贵州某矿山排土场灾害监测系统的建立

徐明智 幸贞雄 周训兵

（贵州省劳动保护科学技术研究院，贵州遵义563000）

贵州矿产资源丰富，开采的矿产种类众多，存在着大量不同类型的矿山排土场。对贵州典型矿山的排土场进行现场调研及查阅相关资料，发现排土场在设计、安全管理、现场作业、排水设施和监测系统等方面存在着突出的问题［1］；同时，贵州地质条件复杂，岩溶地貌普遍，降雨及地下水活动频繁，加之排土场的松散堆积特性［2-3］，容易发生排土场滑坡、泥石流等灾害事故，贵州矿山排土场的安全现状不容乐观。

目前，灾害监测系统已经在多个领域使用，如露天矿山采场边坡、尾矿库等，能有效预防灾害事故的发生。《金属非金属矿山排土场安全生产规则》和《金属非金属矿山安全规程》中规定，矿山应建立排土场监测系统，定期进行排土场监测；国家安全监管总局《关于印发非煤矿山领域遏制重特大事故工作方案的通知》（安监总管一［2016］60号）中也要求，堆置高度200 m以上的排土场，必须进行在线监测。而贵州建立排土场监测系统的矿山很少，仅有个别矿山采用GPS对表面变形进行监测，监测的指标单一，不能全面反映排土场的安全状况。因此，建立矿山排土场灾害监测系统，对影响排土场安全稳定的多个指标进行同时监测是十分必要的。本研究以贵州某矿山排土场为例，选择一定大小的试验区域作为该排土场的监测区域，建立排土场灾害监测系统。

1 排土场概况

该矿为金矿采选企业，废石量大，排土场位于露天矿坑南侧，最大宽度约430 m，长度约1 178 m。排土场最终堆积坡脚设置拦渣坝，坝底标高为390 m，坝顶标高为411 m。在此基础上进行排土，共分为411 m、430 m、460 m、490 m、520 m、550 m和580 m7个台阶，411 m平台宽度为20 m，其余平台宽度均为24 m。排土方式为使用运矿卡车和推土机自下而上依次排放，累计排渣12 046万t，已堆放到设计标高，并停止排土。其下游有零星住户，计有8户共61人。

2 监测系统的建立

2.1 监测区域

因整个排土场面积巨大，从技术性和经济性上考虑，前期在460 m台阶上朝拦渣坝的一面，选择长150 m、宽30 m，共4 500 m2的试验区域作为排土场灾害监测区域。

2.2 监测指标

在前期研究的基础上，选择表面位移、内部位移、降雨量、孔隙水压力、内部应力和土壤含水量作为监测的指标［4-5］。

2.3 监测系统组成

为实时获取各项监测指标，结合排土场实际情况，矿山排土场灾害监测系统由前端监测仪器、数据采集装置、供电系统、防雷系统、数据传输网络和监测预警中心组成，其拓扑结构如图1所示。前端监测仪器负责获取各项监测指标，数据采集装置采集和汇总监测数据后通过数据传输网络传输到监测预警中心，监测预警中心对传输来的监测数据进行存储、分析、展示，进而进行灾害预警；供电系统和防雷系统确保各设备的正常运行和免遭雷击。

（1）前端监测仪器。为了实时获取各项监测指标，选择相应的前端监测仪器［6-7］，具体如表1所示。

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（2）数据采集装置。一类是GPS的接收机，通过采集GPS信号，获得表面位移监测数据；一类是DAG数据采集网关，采集除GPS以外的前端监测仪器的监测数据。

（3）数据传输网络。按传输形式不同，分为有线传输和无线传输。矿山企业根据实际情况合理选择数据传输形式，并配置公网IP地址，开放网络通信端口等。本项目排土场距其调度中心较远，故选择无线传输，数据采集装置配置物联网卡，通过移动通信网络（4G/3G/2G）接入Internet以实现数据传输。

（4）监测预警中心。主要由服务器、显示器、短信报警、声光报警等硬件设备和监测预警软件组成，对传输来的监测数据进行存储、分析、展示，进行灾害预警。宜设置在矿山企业的调度中心。

（5）供电系统。主要为前端监测仪器、数据采集装置等供电，在不具备市电供电的条件下，宜采用太阳能供电，并具备在连续15 d无光照条件下的供电能力。

（6）防雷系统。主要保护前端监测仪器、数据采集装置等免受雷击，直击雷防护采用避雷针，感应雷防护采用单项电源避雷器和通讯电缆防雷器。直击雷避雷接地系统控制在10 Ω以下，感应雷避雷接地系统控制在4 Ω以下。

2.4 监测系统布置方案

为了准确获取反映排土场安全状况的监测指标，需要对监测仪器合理布置，具体布置方案如图2所示。

（1）除GPS基准站外，所有监测仪器布置在460 m台阶上的4 500 m2的监测区域内，距离边坡约5 m处，并尽量处于同一直线上；GPS基准站布置在监测区域以外的不发生位移变化的稳定地点。

（2）GPS监测站布置在监测区域的中轴线上，并在其附近布置雨量计和土壤含水计。

（3）其余前端监测仪器平均分为4组，每组包含3个固定式测斜仪、1个土压力计和1个孔隙水压力计。沿监测区域的中轴线两侧15 m、45 m的轴线上各设置1条监测断面，共计4个断面，每个断面布置1组仪器；每组间距30 m，组内的监测仪器之间相距2.5 m。

2.5 监测仪器施工安装

（1）GPS（监测站和基准站）及翻斗式雨量计的施工方式为采用钢筋混凝土浇筑观测墩，在观测墩上安装相应的监测仪器。

（2）土壤含水计的施工方式为地面开挖监测坑，在监测坑侧壁安装4个土壤含水计，安装完成后回填土至与地表平齐。

（3）固定式测斜仪、孔隙水压力计和土压力计的施工方式为地面垂直钻孔，钻孔深度根据排土场实际情况确定，在钻孔内安装相应的监测仪器。其中，固定式测斜仪3个为1组安装在同一个钻孔内，其余仪器每个钻孔内安装1个；土压力计安装完成后需向孔内回填土至与地表平齐。

2.6 监测预警管理系统

通过安装在监测预警中心服务器上的排土场灾害监测预警管理系统软件，可以对排土场灾害的监测指标进行实时监测，了解排土场的运行状态，并根据监测数据进行相应的预警，并通过短信报警和声光报警及时发出预警信息，预警界面如图3所示。

系统界面左侧为菜单栏，包括排土场信息管理、排土场数据监测和排土场灾害预警；右侧以排土场460 m台阶航拍图为背景，显示最新预警信息和各传感器实时监测数据。

3 现场应用

3.1 实现了排土场的在线监测

通过该系统的建立，实现了排土场的在线监测，系统每隔30 min对监测指标进行巡测采样1次，且采样周期可调。该矿排土场灾害监测预警系统自2016年12月建成后，已运行1年半多，系统运行稳定，故障率小于5%（截至2018年7月）。系统建立前，该矿排土场采用人工监测，监测的指标仅有表面位移，而监测准确性低、工作量大；目前，已采用在线监测为主，少量人工监测为辅的方式，同时增加了监测指标，提高了准确性，大大减少了工作量。

3.2 预警结果准确

预警分为单一预警和综合预警2种方式，预警级别分为1～4共4个等级（1级最高），预警过程由系统软件后台自动计算得出，在此不详细介绍。以综合预警为例，2018-07-27 03∶43时发出了3组综合预警等级为4级的预警信息（见图3），对应的监测数据和计算结果（关联度）如表2所示。

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系统预警后，通过短信报警和声光报警向矿山相关人员发出预警信息，前往排土场现场查看后，发现当天大雨，由于降雨量较大导致土壤含水率上升，这也正好同2018-07-27 00:07时发出的降雨量4级单一预警相吻合，说明该系统的预警结果准确。

3.3 排土场稳定性分析

该系统监测数据还可以对排土场稳定性进行分析。以内部位移为例，选择2017-05至2018-05时间段内的部分数据，具体如表3所示。

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由表3可知，到2017-05，内部位移已经很小，最大仅有0.019 7 mm，随着时间推移，内部位移越来越小，到2018-05仅有0.000 4 mm，几乎未发生变化，表明排土场内部趋于稳定（该排土场已经停止排土）。

4 结语

针对贵州矿山排土场安全现状堪忧，而又少有矿山建立了排土场监测系统的问题，以某矿山排土场为例，选择4 500 m2试验区域作为排土场灾害监测区域，以表面位移、内部位移、降雨量、孔隙水压力、内部应力和土壤含水量作为监测指标，建立了矿山排土场灾害监测系统。通过监测预警管理系统软件，可以实时获取监测数据，了解排土场的安全状况，并进行相应的预警。

该监测系统实现了排土场灾害的在线监测，监测精度高，采样周期30 min，系统运行稳定，可代替人工监测；系统预警结果准确，可以对排土场稳定性进行分析。通过在该矿山试验区域内的运行，验证了技术的可行性和实用性，后期可以在整个排土场进行全面布置，进而保障矿山的安全生产和周边人民生命财产安全，也为其他矿山建立排土场监测系统提供参考。