基于在线监测的尾矿库防治处理研究

黄 敬，李 毅，王 涛，蒋成成，张晓博

（1.四川煤矿安全监察局安全技术中心，四川 成都 610046；2.西南交通大学计算机与人工智能学院，四川 成都 611756）

0 引言

尾矿库是矿山产业组成中的部分，贮存着矿石冶炼后的矿渣和泥浆，避免污染周围的环境，随着存储物的增多，尾矿堆积不断加高，形成后期堆积坝，具有潜在的垮坝风险。2001—2015年，全国尾矿库事故共发生99起，平均每年6起多事故，大多数为尾矿库溃坝。在2008年9月8日山西省临汾市新塔矿业的980平硐尾矿库发生特大溃坝[1]，造成了277人死亡、33人受伤、4人失踪，泄容26.8万m3尾砂量。我国大部分尾矿库采用人工和传统仪器对尾矿库的库水位、干滩、坝体位移等技术指标数据进行测量采集，易受外界环境等因素干扰，测量精度和时效性较低。在线监测技术可以使尾矿库的运行现状和仪器设备状态直观和实时地展现给各监管和工作人员，提高尾矿库的可管理性和安全性，以及有效防止尾矿库事故的发生。该技术应用于尾矿库防治监测场景，有助于政府和企业的共同管理，并且具有重要的实际研究意义。

1 尾矿库概况

尾矿库是金属及非金属矿山经工业处理后排出尾矿的贮存点，是由尾矿等废弃物堆积形成的产生高势能危险性的来源。尾矿库溃坝时会产生大量泥石流且流速较快，从坝脚到距离下游1km处往往只需几分钟，事故应急措施的实施时间非常短[2]。

1.1 尾矿库的特点

尾矿库既是矿山采选中不可缺少的生产设施，同时也是环境污染源和高势能危险源[3]。并且根据以往事故经验来看，若尾矿库失事，将造成生命、财产和生产的巨大损失。

1）尾矿库是矿山采选中必不可少的生产设施；

2）尾矿库通过就近围地或拦挡谷口，可以用于堆存工业废渣或选矿产生的尾矿，防止废渣或尾矿随意排放造成额外的环境污染。只要矿山正常运行就会有尾矿产生，尾矿库是维持矿山正常运营的必要场所设施；

3）尾矿库是环境污染源和高势能危险源；

4）尾矿库在数十年之长的周期里，可能会由于地震、强降水等自然原因而发生渗透破坏，再辅以设计或施工问题、管理不善、超负荷运营等人为原因造成安全事故，威胁到下游人民生命财产安全；

5）尾矿库一旦失事后果严重。我国人口基数大、分布广，有相当一部分尾矿库的设置选址难以避开居民区、工业区和重要公共设施或建筑。尾矿库一旦发生渗漏、垮坝等重大事故，必将对下游造成巨大灾害和损失。

1.2 尾矿库安全度

安全度划分的主要依据原则是根据尾矿库防洪能力和尾矿坝体稳定性的安全程度来进行判断。

1）尾矿库防洪能力的安全程度或可靠程度：主要指防洪标、调洪、排洪能力及排洪设施安全可靠性是否符合安全规定；

2）尾矿坝稳定性安全程度：主要指坝体在规定的工况条件下静力、动力和渗流稳定性是否符合安全规定及符合程度。

1.3 尾矿库的安全问题

据统计，从2001—2015年，我国发生尾矿库事故共计99起[3,4]，加上从20世纪60年代到2000年，造成10起重大伤亡尾矿库事故[5]，对总计109起尾矿库事故按类型统计分析发现[6]，主要是由溃坝和尾矿泄漏引起，溃坝事故占比约2/3，尾矿泄漏事故占比约1/3，二者之和占到总事故的96.33%。

1）尾矿库溃坝事故危害的主要形式有:①尾矿设施毁坏等；②导致尾矿库下游的人员大量伤亡，建筑物、构筑物、公路、铁路、农田等被冲毁。

2）尾矿库尾矿泄漏事故危害的主要形式有：①导致溃坝事故的发生；②污染下游河流、农田、植被等。

对于正在运行的尾矿库，发生溃坝和泄漏等事故的主要原因是洪水漫顶、坝坡稳定性差、以及坝体振动液化[7]。通过对尾矿库事故原因进行统计分析，针对尾矿库不同类型制定相应的应对措施，可减少事故隐患。

2 尾矿库灾害防治措施

由于尾矿库是高危险源，在安全管理上也必须做到科学管理、实时监测。安全监测是尾矿库安全管理的重要内容，维持尾矿库健康安全运营、事故预防及应急响应均离不开准确及时的监测信息。尾矿库在线监测技术，使尾矿库安全生产管理工作人员可以全面实时地掌握了解到尾矿库的实际动态，进行安全评价、预报预警。

2.1 科学管理

由于尾矿库是高危险源，因此除在设计施工方面必须谨慎可靠外，在管理上也必须做到科学管理。加强监测管理工作，坚持每周监测一次库内水位，每半月监测1次浸润线，每月监测1次坝体位移、渗透流量、干滩指标[8]，实时关注数据变化，为安全管理提供决策依据；实时发现数据变化异常，立即进行安全响应或技术指标的调整工作，配备专职技术人员，将工作任务落实到个人。

2.2 安全监管

整个尾矿库全生命周期管理流程，从建设开始，一直到运行和封场结束，涉及到的活动复杂，监管涉及部门众多。2005年起，原安监总局、环保部等部门多次联合或者单独发布尾矿库隐患综合治理方案，对尾矿库安全环境管理提出更高要求。2013年住建部门制定发布《尾矿设施设计规范》，2019年应急部门再次修订《尾矿库安全监督管理规定》，2020年应急等多部委联合出台《防范化解尾矿库安全风险工作方案》[9,10]。依托法律法规要求，以风险防控为核心，明确尾矿库环境管理责任分工，完善尾矿监管细节以及建立健全尾矿库全生命周期的管理体系。

2.3 提高尾矿技术

随着国家对尾矿库管理的法律法规逐渐健全和完善，监管部门对尾矿库运行的环保和安全要求日益严格，迫于环境和安全的压力，传统的地表堆存尾矿库已经无法满足矿山长期发展的需要，安全、高效、经济和环境友好的尾矿处理方法将逐步获得推广应用，同时也能够响应国家对尾矿资源进行再利用的倡议。截至2012年底，全国已有738座尾矿库应用了在线监测技术，279座尾矿库应用了尾矿充填技术，415座尾矿库应用了干式堆存技术，285座尾矿库应用了尾矿综合利用技术，减少了尾矿的排放，能够有效提升尾矿库安全水平[11]。

3 在线监测技术应用研究

在线监测是一种利用智能化设备对现场物理数据实时采集监测，并上传存入到终端数据库中，依据特定的数据模型进行计算和诊断分析的信息化技术。在线监测技术的数据采集使用传感器设备对现场的原始数据进行感知和收集，采用相关的计算机、信息及通信技术对原始数据指标进行实时、连续地采集分析。本节通过尾矿库监测的数据指标分类，分别介绍了5种尾矿库安全监测技术原理，并对在线监测技术在尾矿库防治处理当中的应用前景做了调研及展望。

3.1 尾矿库安全监测技术

3.1.1 库水位监测技术

库水位是尾矿库实际运转中水平面的高度，反映了当前尾矿库的存量状况。库水位监测可采用遥测水位计、渗压计、超声波液位计等器材，得到水位的高度，并对尾矿库的水位实时跟踪及监测，判断尾矿库此时防汛防洪的能力水平，确保处于安全范围内。渗压计监测是浸入式测量方式，集成水压敏感元器件，内核附有计算芯片和温度传感器，能够对数据自动地处理，减少人工计算误差和修正外部温度带来的影响。监测点一般选择库中的较平稳水位，可以布置在库内的排水构筑物，库水淹没区域中心，溢流塔出口等位置。库水位监测可以及时掌握库水位的位置信息[12]，预留调洪库容防止在汛期时出现水漫顶溃坝的危害。在汛期到来之前，库水位监测有助于安全监管部门和相应的企业了解尾矿库是否超出限制水位，以便采取防治处理措施来降低水位排除隐患。

3.1.2 渗漏量监测技术

尾矿库的存储过程中，无法避免地出现库液渗漏使浮选药剂和黄药等污染物流入地下水，这也是采矿活动中比较难处理的问题。库渗漏分为坝基渗漏、坝体渗漏等部分，库运行过程的中后期，由隔水层作用使渗透能力减弱，坝基渗漏测量采用均匀质地基计算公式[13]：

式中：QJ为坝基渗漏总量，L为坝体渗漏段斜高，W为渗漏透水层厚度，K为坝基渗漏透水层系数，H为尾矿库上下游水头高度差，B为坝基底部宽度。坝体渗漏测量采用均质坝体渗流公式：

式（2）、（3）中：QT为坝体渗漏总量，K为坝体渗漏透水层系数[14]，L为坝体渗漏段斜高，H为尾矿库上下游水头高度差，A为下坡水位临界点高度，B为坝基底部宽度，m为下游坝坡系数。渗漏量监测设备使用磁致伸缩量水堰仪，由集水渠直线堰板、量水堰计等部件组成，监测点布设在坝脚处。

3.1.3 位移监测技术

尾矿库坝体位移技术指标能够直观地反映出坝体灾害承受能力，是尾矿库监测的一个重要部分，实际工程中投入使用比重较大，位移监测根据尾矿库坝体不同监测位可分为内部位移监测和全方位位移监测等。内部位移监测可采用固定式测斜仪，该设备内部组有高精度角度传感器芯片，使用场景中将仪器导入坝体指定钻孔内，通过测量倾斜角度计算出尾矿库坝体内部位移的变化量和变化速率。

全方位位移监测可以使用静力水准仪、GPS技术和自动型全站仪[1]等设备和技术，因测量时可以获取监测点的三维坐标值，又称为三维位移监测技术。静力水准仪内部由各个通过连通管连接的储液罐和系列的液位传感器构成，使用中根据测量点的容器内页面的相对变化，计算测量点关于基准点相对位移的变化。该设备监测方式使用中便捷易操作，但是测量周期长，不满足自动化、在线监测的需求，还易受地形地势的限制。GPS技术是基于GNSS进行库体位移监测，通过监测点和基准点的接受机实时获取GPS信号，利用数字通信网络传入到数据控制中心，在解算系统中解算得监测点和基准点的三维坐标并对比计算出位移变化量及位移速率，具有自动化、全天候监测、受地形限制较小等特性，但建造和维护成本较高。自动型全站仪测量精度高、布设成本低，能够采集角度、三维坐标等相关信息，实现搜索、传输、辨识与处理等自动化功能。

3.1.4 干滩监测技术

干滩长度是尾矿库安全运转重要指标之一[15]，能反映出库的防洪处理能力，除此之外工程中还需要监测滩顶高程、干滩坡度，干滩长度是从滩顶标高到坝内水面的最短距离，滩顶标高是沉积滩的表面与坝体外坡的的交界处，尾矿库投入使用时需要设计最小干滩长度，即设计的最高洪水位下的滩长。常用的干滩长度监测方法有坡度推算法、图像分析等，坡度推算法[16]通过设置多个剖面点和监测点，监测点之间的间隔按照有关国家标准选择，并在各个监测点建设立杆并在杆顶放置超声波物位计，根据立杆顶端到滩面高度的变化测出干滩高程及干滩坡度，结合水位高度换算出干滩长度。图像分析[17]方法在尾矿库坝体设置2台双目视觉仪设备，放置时需平行等距，由影像拍摄后获取现场场景，通过摄像测量构建出三维立体场景，辅助图像分析获取干滩水际轮廓并与设定参数经过算法处理后可得干滩长度及相应的数据。

3.1.5 视频监测技术

在黑夜或恶劣天气条件下，值班工作人员难以对尾矿库工作运行和抵御自然灾害等情况做出准确及时的判断，视频监测技术可以解决上述问题，不受气候和人工等条件限制。使用红外高清摄像机对进出水口、坝面滑坡、危险地点等情况进行监视，为减少使用数量和观察远距离物体可以加装电动变焦镜头，摄像机采集到的图像数据信号选择视频基带、射频及光纤等方式进行图像的传输工作，在传输时要确保采集到的原始图像无明显失真，通过网络交换技术将存储的影像数据和控制台控制的影像数据保持一致，视频监测技术原理如图1所示。视频监测技术可用于计算干滩长度，摄像机捕捉到的图像画面划分出水面区域和干滩区域，根据现场标定物的位置参数来计算干滩长度，高清摄像机实时采集画面中判断是否处于设定的安全干滩长度，达到预警提示作用。

图1 视频监测原理

3.2 应用前景

随着各行各业及市场经济的快速发展，矿山的开采量不断增大，尾矿库的数量也随之增多。由于多年来的运转，尾矿库容量正在逐渐缩小，抵御自然灾害的能力也在逐步下降中，增加了安全隐患[18]。尾矿库是一个重要且应该做好防治处理的危险源，随意地排放会造成环境的严重污染、资源损失，尾矿库的安全问题关系到周围区域内人民的生命财产安全及环境污染等问题[19]，因此做好尾矿库的安全监测工作具有重要意义。

尾矿库的传统监测防治方法，多数通过工作人员到现场中使用传统仪器进行测量，这存在着误差大、测量周期长、工作繁多等问题隐患，易受天气和现场环境等因素干扰，人力和物力的损耗较大。随着信息化和计算机技术的飞速发展，在线监测技术也受到广泛的关注。相较于传统的监测手段,在线监测系统由传感器自动采集技术、无线网络传输技术、计算机技术等多种技术结合实现，根据收集的指标数据分析判断尾矿库是否处于不安全状态，给防治处理、排除隐患及救援工作提供充足的时间，让管理人员充分地掌握当前尾矿库准确有效的安全状况信息。其智能化管理减少了现场人员的调动，提高尾矿库的安全监督能力。安全状态的及时反馈，有效地预防了突发事故的发生，保障尾矿库的安全运行，减少资源的损耗。

4 总结

文中介绍了尾矿库的基本信息和存在的安全性问题，及提出尾矿库灾害防治的一些常规措施，并总结了在线监测技术在尾矿库的库水位、渗漏量、位移、干滩和视频监测5个方面的应用，为尾矿库防治处理增添解决思路及更好地保护尾矿库做参考。使用计算机技术和传感器技术等现代科技应用在尾矿库的防治处理工作中，能极大地减少人力和节约资源，比传统人工测量结果更加精准。尾矿库事故的产生，是受多方面因素关联的，传统监测手段无法全面及时地做出反应，在线监测技术可以结合坝体位移、渗漏量、库水位等多数据指标对尾矿库进行实时、动态以及全面地监测与预警，并且在尾矿库防治处理工程中发挥出重要作用。