尾礦庫安全預警系統方案
河南省松山機電裝置****
二ο一一年八月五日
尾礦庫安全預警系統方案
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一、需求分析
安全生產事關廣大人民群眾的根本利益，事關改革發展和穩定的大局。我國在確立了「安全第一，預防為主，綜合治理」的安全生產基本方針和「安全發展」的指導原則後，從安全法制、安全責任、安全投入、安全科技和安全文化等方面入手，強化安全監管工作。但受我國現階段生產力發展水平較低、企業安全生產基礎薄弱、從業人員安全意識不強、安全法制不健全等因素的影響，我國安全生產形勢依然嚴峻，工礦商貿領域安全生產重特大事故時有發生，特別是近年來尾礦庫事故多發，已引起了國家的高度重視。
金屬與非金屬礦山是工業生產的高危行業，其事故發生起數和死亡人數在全國工業安全生產領域佔較大的比重。尾礦庫是金屬與非金屬礦山安全生產的重要環節，也是該領域的重大危險源之一，作為具有高勢能的人造泥石流危險源，其一旦發生事故，將會給下游人民生命財產安全造成巨大損失，給當地環境造成嚴重汙染，給當地的經濟發展和社會穩定也帶來嚴重的負面影響。
經過50多年發展，我國已成為世界礦業大國，目前全國有金屬非金屬礦山92071座，其中金屬礦山8239座，非金屬礦山83832座，冶金、有色、化工、核工業、建材和輕工業等行業的礦山都有尾礦設施。經初步統計，全國有尾礦庫7610座，總庫容約5×109m3,堆存尾礦約5.5×109t。
其中正常執行的約有4800座，佔63％，危庫、險庫和危險性較大的病庫約有2810座，佔37％。
我國作為發展中國家，經濟比較落後，從安全上看，尾礦庫還存在以下不利因素：一是築壩尾礦粒度細。由於築壩的尾礦粒度細，細尾礦的力學強度低、透水性差、不易固結，造成壩體穩定性較差；二是上游法築壩多。
我國目前85％的尾礦庫採用上游法築壩，較下游法和中線法築壩的壩體穩定性差；三是尾礦庫安全設計標準較低。我國作為發展中國家，尾礦庫防洪、抗震及壩體穩定等建設標準與發達國家相比相對偏低；四是小型庫多。我國礦山規模小，四等庫及四等庫以下的小型尾礦庫佔90％以上；五是受**威脅大。
我國是多**國家，尾礦庫防震抗震是重要問題；六是失事後果嚴重。我國人口眾多，尾礦庫難以避開居民區和重要工業、交通設施，一旦失事，損失巨大。
美國克拉克大學公害評定小組的研究表明，尾礦庫事故的危害，在世界93種事故、公害的隱患中，名列第18位。它僅次於核****、ddt、神經毒氣、核輻射以及其它13種災害，而比航空失事、火災等其它60種災害嚴重，直接造成百人以上死亡的尾礦庫事故已不鮮見。如2023年2月26日，美國布法羅尼河礦尾礦壩潰壩，造成125人死亡，4000人無家可歸；2023年7月中旬，義大利東北部的普瑞皮爾尾礦庫潰壩，造成250人死亡。
尾礦庫的安全監測對於加強尾礦庫的安全監管，把握尾礦庫的安全現狀，減少尾礦庫的事故發生等具有重要意義。當前，我國尾礦庫安全執行的主要技術引數如壩體形變位移、庫水位、浸潤線埋深等，均由人工定期用傳統儀器到現場進行測量，安全監測工作量大、受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統誤差和人工誤差。同時，人工監測還存在不能及時監測尾礦庫的各項技術引數，難以及時掌握尾礦庫各項安全技術指標等缺點，這些都將影響尾礦庫的安全生產和安全管理水平。
我國安全生產市場急需尾礦庫潰壩災害的實時、連續監測的技術和產品。
尾礦庫自動化安全監測系統的實施，便於企業和安全監管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態，有利於及時掌握尾礦庫的執行狀況和安全現狀，可以提高尾礦庫的安全性，保障庫區下游企業正常運轉及庫區人民群眾的生命財產安全，避免因尾礦庫事故而造成的環境汙染，保護生態環境。
水利工程和高邊坡工程的監測技術發展較快。從20世紀50年代開始，在我國大壩、高邊坡變形監測領域開始研究和使用人工變形監測系統，其中應用經緯儀、水準儀等監測儀器監測壩體變形的監測方法有視準線法、引張線法、前方交會法、壩面水準測量法以及連通管法等。20世紀70年代末，以感測器為基礎的大壩自動化變形監測系統開始應用於葛洲壩水利樞紐、新豐江水利工程等壩體位移的監測中。
20世紀90年代開始了大壩及高邊坡的gps自動化變形監測系統的研究，gps技術已經應用於三峽工程、黃河小浪底水利樞紐工程的變形監測。目前，多感測器資料融合的大壩變形自動監測技術、監測系統的自動化、網路化和資訊化技術是大壩和高邊坡工程監測領域的研究發展趨勢。
二、方案設計
（一）系統功能整體要求
（1）系統具有穩定可靠的資料採集、傳輸、處理、儲存、顯示、管理、自檢功能；
（2）系統不受氣候條件的限制，能在大風、大霧、暴風雨等惡劣天氣條件下全天候進行工作，系統具有良好的防雷抗干擾功能，確保系統不因雷擊而損壞；
（3）系統能夠實現24小時**監控；
（4）系統具有遠端登入，多級監控功能。
（5）監控系統設有自動預、報警功能，當監測引數有向危險狀態演變時，系統將發出預警資訊；當監測引數超過預設警戒值時，系統將發出報警資訊。從而有效預防事故，把事故苗頭消滅在萌芽狀態。
（6）所有監控引數精度滿足《尾礦庫安全技術規程》的要求。
（二）監測指標選擇
尾礦庫記憶體有大量尾礦漿沉澱水，水位相對比較穩定；同時，從尾礦壩壩頂排放尾礦時，礦漿向庫內流淌的過程中，礦漿水不斷向下滲透；此外，汛期大量降雨。這些因素在尾礦壩體內形成乙個龐大滲流場。再者，尾礦沉積體屬非均值體，排礦部位又需要經常調換；壩體又在不斷增高；況且在尾礦庫整個服務期間內，礦源及選礦流程有可能改變，尾礦效能自然也會變化。
這就是尾礦壩滲流場異常複雜的原因。浸潤線即滲流流網的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關係到壩體穩定及安全性狀，因此，對於浸潤線位置的監測是尾礦庫安全監測的重要內容之一。如圖1所示，圖中孔隙水壓力為0的線即為尾礦壩的浸潤線。
尾礦壩孔隙水壓力分布示意圖（單位:kpa）
尾礦庫記憶體有大量尾礦漿沉澱水，庫水位監測的目的是根據其水位的高低可判斷該庫防洪能力是否滿足安全要求。具體地說：乙個完善的設計在設計文字中會給出防洪所需的調洪水深，並要求在設計洪水位（即最高洪水位）時，要同時滿足設計規定的最小安全超高和最小安全幹灘長度的要求。
因此，對於庫水位位置的把握可以直接防止尾礦庫在汛期避免洪水漫頂潰壩事故的發生，有利於安全監管部門和企業在汛期來臨之前，直觀地了解和掌握庫水位是否達到了設計要求的汛前限制水位。由此可見，庫水位的連續動態監測也是尾礦庫安全監測的重要內容之一。 下圖給出了安全灘長監測法的示意圖。
安全灘長檢測法示意圖
如圖所示，設現狀庫水位為hs，先在沉積灘上用皮尺量出[lg]，並插上標桿a，用儀器測出a點地面標高ha，當ht = ha – hs≥ [ht] 時，即認為安全灘長滿足設計要求。否則，不滿足。同理，也有安全超高檢測法。
尾礦庫發生潰壩災害，壩體位移是災害演化過程的直觀反應指標，因此對於壩體下游坡變形的掌握，可以及時發現尾礦壩變形率和發展速度，有利於安全監管部門和企業進行科學的應急決策，並及時採取應急對策措施，從而避免災害的發生或者減少災害發生造成的危害。下圖給出了尾礦庫尾礦壩的典型變形向量圖，從圖中可知壩體下游坡發生向下和偏向下游的變形。
尾礦壩典型變形向量圖
在定量評價尾礦庫的防洪能力時，需要測定灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的幹灘標高，當前的檢測方法較難準確並快速測定這兩個指標，問題在於水邊線的界線很不明顯，該處又無法進人，通常只能目測。據此推算出來的總幹灘長度和調洪幹灘長度自然也是極不可信的。因此，在尾礦庫安全自動化監測系統中，應增加快速並簡捷的標高測定方法。
因此，灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的幹灘標高，是尾礦庫安全監測需要測定的指標。
此外，在尾礦庫安全監測系統中，為了實時掌握尾礦庫庫區的情況和執行狀況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設定**監測設定，以滿足準確清晰把握尾礦庫執行狀況的需要。 綜上所述，金屬非金屬礦山尾礦庫安全監測系統監測指標包括：浸潤線；庫水位；灘面標高；壩體位移；**影象。
（三）監測系統設計
為了實現對於尾庫壩安全檢測，本公司開發出基於光纖感測技術的尾礦庫壩監測系統，主要從浸潤線，水位和邊坡位移三個方面來進行監測。
系統優點：
該系統可以同時監測尾礦庫壩的浸潤線、庫水位和壩位移等引數；
可同時進行多點測量、靈敏度高、測量精度高；
長距離、高質量訊號傳輸，長期可靠性好；
可擴充套件能力強、單點測量成本低、應用範圍廣；
具有實時監控、趨勢分析、有效預警功能；
在野外工作，系統採用光纖進行訊號監測與傳輸，不受雷擊影響。
1．浸潤線監測
一般選擇尾礦庫壩上最大斷面或者一旦發生事故將對下游造成重大危害的斷面為監測剖面。大型尾礦庫在一些薄壩段也應設有監測剖面。每個監測剖面應至少設定5個監測點，並應根據設計資料中壩體下游坡處的孔隙水壓力變化梯度靈活選擇監測點。
尾礦壩壩坡浸潤線監測儀器分兩類。一類埋設測壓管，人工現場實測；另一類是埋設特製感測器，進行半自動或自動觀測。 這兩種方法可供選擇.
浸潤線監測儀器埋設位置的選擇，應根據《尾礦庫安全技術規程》（aq2006－2005）中規定的計算工況所得到的壩體浸潤線位置來埋設。在作壩體抗滑穩定分析時，設計規範規定浸潤線須按正常執行和洪水執行兩種工況分別給出。設計時所給出的浸潤線位置應是監測儀器埋設深度的最重要的依據。
採用一台多通道高精度光纖光柵解調儀，通過多芯光纜，可實現對24個滲壓感測器（4個尾庫壩剖面，每個剖面6個點），24個位移感測器（4個壩體剖面，每個剖面6個監測點）同時實時**監測，再結合無線庫水位系統合gps裝置實現對普通的尾礦庫壩的浸潤線、庫水位和壩體滑坡進行綜合實時監測。
浸潤線監測點分布圖1
浸潤線監測點分布圖2
在尾庫壩剖面上布置多個測量點，每個測量點上先打檢測井，將測壓管埋入檢測井中，再將光纖光柵滲壓感測器安裝到測壓孔內。通過測量測壓管內水壓，計算出測壓管內水位h1，根據埋入測壓管的長度h，最後計算出該測量點浸潤線深度。
感測器主要引數:
標準量程 0mpa～1mpa (可以定製量程)
測量精度 ±0.5 % fs
外觀尺寸 φ50mm×100mm
安裝方式直接浸入或埋入
尾纖種類鎧裝光纜
連線方式 fc/apc
使用溫度 -30℃ ～ 80℃
尾礦庫安全匯報
關於銅坑嶂鉬多金屬礦專案 贛州市安全檢查組 尋烏銅坑嶂鉬多金屬礦位於尋烏縣城32 方向8km處，行政區劃屬尋烏縣澄江鎮 文峰鄉管轄。根據江西省國土資源廳批覆，該專案設計規模為年處理原礦10萬噸，是贛州市2007年度50個工業主導產業重點投資排程專案 贛市府辦 2007 1號 尋烏縣重點發展主導產業之...
尾礦庫安全檢查制度
1 尾礦壩安全檢查內容 壩的輪廓尺寸，變形 裂縫 滑坡和滲漏等。2 檢測壩的外坡坡比 每100公尺壩長不少於2處，應選在最大壩高斷面或壩坡較陡斷面。水平距離和標高的測量誤差不大於10公釐 實測的壩外坡坡比不應陡於設計坡比減1.3 檢查壩體位移 要求壩的位移量變化應均衡，無突變現象，且應逐年減小。當位...
尾礦庫安全檢查制度
一 尾礦庫防洪安全檢查 1 尾礦庫防洪安全檢查內容包括 設計防洪標準 尾礦沉積灘的幹灘長度和尾礦壩的安全超高等。2 檢查設計採用的防洪標準是否符合現行尾礦設施設計規範的要求。當設計採用的防洪標準高於或等於現行設計規範的要求時，可按原設計的洪水引數進行檢查 當設計採用的防洪標準低於現行設計規範的要求時...