尾矿库在线监测技术的应用

撖建国 王演海 高正乾 羊世军

（兰州瑞杰信息科技有限公司 甘肃省兰州市 730010）

1 引言

尾矿库作为堆积尾矿或废渣的场所，是维持矿山正常运营的必要设施，但因为其特殊结构、材料和所处位置，同时也是潜在的重大危险源。[1-4]尾矿库的溃坝将导致重大的财产损失、环境污染、甚至人员伤亡。[5,6]所以对尾矿库的安全监测是矿业正常运营的必需环节。

目前我国绝大数矿山仍然是采用传统仪器和人工对尾矿库进行数据采集，如坝体位移变形、库水位、浸润线等定期进行现场观测。[7-9]这种方式受天气、现场条件等多因素影响，监测数据精度不高，可靠性差且监测的数据量有限，而且时效性差，难以及时获取尾矿库的各项参数和技术指标。[10,11]因此，开发在线监测系统对尾矿库的在线监测显得尤为重要。在线监测系统是指利用先进的计算机软硬件技术、网络技术、测控技术、现代通讯技术，加强对尾矿库的在线监视、监测和设备状态检测，实行多级综合监控，建立高效灵敏、反应快捷、运行可靠的尾矿库网络综合监控。[12-16]尾矿库的在线监测系统可以提高公司的尾矿库监控和应急响应水平，防止重特大事故的发生，对于加强尾矿库的安全监管，及时把握尾矿库的安全状态，降低尾矿库的事故发生以及减轻事故发生的危害程度等具有重要意义。[17,18]

本文以“会东大梁矿业尾矿库在线监测项目”为例，分析了在线检测系统在尾矿库的实际应用中所面临的问题和挑战，对今后的尾矿在线监测系统的开发和应用提供参考，以期更好的将在线监测系统应用于尾矿库。

2 工程概况

2.1 尾矿库概况

大梁矿业尾矿库总坝高82.00m，总库容630.26×104m3，其等别为三等库。初期坝坝顶标高为 1905.00m，坝底标高为1873.00m，坝高为32.00m，坝体采用分区设置，排水设施采用棱体排水结合上昂式排水、排水褥垫结构，排水坝体分区分为上游排水区、主堆石区、下游护坡、坝底褥垫区等组成。

2.2 安全监测内容

大梁矿业尾矿库为三等尾矿库，按规范要求监测内容有位移监测（表面位移和内部位移）、浸润线监测、干滩监测、库水位监测和降雨量监测。

大梁矿业尾矿库矿堆积坝采用上游法水力冲击尾砂筑坝，取沉积于尾矿库坝前的粗颗粒尾砂筑成子坝，堆积坝是均质坝体，根据《土石坝安全监测技术规范》DLT5259-2012规定，均质坝无需监测内部位移，但必须监测表面位移。所以，会东大梁矿尾矿库监测表面位移，不监测内部位移；由于尾矿库库区较大，为提高管理效率，方便管理人员对尾矿库及时监管，需要在尾矿库关键部位设置视频监控，完善监测系统配置。

2.2.1 表面位移监测

2.2.1.1 监测技术比选

目前，尾矿库表面位移高精度、自动化监测技术主要有两种，一是智能全站仪监测技术，二是GPS 自动化监测技术。[20]智能全站仪技术缺点是对现场环境要求高，必须要求现场通视条件好，适合1.5km范围内通视条件好的场合，在监测点较少的情况下投资较高，性价比低。GPS技术对监测环境要求不高，不受天气因素的影响，同时满足复杂的地势环境，性价比高。

大梁矿业尾矿库两侧山体坡陡，难以保证通视，库区少数名族聚居，征地问题复杂，限制了全站仪技术的使用。尾矿库外坡比为1:5，高差为10m，地势平坦，依据科学可靠、布置合理和经济适用性原则，宜选用GPS监测技术方案。

2.2.1.2 监测点布置及监测方案

大梁矿业尾矿库最终坝高82米，坝终坝高把轴线长度为251.48m，根据规范坝长于300m时，宜取断面间距50~200m的规定，坝体共设置3个监测断面，坝体2个主断面各设置3个监测点，另外1个断面各设置1个监测点，共7表面位移监测点，值班室附近的稳定区域设置一个位移监测基准点。

位移监测用的平面坐标及水平高程，采用设计、施工和运行各阶段的控制网坐标系统，保持坐标系统的一致性。

2.2.1.3 位移监测变化值的分级监管

位移监测是坝体稳定性监测的主要监测项目，能直观反应坝体的变化趋势和运行状态。[19]位移变化值的分级监管是指位移分级预警和分级报送，即位移监测设置多级预警和多级报送。一般情况下，可设置三级预警，分别报送矿、县和市级监管部门。

会东大梁矿矿尾矿库在线监测设计2种位移预警值设置功能，一种是位移变化速率，即单位时间的位移变化量，另一种是位移累计值。

2.2.2 干滩监测

由于干滩监测要具有非接触式要求（滩内有时无法安装，而且安装设备会自动沉降，影响监测结果），故大梁矿业尾矿库采用激光测距仪结合角度测量仪来监测干滩，该设备具有非接触式，测量精度小于3cm，结合库水位数据可实时得到滩顶高程、安全超高、干滩坡度和最小干滩长度。监测原理如图1所示。

在干滩测量立杆顶部固定角度安装测距传感器(竖直角分别为0°,30°，60°)，根据传感器所测准确距离通过三角形正弦/余弦定理即可计算出准确的干滩监测结果，如滩顶高程、干滩坡度、干滩长度。计算公式如下：

其中，Ha、Hb、Hc三个传感器测量结果，Ps、Pd为立杆底部、顶部高程，Pd为库水位高程，a1和a2分别为传感器安装垂直角度。Ht、P、L分别为滩顶高程、干滩坡度、干滩长度。

根据规范要求，大梁矿尾矿库在库区最小剖面处设置三条干滩监测剖面，然后在监测剖面线上坝顶部安置监测仪器，此位置随子坝的不断推移而移动。目前在堆积坝顶的位置放置4台监测仪器，立杆安装。

图1

2.2.3 浸润线监测

目前坝体浸润线监测比较成熟和运用最广泛的方式是采用渗压计监测技术，该技术运行稳定、适用性强、精度高。

根据规范，本系统坝体浸润线监测设置于坝体表面位移监测点附近，设计3个监测断面13个监测点，坝体主断面上设置2个监测断面，每个断面设置5个点，另外1个副断面上设置3个点。

坝体浸润线监测采用钻孔安装测压管，管内安装渗压计的方式实现。

2.2.4 库水位监测

2.2.4.1 监测技术比选

目前库水位监测主要采用浸入式和非接触式两种测量技术。浸入式测量方法采用压力传感器，通过测量水压计算水位，优点是受水面波动及雷电影响小、后期维护量少，缺点是受气压、温度等影响、传感器稳定性差；非接触式测量方法主要采用超声波、雷达或激光液位计等非接触传感器，通过测量传感器和水面之间的距离计算水位，优点是仪器稳定性好、技术成熟，缺点是受水面波动和雷电影响大，随水位提高，后期需要提高安装位置。

大梁矿业尾矿库现场库水位安装条件较好，后期维护简单方便，选用超声波液位计作为库水位监测设备。

2.2.4.2 监测方案及监测点布置

在1#排水井附近布设一个库水位监测点，采用超声波液位计监测，监测误差小于20mm。超声波液位计输出4~20mA信号，需经数据转换模块转换成网络信号，实现数据远程传输。要求数据转换模块性能稳定，抗干扰能力强。

2.2.5 降雨量监测

2.2.5.1 监测技术比选

表1是国内外常用的雨量监测设备参数对比，可以看出，容栅式雨量计的测量范围和精度较优,故本系统雨量监测设备选用容栅式雨量计。

2.2.5.2 监测方案及监测点布置

在值班室附近布设1个雨量计，降雨量采用容栅式雨量计监测。

2.2.6 视频监测

在尾矿库初期坝坝低截渗池、初期坝坝体两侧、尾矿库值班室、排水井附近等设置7台低照度高清红外智能网络高速球机，实现大范围远距离监控，且具有夜视功能。

2.2.7 系统供电

在线监测系统在库区的设备由坝低回水泵站和现场值班室工业电源统一供电，动力电缆从值班室敷设所有用电设备附近，一条动力电缆从值班室敷设至尾矿库坝体附近，为坝体位移监测和视频监控设备及其他辅助设备供电，另一条动力电缆从回水泵站经左岸截洪沟敷设至1#排水井附近，为库水位监测和视频监控设备及其他辅助设备供电。为保证系统供电稳定性，设计以下几种供电稳定性保证措施：

（1）尾矿库值班室内设置EPS应急电源系统，根据系统总用电功耗配备足够系统运行8小时的充电电池组，在系统意外断电情况下，保证系统运行8小时；

（2）值班室配置汽油发电机，在系统断电8小时后供电仍未提供的情况下，人工开启发电机为系统供电，并为电池组充电。

（3）系统在溢流坝处设置一套1000W太阳能电池板，用于值班室至坝体之间线路意外断电情况下使用。配合系统环网通信设计，保证在线路断电情况下也能继续保证系统正常。

（4）动力电缆采用RVV3*6铜芯电缆，线径6mm2，供电距离2km，供电电缆与通信光缆敷设尽可能采用地埋敷设，保证线缆少受环境影响。

2.2.8 系统通信

大梁矿尾矿库监测系统通信总体方案以光纤通信为主，采用有线无线混合式自愈环网通信技术，在库区形成通信环网；尾矿库库区与矿办公楼监控中心之间采用光纤通信，利用已有电力电杆敷设，降低系统成本。

通信线路涉及的设备选择宽温工业级设备，分站防护箱低温环境设计，光缆线路敷设根据现场情况，采用地埋敷设，不能实现地埋的地方架空敷设。

2.2.9 系统防雷

表1

现场防雷问题面临的困难：会东县属于云贵高原的一部分，境内许多高山海拔超过3000m，特别是铅锌镇尾矿库库区地势沟壑，气候复杂，变化剧烈，1年365天中，雷暴日在80天以上，所有监测用电子设备安装在坝体或相对地势高点，并立杆安装，很容易引雷，成为雷击对象。一旦有雷击，遭到雷击的概率很大。针对这一实际情况，系统防雷设计如下：

2.2.9.1 接地网制作

（1）充分利用现场自然水体，重点制作3个接地网：在值班室附近，利用回水泵站处的尾矿库自然水体制作一个防雷接地网；利用坝底回水泵站制作一个防雷接地网；利用1#排水井附近的尾矿库库内水体制作一个防雷接地网，所有设备的防雷接地就近接入这3个接地网；主接地网电阻不大于4Ω；

（2）接地网采用热镀锌角钢（50*5）做垂直接地体，在2个自然水体内各打入2根2.5米长垂直接地体，如果达不到要求的接地电阻，增加石墨接地电极2块；用热镀锌扁钢（40*4）做水平接地体，从自然水体一直连接至系统接地点。

2.2.9.2 各监测点接地方式

（1）各监测点分站的防护箱及监测设备要求规范接地，引下线采用16mm2以上铜芯接地线或热镀锌圆钢、扁钢等；

（2）监测分站的防护箱内设备通过汇流排统一接地；

（3）接地点采用焊接方式，并做防腐处理。

2.2.9.3 浪涌保护器（SPD）配置

尾矿库值班室要求在系统电源接入位置配置一级浪涌保护器，系统设备接入前（EPS前）配置二级电源浪涌保护器，用电设备电源接入位置（EPS后）配置三级浪涌保护器。所有信号采集设备、弱电控制设备需要配置与设备规格相匹配的浪涌保护器。

3 结语

总而言之，尾矿库的安全监测对矿区人民的生命财产安全、环境保护等具有重要的意义。传统的监测方法是采用传统仪器和人工的方式对尾矿库安全运行的技术参数进行采集，其受天气、现场条件等多因素影响，监测数据精度不高，可靠性差、监测数据量有限，而且时效性差，难以及时获取尾矿库的各项参数和技术指标。因此，开发在线监测系统对尾矿库的在线监测显得尤为重要。尾矿库在线监测系统可以及时把握尾矿库的安全状态，降低尾矿库的事故发生概率。本文以“四川会东大梁矿业尾矿库在线监测项目”为例，分析了在线检测系统在尾矿库的实际应用中所面临的问题和挑战，对今后的尾矿在线监测系统的开发和应用提供参考，以期更好的将在线监测系统应用于尾矿库。