鄢陵县水利局丁东良嵩县尾矿库安全监测系统方案

前河金矿南沟尾矿库安全预警系统方案河南省松山机电设备有限公司二ΟΟ九年八月五日前河金矿南沟尾矿库安全预警系统方案河南省松山机电设备有限公司一、需求分析安全生产事关广大人民群众的根本利益，事关改革发展和稳定的大局。我国在确立了“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产基本方针和“安全发展”的指导原则后，从安全法制、安全责任、安全投入、安全科技和安全文化等方面入手，强化安全监管工作。但受我国现阶段生产力发展水平较低、企业安全生产基础薄弱、从业人员安全意识不强、安全法制不健全等因素的影响，我国安全生产形势依然严峻，工矿商贸领域安全生产重特大事故时有发生，特别是近年来尾矿库事故多发，已引起了国家的高度重视。金属与非金属矿山是工业生产的高危行业，其事故发生起数和死亡人数在全国工业安全生产领域占较大的比重。尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的重要环节，也是该领域的重大危险源之一，作为具有高势能的人造泥石流危险源，其一旦发生事故，将会给下游人民生命财产安全造成巨大损失，给当地环境造成严重污染，给当地的经济发展和社会稳定也带来严重的负面影响。经过50多年发展，我国已成为世界矿业大国，目前全国有金属非金属矿山92071座，其中金属矿山8239座，非金属矿山83832座，冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业的矿山都有尾矿设施。经初步统计，全国有尾矿库7610座，总库容约5×109m3,堆存尾矿约5.5×109t。其中正常运行的约有4800座，占63％，危库、险库和危险性较大的病库约有2810座，占37％。我国作为发展中国家，经济比较落后，从安全上看，尾矿库还存在以下不利因素：一是筑坝尾矿粒度细。由于筑坝的尾矿粒度细，细尾矿的力学强度低、透水性差、不易固结，造成坝体稳定性较差；二是上游法筑坝多。我国目前85％的尾矿库采用上游法筑坝，较下游法和中线法筑坝的坝体稳定性差；三是尾矿库安全设计标准较低。我国作为发展中国家，尾矿库防洪、抗震及坝体稳定等建设标准与发达国家相比相对偏低；四是小型库多。我国矿山规模小，四等库及四等库以下的小型尾矿库占90％以上；五是受地震威胁大。我国是多地震国家，尾矿库防震抗震是重要问题；六是失事后果严重。我国人口众多，尾矿库难以避开居民区和重要工业、交通设施，一旦失事，损失巨大。美国克拉克大学公害评定小组的研究表明，尾矿库事故的危害，在世界93种事故、公害的隐患中，名列第18位。它仅次于核武器爆炸、DDT、神经毒气、核辐射以及其它13种灾害，而比航空失事、火灾等其它60种灾害严重，直接造成百人以上死亡的尾矿库事故已不鲜见。如1972年2月26日，美国布法罗尼河矿尾矿坝溃坝，造成125人死亡，4000人无家可归；1985年7月中旬，意大利东北部的普瑞皮尔尾矿库溃坝，造成250人死亡。尾矿库的安全监测对于加强尾矿库的安全监管，把握尾矿库的安全现状，减少尾矿库的事故发生等具有重要意义。当前，我国尾矿库安全运行的主要技术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期用传统仪器到现场进行测量，安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。同时，人工监测还存在不能及时监测尾矿库的各项技术参数，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，这些都将影响尾矿库的安全生产和安全管理水平。我国安全生产市场急需尾矿库溃坝灾害的实时、连续监测的技术和产品。尾矿库自动化安全监测系统的实施，便于企业和安全监管部门快速掌握与尾矿库安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握尾矿库的运行状况和安全现状，可以提高尾矿库的安全性，保障库区下游企业正常运转及库区人民群众的生命财产安全，避免因尾矿库事故而造成的环境污染，保护生态环境。水利工程和高边坡工程的监测技术发展较快。从20世纪50年代开始，在我国大坝、高边坡变形监测领域开始研究和使用人工变形监测系统，其中应用经纬仪、水准仪等监测仪器监测坝体变形的监测方法有视准线法、引张线法、前方交会法、坝面水准测量法以及连通管法等。20世纪70年代末，以传感器为基础的大坝自动化变形监测系统开始应用于葛洲坝水利枢纽、新丰江水利工程等坝体位移的监测中。20世纪90年代开始了大坝及高边坡的GPS自动化变形监测系统的研究，GPS技术已经应用于三峡工程、黄河小浪底水利枢纽工程的变形监测。目前，多传感器数据融合的大坝变形自动监测技术、监测系统的自动化、网络化和信息化技术是大坝和高边坡工程监测领域的研究发展趋势。二、方案设计（一）前河金矿南沟尾矿库现状1、示意图俯视图剖视图2、实景照片（二）监测指标选择尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，水位相对比较稳定；同时，从尾矿坝坝顶排放尾矿时，矿浆向库内流淌的过程中，矿浆水不断向下渗透；此外，汛期大量降雨。这些因素在尾矿坝体内形成一个庞大渗流场。再者，尾矿沉积体属非均值体，排矿部位又需要经常调换；坝体又在不断增高；况且在尾矿库整个服务期间内，矿源及选矿流程有可能改变，尾矿性能自然也会变化。这就是尾矿坝渗流场异常复杂的原因。浸润线即渗流流网的自由水面线，是尾矿坝安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，因此，对于浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一。如图1所示，图中孔隙水压力为0的线即为尾矿坝的浸润线。尾矿坝孔隙水压力分布示意图（单位:kPa）尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，库水位监测的目的是根据其水位的高低可判断该库防洪能力是否满足安全要求。具体地说：一个完善的设计在设计文本中会给出防洪所需的调洪水深，并要求在设计洪水位（即最高洪水位）时，要同时满足设计规定的最小安全超高和最小安全干滩长度的要求。因此，对于库水位位置的把握可以直接防止尾矿库在汛期避免洪水漫顶溃坝事故的发生，有利于安全监管部门和企业在汛期来临之前，直观地了解和掌握库水位是否达到了设计要求的汛前限制水位。由此可见，库水位的连续动态监测也是尾矿库安全监测的重要内容之一。下图给出了安全滩长监测法的示意图。安全滩长检测法示意图如图所示，设现状库水位为Hs，先在沉积滩上用皮尺量出[Lg]，并插上标杆a，用仪器测出a点地面标高Ha，当Ht=Ha–Hs≥[Ht]时，即认为安全滩长满足设计要求。否则，不满足。同理，也有安全超高检测法。尾矿库发生溃坝灾害，坝体位移是灾害演化过程的直观反应指标，因此对于坝体下游坡变形的掌握，可以及时发现尾矿坝变形率和发展速度，有利于安全监管部门和企业进行科学的应急决策，并及时采取应急对策措施，从而避免灾害的发生或者减少灾害发生造成的危害。下图给出了尾矿库尾矿坝的典型变形矢量图，从图中可知坝体下游坡发生向下和偏向下游的变形。尾矿坝典型变形矢量图在定量评价尾矿库的防洪能力时，需要测定滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高，当前的检测方法较难准确并快速测定这两个指标，问题在于水边线的界线很不明显，该处又无法进人，通常只能目测。据此推算出来的总干滩长度和调洪干滩长度自然也是极不可信的。因此，在尾矿库安全自动化监测系统中，应增加快速并简捷的标高测定方法。因此，滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高，是尾矿库安全监测需要测定的指标。此外，在尾矿库安全监测系统中，为了实时掌握尾矿库库区的情况和运行状况，通常在溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设置，以满足准确清晰把握尾矿库运行状况的需要。综上所述，金属非金属矿山尾矿库安全监测系统监测指标包括：浸润线；库水位；滩面标高；坝体位移；视频图像。（三）监测系统设计为了实现对于尾库坝安全检测，本公司开发出基于光纤传感技术的尾矿库坝监测系统，主要从浸润线，水位和边坡位移三个方面来进行监测。系统优点：该系统可以同时监测尾矿库坝的浸润线、库水位和坝位移等参数；可同时进行多点测量、灵敏度高、测量精度高；长距离、高质量信号传输，长期可靠性好；可扩展能力强、单点测量成本低、应用范围广；具有实时监控、趋势分析、有效预警功能；在野外工作，系统采用光纤进行信号监测与传输，不受雷击影响。1．浸润线监测一般选择尾矿库坝上最大断面或者一旦发生事故将对下游造成重大危害的断面为监测剖面。大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面。每个监测剖面应至少设置5个监测点，并应根据设计资料中坝体下游坡处的孔隙水压力变化梯度灵活选择监测点。尾矿坝坝坡浸润线监测仪器分两类。一类埋设测压管，人工现场实测；另一类是埋设特制传感器，进行半自动或自动观测。这两种方法可供选择.浸润线监测仪器埋设位置的选择，应根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。在作坝体抗滑稳定分析时，设计规范规定浸润线须按正常运行和洪水运行两种工况分别给出。设计时所给出的浸润线位置应是监测仪器埋设深度的最重要的依据。采用一台多通道高精度光纤光栅解调仪，通过多芯光缆，可实现对24个渗压传感器（4个尾库坝剖面，每个剖面6个点），24个位移传感器（4个坝体剖面，每个剖面6个监测点）同时实时在线监测，再结合无线库水位系统合GPS装置实现对普通的尾矿库坝的浸润线、库水位和坝体滑坡进行综合实时监测。浸润线监测点分布图1浸润线监测点分布图2在尾库坝剖面上布置多个测量点，每个测量点上先打孔，将测压管埋入孔中，再将光纤光栅渗压传感器安装到测压孔内。通过测量测压管内水压，计算出测压管内水位H1，根据埋入测压管的长度H，最后计算出该测量点浸润线深度。传感器主要参数:标准量程0MPa～1MPa(可以定制量程)测量精度±0.5%FS外观尺寸φ50mm×100mm安装方式直接浸入或埋入尾纤种类铠装光缆连接方式FC/APC使用温度-30℃～80℃2．库水位监测在库内排水口构筑物上设置自动监测仪，将所测信号传给室内接收机处理得到库水位。既准确，又适时。需要指出的是，库内排水构筑物一般位于尾矿库内，排水构筑物周边为尾矿澄清水，因此需要在监测系统布置前，针对特定尾矿库的实际情况，灵活选择施工方案。本方案中设计6个水位检测点.水位监测点分布图安装电子水位传感器在水位监测管内，电子库水位传感器采用无线传输，通过无线发射模块发射到远处的无线接收装置，从而实现测量信号的无线传输。无线节点内都装有镍氢电池，同时顶部的太阳能板能为无线节点电池充电。传感器参数：压力范围：1-10MPa(可选)精度：±0.5%温度范围：-40to+125°C*精度：±0.5°C总量程内无线电收发器频率：2.4GHz功率:1mW使用范围:可达1000米的可视直线距离。通过加天线，可以实现8000-10000米的无中继传输。匹配接收器：USB,RS232,GSM/GPRS及自产的无线电网络功能性记录间隔：1秒至18小时数据记录：在传感器内，数据记录可达6个周3．坝体位移监测设计仅在坝体表面设置位移观测桩。具体监测手段主要有GPS自动监测。根据坝的长短至少选择5～10个监测剖面。一般在最大坝高处、地基地形地质变化较大处均应布置监测剖面。每个剖面均匀设置4～6个监测点。最下面一个点应设置在坝脚外5～10m范围内的地面上，以用于监测尾矿坝发生整体滑动的可能性。本方案选择4个监测剖面。在最大坝高处、子坝的坝坡中间、初期坝和子坝之间的平坦部分、地基地形地质变化较大处均应布置监测剖面，在每个剖面最上面安装一个GPS装置，设置4～6个监测点,通过多个GPS装置，采用差分方法，确定该处的绝对坐标。将监测点依次与GPS定位装置相连，然后在每个监测点打固定桩，深度根据坝体进行调整，在每个固定桩之间安装位移传感器，通过位移传感器监测固定桩之间，固定桩与GPS定位装置之间的位移变化，从而监测整个坝体的位移。位移监测点分布图（四）、视频监测系统设计在尾矿库安全监测系统中，为了实时掌握尾矿库库区的情况和运行状况，通常在溢水口、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设置，以满足准确清晰把握尾矿库运行状况的需要。本方案设计六路视频监控,两路监控库区、两路监控子坝、两路监控初期坝.将视频信号通过光纤传至中控室,视频系统图（五）系统的特点和技术要求1.系统的特点分散性系统的最大特点是地域极为分散，和监测中