马粪沟尾矿库智能监测系统优化升级与应用

李 爽，孙圣添，刘津源

(河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿，河北 秦皇岛 066500)

0 引言

马粪沟尾矿库位于秦皇岛市青龙满族自治县祖山镇柏树村一自然沟谷内，东、南、西三面环山，西北面为沟口，走向大致呈西北-东南。初期坝位于沟口位置，坝体近东北-西南布置，自初期坝外坝坡脚处起算，西北面下游约80 m向北为庙沟铁矿选矿作业区和辅助生产车间；下游约300～810 m处为柏树村，有常住居民约979人，下游约3 km处为庙沟铁矿生活区。库区上游南部400 m处为矿山排土场，东南约3 km处为祖山风景区。由于当时设计原因及历史局限性选择了马粪沟位置属于头顶库，随着各级应急管理部门对安全工作的日益重视，对尾矿库智能监测系统进行优化升级，保证库内各项运行参数在合理范围内，确保尾矿库安全稳定运行，保障下游人民的生命财产安全。

1 尾矿库智能监测系统组成及现有系统缺陷分析

尾矿库智能监测系统是由安置在尾矿坝、尾矿库库区及排洪设施等构建筑物上的自动监测仪器设备、监控监测中心与远程监控端三大部分构成，结合传感器使用技术、信号传输使用技术，网络连接技术以及软件应用技术，从而使人体视觉感受与数据对比结果相结合，进而监控监测对尾矿库坝体产生影响的各项安全技术指标，并记录历史和现状数据，全面分析研判未来可能的发展趋势，帮助尾矿库企业和地方政府进行决策，提高尾矿库现行安全保障水平，最大限度的防范和遏制可能发生的安全生产事故[1-4]。马粪沟尾矿库现有智能监测系统仅为低平台子坝部分监控设施，需要完善现有子坝监测系统，增补内部位移监测和应急排洪等监测保障设施。

2 智能监测系统优化升级

尾矿库监测与预警系统是专门针对尾矿库开发的实时在线监测、分析及预警管理平台，收集了探头数据并对数据进行比对分析，通过与预警管控功能相结合并以图形化的方式进行展示，能够实现实时监控监测地表降雨量、沉降、内部外部位移以及视频监控等重要运行参数，将有关数据参数一并呈现在同一时间轴的数据坐标曲线图上，结合曲线图形得到尾矿库在运行过程中数据的时间与空间关联性，从而对尾矿库运行健康情况进行综合分析研判，并通过对尾矿库以往位移数据进行数字化分析，比对出具有尾矿库位移变动特点的趋势数据，通过产生的趋势数据可以更加直接的表达出尾矿库位移变化速率，让监测人员更加容易发现尾矿库位移变化情况[5]。通过此类监测手段，还可测算出相关联数据点在靠向平稳时的最终位移值。通过尾矿库监测与预警系统相结合，利用大数据的对比分析功能，实现自动发现数据异常并且能够实时预警，为确保尾矿库安全稳定运行提供了有力保障。

2.1 在线位移监测升级

尾矿库在线位移监测可分为表面位移监测与内部位移监测[6]。马粪沟尾矿库已设置了在线表面位移监测点5个，在线表面位移监测点数据正常，随着坝体升高，原有设计中因无内部位移点而存在设计缺陷，加之现有在线表面位移监测点已不能满足当前尾矿库整体的位移安全监测要求，根据设计院现场勘察计算结果，确定了本次马粪沟尾矿库在线位移监测升级方案。

此次升级是在现有监测点全部利旧的基础上新增在线表面位移点13个，新增内部位移点6个，新增在线表面位移监测点均采用GNSS，内部位移采用固定式测斜仪，最下一个传感器布置在管底，最上一个传感器在堆积坝顶。结合现有及新增的人工、在线位移监测点，形成8条位移监测横剖面，其中包括2条内部位移监测横剖面；形成 5条监测纵剖面。

2.2 浸润线监测升级

尾矿库的浸润线是尾矿库的生命线，浸润线的变化与尾矿库的稳定性直接相关，马粪沟尾矿库已安装在线浸润线监测点9个，现有在线浸润线监测点监测数据正常，随着坝体升高，原有在线浸润线监测点已不能整体的反映出当前尾矿库的运行稳定状态，根据设计院现场勘察计算结果，确定了本次马粪沟尾矿库在线浸润线监测升级方案。

此次升级是在现有监测点全部利旧的基础上新增监测点14个，新增浸润线监测点孔深按15 m控制。结合现有及新增的人工、在线浸润线监测点，形成8条浸润线监测横剖面，5条监测纵剖面。

2.3 干滩长度监测升级

马粪沟尾矿库原有干滩长度监测为人工监测，监测数据缺乏及时性、准确性、系统性和自动预警功能。根据设计院设计得出，此次升级采用人工与在线相结合的方式，形成4条在线监测剖面，监测点随坝体升高逐步向上移动。在线干滩监测点采用超声波测距仪，太阳能供电，数据传输采用无线通信方式，方便随滩面升高调整设备位置。每年汛期来临前，提前堆筑子坝，尽量降低库内水位，保留足够的干滩长度并对尾矿库调洪能力进行复核，确保尾矿库安全度汛。结合调洪演算复核结果、临界浸润线计算对应的干滩长度及规范要求确定干滩长度预警值，相应数值见表1。

表1 干滩长度预警值

2.4 降雨量监测升级

马粪沟尾矿库现有一台翻板式雨量计设在配电室外边，该雨量计运行正常，但监测数据缺乏自动预警功能。根据设计院设计得出，此次升级增加降雨量与预警值自动对比功能，使监测结果更加直观。同时在尾矿库运行过程中要求值班人员要实时了解和掌握气象预报和汛期水情，及时通知全体尾矿工，并落实恶劣及暴雨天气应急预案。汛期加强降雨监测设施的检查，保证其正常运行。

2.5 视频监控系统升级

根据国家规范要求，对排水井、放矿的滩面、尾矿排放管路出口、尾矿坝下游坡面、库区水位标尺等重点关注部位实行实时视频监控管理。

马粪沟尾矿库目前已安装了8台视频监控摄像头，涵盖范围包括北边坡、排洪系统出水口、进水口、库内滩面、尾矿库入口及尾矿管路，这些摄像头运行正常，缺少对主坝外坡及监控室内监测人员工作状态的视频监控。根据国家规范要求，此次升级是在现有监测点全部利旧的基础上新增3个监控摄像头，2个用于监控主坝外坡，另一个安装在监控室内监测人员工作状态。

随着沉积滩面的不断升高，一部分视频监控摄像头要随坝体的升高而移动，以保证视频监控范围满足规范要求。

2.6 智能监测系统运行管理升级

为了实现马粪沟尾矿库智能监测系统长期稳定运行，发生故障时能够做到早发现早修理，保证监测数据准确和及时上传，实现尾矿库安全运行，成立了尾矿库观测小组保障尾矿库智能监测系统全天候连续正常运行。

观测小组由选矿专业技术人员和电气专业技术人员及尾矿工组成，尾矿工负责智能监测系统运行情况的日常看管工作，每2小时检查1次视频信号、数据信号是否正常，出现无信号或信号异常等故障时要及时上报作业区领导，并做好记录。在故障没有解除时要随时关注信号变化，专业技术人员负责为智能监测系统提供技术保障。

在每年汛期前一个月观测小组要对尾矿库智能监测系统进行全方位的排查，发现问题及时修复，保证系统在汛期能够稳定运行，同时在汛期中和汛期结束后以及发生地质灾害后，观测小组也要及时对尾矿库智能监测系统进行全方位的排查。

3 增加应急排洪设施

马粪沟尾矿库已升级为二等库，根据国家对尾矿库的相关安全管理要求，马粪沟尾矿库属于头顶库，需提等管理，库内汛期最小安全超高1.0 m，最小干滩长度100 m，针对在汛期如何保证在尾矿库智能监测系统报警状态下降低安全超高和库内浸润线高度开展了系列研究，确定了增加应急排洪设施方案。

设计应急排洪设施采用溢洪道，在西侧坝肩布设，由库内临时溢洪道与库外永久溢洪道、消力池和排洪钢管组成。库内临时溢洪道设置在库区西侧干滩与山坡交界位置，进水口标高应低于规范允许最高洪水位1.5 m。根据马粪沟尾矿库滩面实际情况，临时溢洪道初始长度约252 m，后期尾矿坝最终标高约为287 m。

临时溢洪道采用倒梯形断面，过水断面底宽1.2 m，深1.5 m，两侧边坡坡比为1：0.5，侧壁和底板厚度不小于0.5 m，纵坡不小于1%。溢洪道开挖后先在底部铺设一层土工膜，然后采用尾砂袋砌筑，砌筑厚度不小于500 mm。设计采用的土工膜为0.35 mm厚HDPE土工膜，其技术指标要求：拉伸强度大于17 MPa，断裂伸长率大于450%，直角撕裂强度大于80 N/mm。现已建成并投入使用，见图1。

图1 临时溢洪道 图2 永久溢洪道

库外永久溢洪道沿西侧坝肩布设，与库区临时溢洪道连接，采用浆砌石结构，过水断面为底宽1.2 m，深1.5 m，两侧边坡坡比为1：0.5，侧壁和底板厚度0.5 m，浆砌石水泥砂浆强度等级为M7.5。库外溢洪道初始长度约为45 m，随着尾矿坝的升高，逐步延长，最终长度约248 m。在标高约565.5 m位置将原有值班室拆除，修建消力池，与永久溢洪道连接。消力池净断面尺寸为10 m×5 m×3 m，侧壁和底板厚度0.3 m，采用C30钢筋混凝土结构。消力池下游连接2条排洪钢管，延伸至初期坝下游原有消力池，将洪水排到库外。排洪钢管总长度1 306 m，直径700 mm，壁厚10 mm。现已建成并投入使用，见图2。

4 结语

马粪沟尾矿库系危险等级相对较高的“头顶库”，是国家安全生产专项整治三年行动计划中的重点关注对象。马粪沟尾矿库通过此次智能监测系统优化升级，增加了对坝体内部位移等参数的监控监测和应急排洪设施，对各项监测指标实行连续跟踪测定，最大程度降低了造成尾矿泄漏、溃坝、环境污染等重大安全事故的可能，保证了下游村庄人民群众的生命财产安全以及库区下游的生态环境安全，对降低重特大事故发生概率，减少人员伤亡和财产损失以及确保尾矿库高效生产运行具有重要的安全效益、社会效益和经济效益。