6 同步视频监控

为了实时掌握尾矿库的运行状况，在整个炉场沟尾矿库库区布设高清摄像机，包括排水塔、坝顶、坝面中部、坝面底部安装摄像机，对库区水位情况、干滩情况、排尾管道放矿情况、排尾管道的工作情况、排水塔的排水情况等进行监控，视频图像在监控中心平台上显示，并可自由切换，实现尾矿库库区全方位监控。通过控制，可以对观察的画面进行调整，得到满意的图像效果，并确保视频信息能够保存一周以上，工作人员也可以将重要视频录像导出、存档。

2.2.7 炉场沟尾矿库在线监测系统设计示意图

根据以上确定的监测指标，结合炉场沟尾矿库运行实际情况，确定的炉场沟尾矿库在线监测系统示意图如图5所示。

图5 炉场沟尾矿库在线监测系统设计示意图

3 炉场沟尾矿库在线监测系统预期效果和存在困难

3.1 预期效果

随着公司生产的持续进行，尾矿坝坝面持续升高，其存在的安全隐患越来越大，设计建设安全在线监测系统十分必要，该系统建成投产之后希望达到以下效果：（1）能够使公司安全监管部门快速获取与炉场沟尾矿库安全密切相关的技术指标，及时掌握尾矿库运行状况和安全状况；（2）改善人工监测存在的诸多弊端，减少人工工作强度，提高企业的管理水平，为建设“精品企业”提供支持；（3）顺应建设数字化企业的发展要求，系统科技含量高，为企业今后的科技发展打下基础。

3.2 系统建设施工存在的困难

（1）炉场沟尾矿库是公司生产必不可少的组成部分，在系统建设过程中，既要保证施工安全，又要确保公司生产不受影响，需要施工单位在系统建设过程中谨小慎微，有规范的施工计划和严格的操作规定；

（2）系统建设中的光缆架设、摄像机安置点、浸润线观测孔施工、传感器安装等都需要反复论证，精确计算施工，保证今后系统在使用过程中的精确性和稳定性。

4 结论

研究者凭借多年从事尾矿库管理工作经验，结合炉场沟尾矿库的运行现状，具体探讨了尾矿库监测的主要指标，设计了尾矿库在线监测系统。在线监测系统的设计建设与使用，能够改善人工检测存在的时间滞后、数据误差较大等缺陷，便于企业快速准确掌握尾矿库相关技术指标和运行状况，提高公司对尾矿库的管理效率，适用于公司发展需要。

［1］王昌，王云海，李全明，等.矿山尾矿库坝光纤在线监测技术［J］.山东科学，2008，21（6）.16－20.

［2］国家安全生产监督管理总局.尾矿库安全操作规程［M］.2005－12－7.

［3］C斯特拉牵.尾矿坝的运行特征［J］.矿物加工，2002（4）：36－42.

［4］李作章.尾矿库安全技术［M］.北京：航空工业出版社，1996：324－327.

［5］郑学明；黄金英；吴耀昕，等.一种基于图像识别计算尾矿库干滩长度的方法［P］.中国：200910248499，2010－06－02.