安全监测在工程中的应用设计

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1、安全监测在工程中的应用设计以某尾矿库监测系统为例二 O 一一年十二月引言 2一、尾矿库的发展现状2二、工程概况 2三、监测仪器的选择 331 监测设备的实用性332 监测设备的可靠性333 检测设备的寿命4四、安全监测系统 441 稳定性分析442 监测系统设计指标及方案4421 浸润线监测4422 库水位监测4423 干滩标高监测4424 坝体位移监测5425 视频监测5426 巡视检查5427 监测周期与监测要求543 尾矿库安全监测系统设计6431泛在数据接入及传输层6432数据管理及发布层7433智能分析及应急辅助层8434系统坚固化9五、结语 10附表 11附图 12参考文献 14安

2、全监测在工程中的应用设计以某尾矿库监测系统为例引言尾矿库是矿山的重要生产设施。它的运行状况好坏直接关系到矿山生产和人 民生命财产的安全1。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源。坝体一旦 溃决库内的矿砂和水将以泥石流的形式涌出，其危害程度远比水库溃坝严重， 而且还会造成严重的环境污染闭。最为典型的事故就是2008年9月8日山西襄 汾县新塔矿业有限公司尾矿库溃坝。直接造成 271 人遇难。我国现有近万座矿山尾矿库。较大规模的在1 500座以上，储有尾矿90亿t, 年排尾矿6亿t。虽然我国尾矿库数量较多。但大部分是小型尾矿库，大中型尾 矿库仅占尾矿库总数的 30。以往由于过分注重经济效益，对尾矿

3、库管理安全 意识淡薄，甚至有部分尾矿库没有经过正规设计和审批。筑坝工艺简单，施工监 督不力，配套设施不全，安全生产现状令人担忧。鉴于我国近年来尾矿库事故频发。尾矿库安全形势相当严峻，国家有关部门 专门下达通知，加大了对尾矿库安全监管的力度。在此大环境下，人们逐渐意识 到尾矿库安全监测的重要性。一、尾矿库的发展现状至2008年底，全国各类尾矿库共12655座，其中已闭库1950座、在建1853 座。其中有13以上的尾矿库未经正规设计，近40的尾矿库未取得安全生产 许可证2。笔者列出了近年来国内外主要尾矿库事故，见表 1 和表 2，其中表 1 为近年来我重大尾矿库事故，表 2 为近年来国外主要尾矿

4、库事故。由表1 和表 2 可以看出，我国现阶段尾矿库事故死亡人数远多与国外。鉴于严峻的安全形势，我国尾矿库的安全监测工作必须加大力度。二、工程概况某尾矿库是原鞍山矿山设计研究院设计。据统计，该库下游在2 km内有20 户住户，共60人，25 km内100户住户，共360人。而该尾矿库安全运行的 主要技术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期进行测量， 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。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，及时掌握尾矿库的运行状 况和安全现状。

5、所以该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。该尾矿库初期坝为透水堆石坝，坝顶宽度4. 0 m,坝高14. 0 m,坝内、外 坡比均为1： 2. 0；尾矿堆积坝最终设计堆积标高为620. 0m,尾矿堆积高度为 55. 0 m,尾矿坝最终设计高度为96. 0 m,尾矿库最终设计库容1 608万m3, 最小干滩长度70 m,最小安全超高lm,采用“上游式”尾矿筑坝，坝上分散放 矿,尾矿堆积坝外坡平均坡度 1： 2. 0。目前,该尾矿库库容量约 400 万 m3, 尾矿坝高约55. 0 m,实际干滩长度80 m,按选矿厂尾矿设施设计规范（

6、ZBJ1 90）规定,该尾矿库属三等尾矿库。三、监测仪器的选择9为使监测有效可靠,应从先进性、环境适应性、长期运行、造价经济合理、 能实现自动化数据采集等方面,对传感器进行比选。选取的监测仪器要与尾矿库 的检测实际相匹配,在保证监测数据达到所要求的精确度、不失真的条件下,应 考虑其经济投入并与实际情况相结合,同时,还要注意仪器的使用寿命以及各种 仪器连接在一起时的兼容性问题。3. 1 监测设备的实用性选用国内外定型的、经过质量认证的、工程应用实践证明了的高可靠产品, 特别是传感器、监测监控终端、可编程控制器、交流接触器等设备,选用的设备 应对恶劣的环境条件具有较强的适应能力,以确保系统安全、可

7、靠运行。选用设 备的原则是优先选用国内已批量生产的成熟设备,经济上比较实惠。同时采用国 内生产尚未成熟、性能稳定的进口设备（如弦式压力传感器）,这样既保证系统的 可靠性,又具有一定的先进性。3. 2 监测设备的可靠性10在大坝安全监测系统中,有各种不同的设备,选择数据采集、传输、自动化 设备时,性能差别很大,往往会出现各种设备可靠性不同的问题。有的设备性能 比较差，经常出现问题，影响整个系统的性能。因此，在选择自动化设备时要整 体考虑，否则，即使有些设备的可靠性较高也提高不了整个系统的监测水平。为 适应“无人值班，少人值守”的要求，设置自动巡测、在线诊断、自动报警是对 系统的必然要求。自动化系

8、统大部分由电子产品组成，其防雷、抗干扰性能较差。 许多测值超差和故障是由于自动化系统本身引起的。因此，设计时要采取相应措 施，在高可靠性的基础上选用先进的仪器，使建成后的系统达到较高的可靠性。33 检测设备的寿命任何设备都有使用期限，检测设备作业的环境有时很恶劣，如果设备寿命选 择不合理而导致经常性地更换设备，不仅影响监测结果的准确性，还会因为多次 更换设备间接地导致投入增加。四、安全监测系统11,1241 稳定性分析 通过建立尾矿坝有限元模型，进行渗流和稳定性分析计算得安全系数为 0803，因此该尾矿库的安全监测实施非常必要。尾矿库稳定性分析剖面见图1 所示。42 监测系统设计指标及方案 尾

9、矿库在线监测系统实现了对尾矿库运行状态的影像监控及尾矿坝位移（表 面、内部）、坝体浸润线。地下水孔隙压力、库内水位、干滩指标的自动监测。 该尾矿库安全监测系统监测设计方案为：在主坝建立 5 个内部位移监测剖面；浸 润线分5 个监测剖面；建立一个库水位监测点，做一套全方位的视频图像系统。 图2 为尾矿库安全监测系统监测设计方案示意图。421 浸润线监测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面。每个监测剖面应至 少设置5 个监测点。浸润线监测采用振弦式孔压传感器、光纤渗压传感器等技术。422 库水位监测 在库内排水构筑物

10、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。库水位监测采用无线传输式电子水位传感器技术。423 干滩标高监测采用移动GPS,定期监测尾矿坝滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干 滩标高。424 坝体位移监测根据坝的长短至少选择23个监测剖面（图3为库水位浸润线最大剖面示意 图）。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。尾矿坝 变形监测选用高精度 GPS 接收设备监测外部位移,选用光纤位移传感器监测内 部位移。425 视频监测视频图像监测采用数字视频和无线传输技术。共设立1个动点360o观察及4 个静点摄像机,尽量避免坝体上的盲点盲区位置。在尾矿库安全监测系统中

11、,为 了实时掌握尾矿库库区的情况和运行状态,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。426 巡视检查13在开展安全监测项目的同时还应加强尾矿库的巡视检查。日常巡视检查,应 根据尾矿坝的具体情况,制订切实可行的巡视检查制度,确定巡回检查路线和检 查顺序,由有经验的技术人员负责进行。通常用眼看、手摸、脚踩等直观方法。 也可使用钢卷尺等简单工具。巡查的内容主要包括坝体有无裂缝、明显变形：坝 体与岸坡连接处有无裂缝、错动、渗水等现象：库岸边坡有无裂缝、有无明显滑 动迹象、塌陷或其他损坏现象；测点有无破坏情况；坝体有无明显渗漏等。每次

12、巡视检查均应记录下各处的变化情况,及时整理现场记录。将结果与以往巡视检 查结果进行比较分析,如有问题或异常现象,应立即进行复查,保证记录的准确 性。427 监测周期与监测要求根据该尾矿库的实际情况和对安全监测的要求不同。各监测项目有不同的监 测周期（见附表 4）。当遇特殊情况（如库水位骤变、特大暴雨、大洪水、强地震及库区持续高水 位等）和工程出现不安全征兆时,应加强防范意识,组织专门队伍,加大巡查力 度,增加观测次数,对可能出现险情的部位进行连续监视,确保尾矿库安全。尾 矿库安全监测要求监测人员做到随时观测和记录；观测数据无不符合精度要求、 无擅自更改的数据，要做到随时校核、随时整理、随时分析

13、和预报。安全监测最 重要的是遵循五固定原则：固定观测人员、固定观测仪器、固定观测方法、固定 观测时间、固定观测位置。43 尾矿库安全监测系统设计尾矿库在线监测及应急指挥系统主要分为三个层次：泛在数据接入及传输 层、数据管理及发布层、智能分析及应急辅助层。泛在数据接人及传输层主要负责通过坝体位移监测、渗流监测、浸润线监测、 库水位、干滩、降雨量、视频等手段获取尾矿库的实时运行状态信息，并将数据 通过自组织网络可靠地传输到数据在线采集服务器，主要包括尾矿库泛在数据采 集、局部无缝覆盖无线网络、对等无线网络传感系统组成。数据管理及发布层负 责将尾矿库监测数据进行存储、管理、分类和在线展示，并协调各子

14、系统对数据 流的调用控制，主要包括基于关系数据结构的分布式存储与数据管理、多传感器 数据融合以及 WEB 远程数据发布。智能分析及应急辅助层包括尾矿库数据及尾 矿库安全性监测预警系统、报警联动及预案管理系统、应急指挥多媒体系统以及 人员与车辆定位导航系统。图 4 显示了系统的结构。 431泛在数据接入及传输层4311 尾矿库泛在数据采集为了实现尾矿库的全方位监测，需要从多角度、多层次来获取尾矿库的运行 状态，因此，系统通过布设传感器，监测浸润线、坝体内部位移、坝体表面位移、 坝体渗流量、浊度、干滩长度与安全超高、库水位、降雨量、人员定位、视频等 多种项目内容，从而全方位获取尾矿库运行情况。针对

15、坝体位移监测，坝体表面监测采用高精度的 GPS 位移监测系统、智能 全站仪，融合了现代大地测量新技术、变形监测分析技术、数据通讯技术、计算 机网络技术等，可以实时地获取监测点的垂直位移、水平位移。坝体内部监测采 用位移计和倾斜仪等监测手段。浸润线是尾矿坝监测项目中非常重要的一项。采用在坝体钻孔安装测压管， 管中放置渗压计，监测管中水位的变化情况，从而实现坝体水位数据实时、动态 的自动化监测和存储。库水位监测采用液位计，可以实现尾矿库内水位变化情况的连续不间断监 测，且不受天气影响。降雨量通过雨量计实现实时监测，结合相关数据分析库水位变化是否对坝体 位移和浸润线产生影响。坝体渗流监测采用超声波量

16、水堰方法，并结合浊度仪获取坝体渗流水的浊 度，对于尾砂渗漏等异常情况进行监测。干滩长度监测采用多目视觉技术，利用两台或两台以上的高分辨率长焦摄像 机，根据多目视觉的立体视差成像原理，利用图像处理和模式识别技术，采用宽 带数据通信和高速计算机分析手段，实现对尾矿库干滩长度自动化实时监测。视频监测利用生产现场安置的摄像机，实时拍摄、传输尾矿生产影像，存储 在监控中心的主机上，随时查看坝体尾矿排放、坝体筑坝的情况，并且可以任意 的放大、拖动局部坝体影像，有效地解决了尾矿工巡视时间间隔长、受天气条件 影响大等不利因素。4312 局部无缝覆盖应急指挥网络应急救援体系需要全面掌控事态发展趋势，并且具有通讯

17、及时、反映迅速 的特点。为此，本系统在地基稳定、没有滑坡倾向的山体等处架设无线通讯基站， 通过大直径蜂窝网络保证在尾矿库关键监测区域内无线信号的全域覆盖。一旦发 生险情时，信号覆盖范围内的移动目标均可以接入无线网络，通过 IP 电话、无 线视频、网络等通讯手段，保证应急救援工作的迅速反应、有秩序、高效率开展， 最大程度的降低损失。4313 对等无线网络传感系统尾矿库通讯系统是整个监测系统关键环节。传统通讯系统多采用星形、总线、 环形、树形等结构，一旦网络中某一个节点发生故障，则数据通讯就会阻塞，从 而导致通讯系统瘫痪。为解决通讯瘫痪，本系统采用无线对等网络技术，每个监 控节点之间自主组网，一旦

18、某一个节点出现故障，其他监控节点之间会重新建立 路由，保证监测数据的可靠传输。同时，故障节点被定位，通知系统管理员及时 解决，从而保障了通讯系统的安全性、可靠性。432数据管理及发布层4321 基于关系数据结构的分布式存储与数据管理通过建立基于分布式关系数据结构的存储与管理模式，将采集获取的海量泛 在信息数据进行结构化存储。支持异地存储和流式调用，并进行冗余数据备份， 确保基础数据的安全和高效访问。4322 多传感器数据融合 针对浸润线、渗流量、坝体位移、干滩长度、安全超高、库水位、降雨量等 多项监测内容，利用不同的传感器，采用不同的监测方法进行监测。尾矿库的安 全状态最终根据各个传感器观测得

19、到的各项监测数据进行综合评估和分析。因 此，在系统中采用主元分析方法进行多传感器数据融合，以提高监测预警的准确 性、可靠性和有效性。4323 WEB 远程数据发布建立基于客户端的、基于AJAX技术的WEB远程监控平台，用户和管理者 可以在任何联网的计算机或其他终端访问系统，从而实现远程监控、远程管理、 远程指挥。同时，按照用户差别实行远程分级权限管理。433智能分析及应急辅助层4331 尾矿库安全性监测预警系统 将多角度、多层次的传感器监测信息相互融合，通过数据管理系统的有序存 储、整理和过滤，使准确程度高、真实有效的库区状态数据送入尾矿库安全性分 析模块，从而实时反馈监测信息并评估尾矿库健康

20、状况，一旦通过监测数据的趋 势分析发现在未来时刻可能存在险情时，即刻发出安全预警信号，通知库区管理 人员使险情消灭在萌芽状态。该安全性监测预警系统有如下功能：(1) 实现前端采集系统的数据查询、维护功能；(2) 实现坝体位移、浸润线、库水位等监测物理量的过程线分析；(3) 库水位与坝体位移、浸润线相关性分析；(4) 结合尾矿库各个子项监测数据，实现尾矿库安全系数评定；(5) 实现坝体险情及时报警。4332 报警联动及预案管理系统 库区将要发生或已发生的险情及时报警是在线监测系统实现的目标。本系统 报警联动是指当监测到库区有险情时，或者预测到潜在的险情时，报警系统自动 启动报警联动程序，及时通过

21、手机短信、邮件、声光报警、闪烁等多种告知方式 向工作人员报警，同时启动相关的联动应急流程。应急预案是指在上述联动流程 中，启动事先预先设置好的各种险情预案，能实现针对性、有序性地排除库区发 生的险情。4333 应急指挥多媒体系统险情发生时，远离库区的应急指挥中心能全面、准确、实时地掌握险情状态 及发展趋势是应急救援的关键，它决定能否拿出正确的救援方案，节省救援时间。 历史上库区救援受阻、失败的教训都是对现场险情估计错误造成。本系统借助 IP 电话、语音对讲及时了解遇险人员和险情状态，借助在线移动视频接人技术准确 预测险情发展趋势。为应急指挥调度和辅助决策提供支持。4334 人员及车辆定位系统通

22、过 GPS 模块，实现巡线工记巡查车辆的定位，一方面约束巡查人员，另 一方面当发生险情时，可以快速定位事发地点，并启动相关应急救援工作。 434系统坚固化为了保证系统在发生紧急情况下仍然能够可靠工作，必须进行尾矿库在线监 测与应急指挥系统的坚固化工作。本文围绕系统中的薄弱环节，在如下方面进行 了坚固化处理。4341 基于风光互补技术的本地化供电系统尾矿库周围地形复杂、架设输电线成本高，同时，借鉴历史上尾矿库事故发 生时，库区监测单元电力供应系统可能出现瘫痪。为此，本系统增加了本地化供 电模块，解决尾矿库在发生溃坝或工业电力断电等情况下系统的瘫痪，保障监测 单元、通讯系统及监测系统能不间断的工作

23、。本地化供电模块包括太阳能电池、 风力发电、风光互补发电等多种方式，相互弥补自身发电的缺点。同时，借助电 力稳压系统，为监测和应急指挥系统的正常运行构建多平台、多体系、多层次的 保障。4342 网络通讯无线化网络通讯是进行尾矿库在线管理的基础。通过线缆方式进行布设，可靠性差， 一旦坝体坍塌，则电缆容易拉断，导致通讯中断。故本系统采用无线网络覆盖技 术，在安全区域建立无线蜂窝网络，覆盖关键监测区段，在这些区域内，无线终 端（手机、笔记本、专用监测装备、无线摄像头等）均可接入并工作。另外，传感 器之间采用自组织对等网络，当某一个网络节点出现故障，则通讯系统可以重新 路由，并正常工作。4343 元器

24、件防护等级升级 针对尾矿库恶劣的户外条件，检测元件和装置均采用宽温、宽电压、高 IP 防护等级处理，在户外的装备还进行冬季自动加热处理，保证系统顺利工作。4344 故障诊断与定位对于发生故障的网络节点、传感器、装置，采用“心跳”监测的方式进行故 障监测，即这些设备定期向中央监测计算机发送心跳指令，说明系统工作正常。 一旦在超时时间内未接到设备的“心跳”数据，则中间监测计算机会进行报警联 动并远程通过看门狗重新启动设备，从而最快速度的排除故障。五、结语目前我国三四等尾矿库安全监测多以人工为主，所用观测设备陈旧，技术 手段单一，监测项目不全面，自动化程度低，观测周期长，观测数据并不能完全 反映尾矿

25、库实时的动态变化情况。为适应发展的要求，应加快尾矿库安全监测自 动化、实时化和信息化的进程。为此，应对监测人员进行专业培训，购置高精度 监测设备。总结监测技术经验，学习和借鉴别人的安全监测模式，建立尾矿库安 全监测数据库管理系统。对观测数据及时处理。分析尾矿库的安全情况，为后期 生产计划的制定和安全生产提供依据。尾矿库安全监测系统的逐步实施和推广，可以大幅度提高我国对于尾矿库溃 坝灾害机理的认识水平，全面提升尾矿库安全监管和日常管理水平，增强企业、 社会、政府对于尾矿库灾害的预警响应能力，建立更便于尾矿库运行期安全管理 和风险控制的溃坝风险综合评判方法。附表表 1 国内重大尾矿库事故 3,4时

26、间地点死亡人数事故原因200809 08山西省临汾市襄汾 县新塔矿业有限公 司980沟尾矿库276非法矿主违法生产、尾矿库超 储2007 11 25辽宁鞍山市海城市 西洋集团鼎洋矿业 公司选矿厂尾矿库5 号库15擅自加高坝体，改变坡比，造 成坝体超咼，边坡过陡，超过 极限平衡，致坝体失稳200604 30陕西省商洛市镇安 县黄金有限公司尾 矿库17擅自加高坝体，严重超储，安 全超高、排水不畅，干滩长度 严重不足20001018广西南丹鸿图选矿 厂尾矿库28基础坝不透水，尾矿库长期人 为蓄水过多，干滩长度不够， 致使坝内尾砂含水饱和，坝面 沼泽化，坝体得不到固结从而 溃坝表 2 国外主要尾矿库事

27、故 5,6,7,8时间地点死亡人数事故原因200908 29俄罗斯联邦马加丹 地区卡拉姆肯尾矿 库1夏季大雨漫坝2008 12 22美国田纳西州罗恩 县金士顿石化厂0较低的气温所导致得防洪堤缺 口和大雨两方面因素导致防洪 堤溃坝200504 14美国密西西比州杰 克逊县邦斯湖0尾矿库超储，只是坝体失稳200106 22巴西Nova Lima地区Minerao Rio VerdeLida铁矿公司尾矿 库2事故前缺少水压计对库内水位 和水压的测量表 3 岩土物理力学参数项目天然重度丫/(kN/m3)内聚力c/kPa内摩擦角e/()渗透系数/(m/s)原始坝体材料(素填土)22.000.0035.0

28、03.3X10-4尾细砂18.6210.8031.701.12X10-5尾粉砂19.7010.8029.001.84X10-6尾粘土17.6413.727.103.55X10-8尾粉质粘土17.0013.007.406.48X10-9花岗片麻岩27.008.4142.001.16X10-6附图您計曜粘上M眄喷社I图1某矿业有限公司尾矿库稳定性分析剖面图2尾矿库安全监测系统监测设计方案图3尾水位浸润线最大剖面示意z, - - - * - - * （坝休内部监测坝体表面监测役润线监测本地化供电设备干滩怏度毘矿库数据寥信息融合及安监臂部门视频册妬爾1人员定位监测监控中右尾矿库坝体监测站”二二 沁量及

29、浊度库水位监测应急指挥供电凤电图4尾矿库安全监测系统结构参考文献1. 国家安全生产监督管理局 SL 60-1994，土石坝安全监测技术规范，20072. 田文旗，尾矿库安全技术和监管重点OL，国家安检总局，2009 05-153. 关于陕西省商洛市镇安县黄金矿业有限责任公司“430”尾矿库溃坝事故的 通报OL,国家安全生产监督管理总局，2006 05-084. 广西南丹县鸿图选矿厂尾矿库“ 1018”垮坝事故OL,搜狐网，2003 06-105. Chronology of major tailings dam failuresOL， Tailings Dam safety， 2009 09-

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