矿山尾矿坝变形监测技术综述

2012-04-24李亚龙刘玉峰

中国钼业 2012年5期

李亚龙，刘玉峰

（金堆城钼业股份有限公司，陕西华县 714102）

0 前言

尾矿库作为矿山企业的主要生产设施，既是事故易发部位，也是重大危险源之一。我国现有尾矿库12 600多座，其中一百万方以上尾矿库有800多座，储存选矿厂排出尾矿达50亿t以上，而且每年以3亿t的数量在增长，造成尾矿库坝高逐年增加，存在巨大安全隐患。

在我国矿山诸多尾矿库中，目前处于正常运行的不足70％，有的行业44％的尾矿库处于险、病、超期服务状态，导致尾矿库的重大事故时有发生，例如：云南锡业公司火谷都尾矿库1962年发生溃坝，造成171人死亡；湖南柿竹园有色矿牛角垄尾矿库1985年发生溃坝，造成49人死亡；湖北省大冶有色金属公司龙角山铜矿1994年尾矿库溃坝，死亡28人、失踪3人；2000年广西南丹县大厂镇林润选矿厂尾矿库突然塌坝，造成28人死亡；2006年陕西镇安某黄金尾矿坝溃坝，造成17人死亡；2007年辽宁海城发生尾矿坝垮塌事故致15人死2人失踪；2008年山西襄汾县“9·8”特重大尾矿库溃坝事故，277人遇难等等。这些尾矿坝重大安全事故造成了重大人员伤亡和巨大经济损失、环境破坏，给社会带来了严重的负面影响。

美国克拉克大学公害评定小组的研究表明，尾矿库事故的危害，在世界93种事故、公害隐患中，名列第18位，它仅次于核爆炸、神经毒气、核辐射等灾害，而比航空失事、火灾等其他灾害严重。根据国际大型坝体协会（ICOLD）和美国大型坝体学会（UCSOLD）尾矿分会对尾矿坝事故的评价结果，造成尾矿坝事故的原因是多方面的，包括：漫顶、静态条件下或地震引起的不稳定性、渗漏及内部侵蚀作用等，在尾矿坝体事故的主要原因中，边坡的不稳定是远高于地震和漫顶的第一因素，其联合调查的主要结论为：在尾矿库的运行期间，尾矿坝体及周围边坡的监测和控制十分重要。因此，开展尾矿坝的安全监测工作，对提高尾矿库的本质安全状态和安全管理水平，减少和控制尾矿库运行中的危险、有害因素，减少各类隐患、降低安全风险、预防事故发生，保护企业及下游居民的生命财产安全，保持库区周边的自然环境和社会稳定等方面都具有重要意义。

1 国内外尾矿坝变形监测研究现状和发展历程

1.1 尾矿坝变形监测现状

尾矿坝的安全监测项目主要有：坝体水平位移、坝体沉降、坝体固结、坝体孔隙水压力、坝体浸润线、坝基扬压力、绕坝渗流量、渗流水水质、库区干滩距离等等，一般认为其中的坝体浸润线、库区干滩距离和坝体位移是关键的3项。对于尾矿坝的位移变形监测主要是进行坝体水平位移和坝体沉降观测两项，根据冶金工业部1988年颁布的《选矿安全规程》的规定：“尾矿坝上的变形观测点，应定期进行观测，地震、洪讯期间应增加观测次数，发现沉降量或水平位移量有异常变化时，应及时向有关部门报告”。位移是坝体稳定性状态最直观的反映，坝体任何变形均能在其水平位移和沉降上得到及时反映，因此，采用一定的技术方法对坝体位移进行及时、高效的监测，建立其数据分析和预警系统是非常必要的。

国际大型坝体委员会（ICOLD）历来十分重视大坝安全监控问题的研究，自1992年成立“大坝及其基础监测委员会”以来，在一些国家中进行了广泛的调查研究，先后制定颁发了一系列有关安全监测的文件，这些文件集中了各国先进成熟的经验。从目前看来，大坝监测已成为一个综合性的需要多个专业支持的专门学科和技术，它包括从仪表量测、数据采集、传送处理、储存管理到资料解释、分析、评估、预测等许多环节，己形成一个完整的系统。随着传感器、计算技术和软件技术，特别是网络、通信和数据库技术的飞速发展，人工施测的时代将成为历史，大坝安全监测自动化技术得到了空前发展。

1.2 国内外尾矿坝变形监测发展历程

在尾矿坝安全监测方面，国外开展较早，发展遥测仪器成为近几年科研工作的重点。20世纪60年代末，美国、法国、意大利、日本、萄葡牙、加拿大等国在大坝自动化监测及遥测技术方面开始了深入的研究和开发，意大利安全监控系统构成包括自动在线实时监视系统和离线复核及大坝管理系统，其大坝安全监控预报模型处于世界领先水平；美国的大坝安全监测自动化系统，比较重视大坝监测数据的集中处理，例如垦务局所属的255座大坝的观测数据，通过电话、卫星通讯、计算机通讯等方式传递到丹佛市的工程研究中心进行分析处理。

国内尾矿坝安全监测普遍起步较晚，现在仍存在一些尾矿坝的运行状况，依靠直观经验判断的情况，大部分矿山企业的尾矿管理系统，只是将相关尾矿管理资料信息化，人工利用全站仪采集尾矿坝体的形变、位移、库区水位等相关数据，整理后存储以供管理、分析、决策等应用，其数据采集周期长、数据精度完全依赖观测人员的工作经验、数据读取受天气等因素影响较大，观测资料的可信度较低，不能做到实时、真实反映实际情况，缺乏相关的尾矿坝变形监测处理系统。

从20世纪50年代开始，我国大坝变形监测开始研究和使用人工变形监测系统，利用经伟仪、水准仪等监测坝体变形。20世纪70年代末，我国大坝监测自动化工作开始起步，经历了从单台（支）仪器遥测、专测量装置、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程，以传感器为基础的大坝自动化监测系统开始逐步应用于葛洲坝水利枢纽、新丰江水利工程等坝体位移监测。20世纪90年代开始大坝GPS自动化变形监测系统的研究，已经成功应用于三峡工程、黄河小浪底水利枢纽、高坝洲大坝等变形监测。目前，多传感器融合的大坝变形自动监测系统的自动化、网络化和信息化技术是大坝变形监测领域的研究和发展趋势。

表1 尾矿坝变形监测发展历程

尽管国内外坝体变形监测的新技术得到快速发展，如地面摄影测量方法、GPS自动化变形监测系统、时态GIS（Temporal GI S，简称TGI S）技术、变形监测机器人高精度地面监测技术等，变形监测的技术和方法正由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展，但综合考虑尾矿坝体的特殊环境和布设特点、监测方法的有效性和实用性、变形数据的精度要求和周期影响、野外环境监测设备的可靠性和稳定性等方面的因素，这些基于新技术的自动化实时监测手段并不能完全取代传统大地测量方法对坝体变形监测的直观反映，传统常规大地测量方法仍然是一些尾矿坝体变形监测的首选。

2 尾矿坝体变形监测技术现状与展望

2.1 传统的监测方法

尾矿坝体变形监测的传统方法，指采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定尾矿坝体监测点的水平位移和高程沉降。水平位移测量就是测定坝体每个监测点的水平位移，其特点是精度要求高、视线距离短，通常采用三角网、边角网、三边网以及角度距离交会、导线测量等形式，具体方法主要有视准线法、激光准直法等。沉降观测，就是利用尾矿坝上的监测点组成附合水准路线，定期测量监测点的高程变化情况，根据各监测点的高差变化，计算尾矿坝的沉降量、倾斜率、曲率、构件倾斜率以及沉降速度，确定沉降变形对尾矿坝破坏影响程度。

传统监测方法的优点是：①能够提供整体变形状态；②适用于不同的监测精度要求和不同的监测环境；③可以提供坝体绝对变形信息；④设备稳定、可操作性强。但由于其布点受多方面条件的制约，施测受天气、环境等多种影响，数据采集的人为偶然误差较大，外业工作量大、监测成本高、自动化程度差，使得效率很低，耗时、费力且经常出现粗差，已难以满足当今尾矿坝安全监测的要求。

2.2 现代监测方法

目前，尾矿坝变形监测的技术和方法正由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展，主要的新技术和方法有以下几种：

⑴变形监测机器人。测量机器人（Measurement Robot，或称测地机器人Geo-robot）是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确找准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪，可用于尾矿坝的自动化变形监测。

⑵地面摄影测量方法。在坝体周围选择稳定的点安置摄影机，对尾矿坝进行摄影，然后通过内业量测和数据处理得到尾矿坝上目标点的二维或三维坐标，比较不同时刻目标点的坐标变化得到它们的位移。

⑶计算机层析成像（CT技术）。在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量（如波速、X线光强）的一维投影数据，运用一定的数学方法、通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维图像以及依据一系列上述二维图像而构成三维图像的一门技术。

⑷光纤传感技术。光纤传感是利用光导纤维来感受各种物理量并传送所感受信息的一种新技术，凡是电子仪器能够测量的物理量，如位移、压力、流量、液面、温度等，光纤传感器几乎都能测量。光纤灵敏度相当高，其位移传感器能测出0.01 mm的位移量，温度传感器能测出0.01℃的温度变化。

上述技术方法都具有自动化程度高、全天候、连续、实时、操作简便、数据传输处理方便等优点，但大多数矿山尾矿坝都处在偏远、恶劣的环境，制约因素较多，因此在实际应用中仍存在一些问题：①设备管理、维护、保护困难；②仪器稳定性、数据传输稳定性不能保证；③变形监测实际精度大多不能达到设计要求；④投资费用较大。

2.3 GPS用于变形监测的现状

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国国防部研制组建的新一代卫星导航定位系统，具有精度高、速度快、全天候、连续、同步、自动化程度高，且能同时获得3维坐标等优点，它的出现使得测量定位技术产生了一场深刻的变革，近年来在大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、城市测量、石油勘探、资源调查等领域已成功地得以应用和普及推广，极大地推动了相关行业的技术进步。自20世纪90年代以来，GPS技术在滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂缝等各种地质灾害和重大工程建筑的变形监测中得到了广泛应用，取得了较好的效果。

1984年美国在斯坦福粒子加速器的工程测量中采用GPS定位技术，平差后平面位置精度为1～2 mm，高程精度为2～3 mm；我国大港油田地面垂直位移监测网中采用GPS定位技术，大地高测定精度达到3～4 mm；我国第一个全自动GPS监测系统——湖北清江隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统于1997年8月建成运行至今，这都显示了GPS技术用于变形监测的巨大优势。目前对于GPS精密测量，采用性能优良的接收机和较好的数据处理软件，平差后点位的平面位置精度为1～2 mm，高程精度为2～3 mm，完全能满足尾矿坝变形监测的精度要求。

当前国内对GPS用于坝体变形监测方面的研究，主要体现在基于GPS一机多天线技术的GPS自动化变形监测系统，已成功应用于马鞍山南山矿尾矿坝、小湾电站高边坡监测、小浪底大坝、黑代沟尾矿库、润江大桥等多处坝体、边坡、桥梁、公路沉陷的变形监测。图1是某坝体GPS自动监测系统的网络结构图。

图1 GPS自动监测系统的网络结构图

2.4 尾矿坝体变形监测技术展望

尾矿坝坝体变形监测的发展趋势，是多学科的融合，是自动化、数字化、实时化、智能化、集成化、内外一体化，是在坝体破坏刚开始或将要开始时实现大坝的安全预警功能，是基于科学技术手段不断发展而体现的坝体安全监控专家系统。

尾矿坝变形监测的硬件技术将与精密仪器学、电子传感技术、3S技术、通讯技术、影像技术等紧密联系，实现数据采集的自动化、实时、连续性和高精度，并向“科傻型”方向发展。而基于集成软件的变形分析和决策支持，将实现多媒体系统和模拟仿真技术等应用于监测系统，从物理力学角度运用多学科相关知识分析、扩充大坝安全评估专家系统的知识库和方法库，形成大坝安全监控专家系统，实现坝体变形研究和安全预警。当然，在尾矿坝变形监测安全监控领域，这些技术应用于坝体变形监测还不完全成熟，有些还处于研究探索阶段，但它们已显现出了一定的实用性。