上游式尾矿坝在线安全监测技术浅析

2022-03-16 08:16:43 | 浏览次数：

摘要：本文以上游式尾矿坝为研究对象，主要从尾矿库坝体位移、渗流、库水位、干滩、降水量、库区监控和在线安全监测系统集成几个方面进行简述，同时给出尾矿库在线安全监测案例。

关键词：尾矿坝；安全；在线安全监测技术

中图分类号： TV698 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）17-157-2

0 引言

上游式尾矿坝是我国尾矿库常用坝型，但该筑坝方式具有坝体稳定性差、浸润线偏高、抗震性能较弱等特征[1]，因而其安全问题一直备受关注。早在上世纪80年代，冶金工业部矿山生产技术司就已提出，对于尾矿库内水位、浸润线、渗水量及坝体位移等监测工作，引进自动监控、自动分析、自动报警技术，维护尾矿坝稳定性，确保坝下人民生命财产安全，无疑是十分需要的[2]。《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010）规定，三等及以上尾矿库应安装，四等宜安装在线监测系统。《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB51108-2015）统一了在线安全监测系统工程技术要求。

近年来，研究人员对尾矿库在线安全监测技术进行了大量研究，取得较多的成果。李全明[3]等人分析了尾矿库安全监测的关键点，赵立群[4]将TD Safe 2000应用于云南磷化集团石头山尾矿库和马屋菁尾矿库安全在线监测，王利岗[5]等人研究了基于ZigBee传感网络的在线监测系统。

尾矿坝在线安全监测技术能够及时掌握运行情况，增强事故预警能力，保障尾矿库运行的安全性。本文围绕上游式尾矿坝在线安全监测技术进行论述。

1 在线安全监测技术

1.1 位移监测

坝体位移监测可按测点位置分为表面和内部位移监测；按测量功能分为水平、垂直及三维位移监测[6]。表面位移监测技术包括GPS监测技术和高精度智能全站仪技术，前者在实际工程中应用广泛，后者管理维护方便且监测精度较高，但因监测成本高、受地形等因素影响而较少采用。内部位移监测采用滑轮式测斜仪和单点沉降仪。

1.2 渗流监测

渗流监测采用振弦式和光纤渗压式传感器两种类型，利用孔隙水压力传感器获得浸润线和渗流压力，渗流量采用电子流量计进行监测。

光纤渗压式属不带电作业但因其传输线缆属于单模铠装光缆，堆积坝沉降量大时容易弯折；振弦式因属带电作业而需做好防雷设计。

1.3 库水位监测

库水位监测采用超声波液位计或渗压计。根据超声波反射原理获得水面与液位间距离，再按超声波液位计安全位置标高换算得水面标高。

实际工程中，常采用排水井井架上标注高程或设置水位标尺，再利用库区监控设备对库水位进行在线监测。

1.4 干滩监测

干滩监测采用自动和人工相结合的方式，自动监测可采用免棱镜激光测距仪、超声波测距仪等设备。干滩长度监测采用图像拍摄的方法获得尾矿坝相关信息，分析计算出干滩长度。安全超高通过滩顶高程与特征点高程信息计算得到。

1.5 降水量监测

汛期降水量的监测十分重要，它是尾矿库防洪能力调节的原始指标。雨量过大过急而调洪能力有限时，应采取相应措施。降水量监测可选用自记雨量计、遥测雨量计或自动测报雨量计等。

1.6 库区监控

库区视频监控可减少人工库区日常巡检工作量，实时掌握库区运行状况。在坝体、滩顶放矿处、坝体下游坡、库尾拦洪坝等重要部位设置视频监控，通过现场摄像及数据传输系统，在主控制机能高清观察尾矿库生产放矿及筑坝等运行情况，还可作为现场调度管理的有效手段。

1.7 在线安全监测系统集成

尾矿库在线安全监测系统集成应包括通信系统、供电系统、防雷网络敷设及系统平台安装调试等。通讯系统应采用RS232、RS485/422A、TCP/IP等国际标准的通信接口和协议。供电电源可采用普通电源、不间断电源或太阳能供电等。近年来，风光互补供电系统被常用于监测系统仪器设备的供电电源。太阳能供电应符合以下条件：①采用单晶硅太阳能电池组件，转换率不宜低于16%；②太阳能控制器工作电压宜为12V，最大充电电流不宜低于10A；③蓄电池容量应满足连续72h阴雨天气情况下设备不停运行的需要。另外，集成电源容量为供电设计负荷的1.2～1.5倍，并设置电气保护和接地装置，接地电阻应小于4Ω。防雷设计应符合相关规范要求。

2 上游式尾矿坝在线安全监测案例

云南省某铜矿山尾矿库初期坝为均质土坝，底标高1431m，顶标高1446m，高15m，顶长120m，内坡比1：2.5、外坡比1：2.5～2.75。尾矿库从1446m采用上游式尾矿筑坝法。闭库标高1494m，堆坝高48m，总坝高63m，库容1682万m3，设计等级为三等。该尾矿库在线安全监测系统采用DT尾矿库安全自动化监测系统，主要监测内容及布置如下：

2.1 位移监测

表面位移监测从初期坝开始，以此往上布置，共6组24个监测点，另加坝体两侧3个参考点，总设27个GPS点。GPS观测点按尾矿库坝体的需要选定，解算软件采用国际领先的拥有kalman滤波三差固定解的GPSensor核心解算模块。

监测精度：水平中误差<3mm，高程中误差<5mm。采样精度：15min采集一次，实现远程大数据包传输，实现各监测点的首次、上次、本次数据的比对功能及位移速度、方向的分析。

内部位移监测采用测斜仪，和GPS点安置在一起，共24个点。

2.2 浸润线监测

将电子渗压计布设在观测孔内，定期自动采集数据并传输到监控中心进行显示和存储。

观测管材质采用厚壁150mm钢管，测量误差<±3cm。单点平均无故障时间：1a以上；系统平均无故障时间：90d以上。实现浸润线“当前埋深、孔深、预警埋深、探头埋深”数据，以图形方式显示，快速掌握观测孔水位情况。

2.3 降水量监测

虹吸式的雨量计，自动记录降水量并传输至监测系统软件。尾矿库管理人员可通过远程登录对库区降水量进行监测。2.4 库区监控

根据尾矿库现场情况，布置3台摄像头，系统采用高清网络摄像机，并配备室外重型云台+长焦远距离镜头，红外夜视摄像机完成夜间及远处目标监控。在尾矿坝架设红外夜视云台摄相机，并安装大功率激光红外灯。

2.5 系统通讯设计

①各监测设备（传感器）到现场值班室的通讯设计；②现场值班室到办公楼监控中心（调度室）的通讯设计。各监测设备（传感器）到现场值班室的数据传输采用无线网桥（3km）方式，减少库区和坝体的土方开挖，节约建设成本；现场值班室通过无线网桥（15km）进行网络报警和监测数据发布。

各项监测指标数据流向：①尾矿库位移监测的数据通信：GPS天线→GPS接收机→232-422转换器→串口服务器→无线网桥→现场值班室；②浸润线监测的数据通信：渗压计→采集仪→232-422转换器→串口服务器→无线网桥→现场值班室；③降水量监测的数据通信：雨量计→现场值班室；④库区监控的数据通信：视频→232-422转换器→串口服务器→无线网桥→现场值班室。

2.6 系统防雷设计

系统防雷设计包括直击雷防护、电源线路防雷保护、通讯线路防雷保护以及接地系统。

2.7 系统供电设计

因库区分布大，市电牵引困难，且不利于防雷，所以现场尾矿库在线安全监测系统采用50W的太阳能电池板和100Ah的蓄电池组成联合供电系统。

3 结语

综上所述，在线安全监测技术应用于上游式尾矿坝，能够及时发现不正常现象并提出警示，评估结构的可靠性，为尾矿库的管理与维护提供数据依据。

参考文献

[1] 路荣博，王涛.上游法尾矿库溃坝事故致因分析及安全管理技术研究[J].长江科学院院报，2009，26（增）：117.

[2] 曹汝杰，王柏纯，等.尾矿坝安全稳定性技术调查报告

[M].北京：冶金工业部矿山生产技术司，1987：32.

[3] 李明全，谢旭阳，陈守仁，等.尾矿库安全监测关键点[J].劳动保护，2008（12）：97-99.

[4] 赵立群.TD Safe 2000 尾矿库安全在线监测系统[J].有色金属设计，2013（1）：1-6.