尾矿库安全运行的保障

尾矿库在线监测系统各种监测数据实时显示

　　我国金属非金属矿山每年产出尾矿约3亿t，基本上堆存在约1万1946座尾矿库中。这些库中最大设计坝高260m，超过100m的有26座，库容大于1亿m3的有10座。坝高小于30m的小库占80%左右，但20%的大、中型库中堆积的尾矿占全国尾矿总量的80%。由于尾矿库的建设标准低，筑坝、维护、管理技术水平较差，缺乏监测措施，大量的尾矿库带病运行，而且得不到有效的诊断与治理，其安全状况不容乐观。自2001年以来，全国共发生73起尾矿库溃坝事故，造成500余人死亡，事故起数和死亡人数呈逐年上升态势，安全形势十分严峻。

　　截至2011年5月底，我国共有2 369座危、险、病尾矿库，这是一个巨大的潜在隐患，近些年尾矿库溃坝事故频发，给人民生命财产、社会稳定带来了巨大损失和危害。这些事故的发生，除了管理因素之外，其主要的技术原因是对尾矿库致灾因素及致灾机理的认识不够;尾矿坝内部隐患未进行有效探清;尾矿库溃坝风险分析技术不成熟;尾矿库监测技术水平落后，没有成熟的尾矿库安全监测、预警系统。因此，我国安全生产市场急需尾矿库溃坝灾害的诊断、监测与风险分析技术和产品。

　　我国尾矿库的监测技术还处于起步阶段。尾矿库的管涌流土、地震液化等坝体内部致灾因素引起坝坡失稳的预警技术基本属于空白，其监测、预警技术的研究成果较少，亟需进行攻关，提高监测技术水平。

研究过程

　　针对尾矿库溃坝隐患探测、灾害预防、在线监测预警所遇到的关键技术问题，中国安全生产科学研究院矿山安全技术研究所“尾矿库隐患无损诊断、风险分级与监测预警技术研究”项目课题组围绕尾矿坝安全如何判定、尾矿库下游安全状况如何确定、采取什么科技手段来保证尾矿库安全等3个方面开展研究，结合试点单位的实际需求，基于尾矿库溃坝致灾机理与典型灾害三维数值模拟仿真技术，将综合物探技术、尾矿坝风险指标体系与评价方法、尾矿库溃坝淹没范围确定与后果严重度计算方法、尾矿库在线监测技术与装备、尾矿库定量预警指标及确定技术，在试点单位实际应用，并收到良好效果。

　　尾矿库溃坝致灾机理及演化规律研究

　　课题组采用理论分析、室内试验、现场试验和数值模拟相结合的方法，归纳总结了尾矿库各种安全事故的致灾因素，研究分析了尾矿库坝坡失稳、尾矿库库内滑坡、洪水漫顶、地震液化、坝体开裂、流土和管涌等渗透破坏、防渗措施失效等事故的致灾机理，重点通过试验研究分析了管涌演化过程及规律。

　　尾矿库堆积坝实际物理力学特性和尾矿坝开裂三维数值模拟技术研究

　　课题组针对尾矿库不同堆坝材料，进行了渗透特性试验、常规三轴压缩试验、动三轴试验等，得到了堆坝材料的渗透特性、物理力学特性以及动力反应特性，通过模型比选和分析，确定了能够反映堆坝材料特性的非线性数学模型。

　　基于有限元理论和比奥固结理论，建立了尾矿库静力变形和静力稳定、动力变形和动力稳定以及尾矿坝坝体开裂的有限元三维数值仿真模型并研究了相应的数值仿真方法。

　　制定尾矿库安全等级划分标准

　　课题组结合尾矿坝隐患的性质和特点，在分析地质情况、坝体结构特征和周围环境的基础上，采用高密度电法仪、地质雷达和核磁共振找水法等综合物探手段，探明了隐患的分布范围、规模及埋深等情况，为后期治理尾矿坝病害及安全性评价提供了依据。

尾矿库溃坝范围

　　根据国家法律法规、部门规章、尾矿库安全技术规程，课题组制定了尾矿库周边环境、尾矿坝、排洪系统、防排渗、筑坝和放矿等6大类78个子项安全检查表，结合有限元应力变形分析法、极限平衡法和渗流分析方法的计算结果，进行了尾矿库风险评估。

　　综合尾矿坝内隐患诊断情况和尾矿库现场隐患辨识结果，尾矿坝坝体稳定性、防洪能力、抗震能力及其它影响尾矿库安全运行5个指标，制定了尾矿库安全等级划分标准，量化评价尾矿库安全等级。

　　制定尾矿库溃坝风险等级划分研究

　　在系统研究尾矿库溃坝模式和溃坝路径的基础上，课题组应用动态分级及相关性分析等数值分析方法，研究了致灾因素与尾矿坝风险之间的非线性关系，建立了尾矿库溃坝风险分级指标体系。

　　以模糊理论、数值分析等方法为基础，以定量化的数学指标求证尾矿库系统的安全性和安全程度，将包括溃坝风险分级指标在内的尾矿库系统安全性的评价指标进行了分类和分级，建立了尾矿库系统风险评价模型及评价方法。

　　尾矿库在线监测预警技术研究

　　课题组在总结与借鉴土石坝工程和混凝土坝工程坝体位移监测技术的基础上，研究了尾矿库坝内渗流、压力传感网络技术和尾矿库坝面位移GPS、全站仪监测技术。并研究了传感器的合理布置网络、数据远程传输技术和后台数据处理技术。

尾矿库溃坝灾害监测预警系统结构示意图

　　研究尾矿库监测多传感数据的统一传输、集中控制和实时分析处理技术，建立尾矿库坝内渗流、压力传感网络技术与坝面位移监测技术融合下的尾矿库溃坝灾害监测和预警系统;基于比奥固结理论和强度折减有限元方法、坝体三维渗流有限元模拟技术，提出浸润线埋深和坝体位移的定量预警方法，并开发相应的后台数据处理软件。

　　将研究尾矿库安全监测预警技术中开发的尾矿库坝内渗流、应力传感网络技术和坝面位移监测技术同时应用于示范工程，实现溃坝事故灾害的实时监测和超前预警。

成果应用

　　该研究成果已分别在和尚峪尾矿库、白枣峪尾矿库、郝家庄尾矿库、鞍子沟尾矿库、建昌尾矿库、陈坑尾矿库、大岽背尾矿库、曙光金铜矿尾矿库、后井尾矿库等9个尾矿库建立了尾矿库在线监测与预警系统，并探测、诊断出和尚峪尾矿库等12座尾矿坝坝内裂缝、松散软弱夹层等隐患，为隐患治理提供了依据，还确定了北京市38座尾矿库和大岽背尾矿库、马坑尾矿库运行安全等级和溃坝风险等级。

发展前景

　　尾矿库在线监测预警系统应用前景广阔。项目研发的尾矿库在线监测预警系统可应用于我国尾矿库的自动化监测中，项目的研究工作推动了我国尾矿库的整体管理水平，可以降低尾矿库的社会风险，进一步保障库区周边人民群众生命和财产安全。

　　尾矿库坝内无损诊断与分析技术应用市场前景良好。据统计，全国带病运行的尾矿库在3000座左右，大都是因为浸润线过高、局部存在软弱夹层、管涌、流土或深部贯穿性裂缝而引起，现有的人工探视方法和地质钻探均不能满足快捷、精细、准确和无损伤等要求。基于综合物探法尾矿坝内部隐患无损诊断技术，能够达到不破坏坝体、快速准确，因此具有良好的市场应用前景。

　　该研究成果为政府尾矿库安全监管提供了技术支撑。课题研发的尾矿库普查和管理系统应用到全国尾矿库基础数据的普查工作中，为全国尾矿库专项整治行动的开展奠定了坚实的数据基础，能够对全国尾矿库的基础数据实施定期管理和评估。此外，课题通过研究形成的《尾矿库运行期安全等级规定》的安全标准，对尾矿库运行期安全等级的划分给出了准确的评判方法，有望指导今后我国尾矿库现状评价和尾矿库风险评估工作，具有较大的社会效益。

　　我国尾矿库数量多、安全水平总体偏低，尾矿库对社会及其环境构成了较大的风险，本项目的研究成果直接应用于我国尾矿库的风险评估、隐患无损诊断、日常监测和灾害预警、政府决策，产生了巨大的社会效益和环境效益。目前我国仍存在大量的危、险、病库，尾矿库安全形势严峻。项目研究内容针对的是目前我国金属非金属矿山急需解决的重大、关键、共性问题——尾矿库隐患无损诊断、风险分级及监测预警关键技术问题。因此，项目研究成果从实际需要和实际应用方面具有广阔的应用前景。

　　另外，国家安全生产监督管理总局要求各级企业和政府建立尾矿库在线监测系统，在“国务院安委会办公室关于贯彻落实《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》精神进一步加强非煤矿山安全生产工作的实施意见(安委办[2010]17号)”中明确要求三等以上尾矿库(共有688座)全部安装全过程在线安全监控系统，2013年底前必须全部建成，因此尾矿库在线监测预警系统应用前景广阔。

　　编辑 韩 颖