矿山尾矿库位移监测技术探讨

摘 要：尾矿库是矿山企业的一个重大危险隐患，尾矿库安全监测一刻也不能放松。位移监测技术为矿山企业的安全提供有利保障，发展矿山尾矿库位移监测技术是大势所趋，尾矿库安全监测方法随着监测技术的发展而不断改进。本文对矿山尾矿库位移监测技术进行探讨，以供同行参考。

矿山尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是金属与非金属矿山安全生产的重要环节，也是需要在线监测的重大危险源之一。经初步统计，我国目前约有尾矿库7610座，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%。从安全上看，我国许多的尾矿库都存在诸多问题，如筑坝尾矿粒度细、安全设计标准低等。同时由于我国人口众多，尾矿库难以避开居民区和工业、交通设施，一旦失事，损失巨大，会给人民群众生命财产安全造成重大损失，对环境安全构成重要威胁。

一、矿山尾矿库位移监测的重要性

为了加强对尾矿库的安全管理，我国以立法的形式特别强调了对尾矿设施的安全监督。然而，我国尾矿库的安全监测监控技术还处于起步阶段，尾矿库安全运行的主要技术参数还是靠人工巡检和人工携带仪器设备到现场实地测量相关数据，不仅易受外界环境因素的影响，而且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。

尾矿库安全监测监控系统的实施，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，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。值得注意的是，我国尾矿库数量多、病库率高、分布广，因此尾矿库安全监测监控系统在我国尾矿库安全市场上具有重大需求，具有良好的应用前景。

尾矿库安全监测监控系统能够主要包括以下内容：尾矿库坝体位移监测、尾矿库库区水位监测、尾矿库库区视频监控、其他监测内容还包括如浸润线、干滩、降雨量等。尾矿库发生溃坝灾害，坝体位移是其中最直观的反应指标。对尾矿库坝体位移的掌握，可以及时发现尾矿坝位移率和位移速度，一旦出现险情，及时预警消息。

二、矿山尾矿库位移监测技术

矿山尾矿库坝体位移监测的技术手段有很多，就观测目的而言主要分为平面(水平)位移监测、沉降(垂直)位移监测以及能全方位监测坝体位移情况的三维位移监测等。

1. 平面(水平)位移监测

平面位移监测是指对尾矿库坝体水平位移的监测，有以下几种方法：引张线法、真空激光准直法、小角度法和觇标法等。

2. 沉降(垂直)位移监测

沉降位移监测是指监测尾矿库坝体的垂直位移情况，常用的方法有有精密水准法、静力水准法和分层沉降磁环法等。

3. 三维位移监测

以上各种监测方法是将尾矿库坝体位移监测点的水平位移和垂直位移分别施测，测量成果不具有同时性，降低了成果的科学性和使用价值。使用常规方法观测周期长，无法实时地了解尾矿库坝体的位移情况，其中一些方法的应用还受制于坝型(直线型和曲级型)以及量程。在很长一段时期内，尾矿库位移监测基本采用了上述的方法，不能实现自动化、实时化的连续观测，无法满足安监部门当前对于重大危险源的在线安全监测要求。

随着测量仪器和测量技术的发展，市场上已经出现能实时连续观测监测点水平位移和垂直位移的测量系统，由于此系统测量可直接获取监测点的三维坐标值，故称为“三维位移监测系统”。该系统按监测点位移数据的采集方式可分为GPS 法和自动型全站仪极坐标差分法。采集到的数据通过南方SMOS软件进行处理从而得到监测位移情况。

(1)GPS 法

GPS法是基于全球卫星定位系统来进行尾矿库坝体的位移监测，利用GPS接收机实时采集监测点的坐标，通过南方SMOS软件解算监测点的位移情况和位移速率。GPS法定实时监测精度为：水平位移精度<&plusmn;3mm;垂直位移精度达到5mm。在10km内的短基线上GPS 测量可以获得毫米级的定位精度。

采用GPS法进行尾矿库坝体位移监测的方式为：在监测站位置安装一台或多台GPS接收机，每个监测点对应一台GPS接收机来获得其位移信息，配合南方SMOS软件构成三维位移监测系统。

采用GPS法进行尾矿库坝体位移监测，其特点如下：

① 可以自动获得实时监测数据，通过SMOS软件生成三维坐标变化图和三维坐标变化速率图;

② 受地形限制较小，观测点之间无需通视，只对空开阔，达到4颗卫星即可实现精确观测;

③ 高度自动化，无人值守，全天候监测，不受天气情况的影响;

④ 成本随GPS监测点数量的增加而增加。

(2)自动型全站仪极坐标差分法

自动型全站仪是一种能进行自动搜索、跟踪、辨识和精确找准目标并获取角度、距离、三维坐标以及其他相关信息的智能型全站仪，又被称为测量机器人。极坐标差分法通过自动型全站仪采集监测点的坐标数据，利用南方SMOS软件来计算监测点的位移情况。使用该方法后自动型全站仪的测量精度可以达到亚毫米级。

采用自动型全站仪极坐标差分法进行尾矿坝坝体位移的监测的方式为：一台全自动测量全站仪与数个监测点目标(棱镜)及SMOS软件构成三维位移监测系统。

采用自动型全站仪极坐标差分法来进行尾矿库坝体位移的监测，其特点如下

① 无需人工干预，全自动采集，自动获取三维坐标信息、传输、与处理监测点的三维数据;

② 测量精度高，经过软件差分解算后可达到亚毫米级;

③ 反射棱镜价格低廉，监测点的布设成本低，有利于增加监测点数。

通过以上比较可以得知，目前三维位移监测的方案主要有GPS法和自动型全站仪极坐标差分法，两者采用不同的数据采集部分都可以实现监测点坐标数据的自动采集，通过SMOS软件来实现对尾矿库坝体位移的监测。

根据尾矿库的情况的不同，采用多样的监测技术手段，以达到最优监测效果：针对坝体规模大、通视性差、存在遮挡的尾矿坝坝体，采用GPS法进行监测;针对坝体规模较小、通视性好的尾矿坝，采用自动测量机器人极坐标差分法来进行监测。这两种技术，在尾矿库坝体位移监测中可以根据工程的具体情况，取长补短互相搭配使用，设计出最优的方案，以达到最佳的监测效果。

三、位移在线监测手段

坝体位移监测主要包括坝面位移监测和坝内位移监测，其监测方法和仪器设备种类很多。坝面位移监测可使用全自动全站仪或GPS监测技术等，坝体内部位移监测使用倾斜仪和沉降仪。

坝面位移监测

全自动全站仪，可以自动搜索、跟踪、辨识和精确找准目标并测量角度、距离、三维坐标以及影像等信息。全站仪与监测点目标( 照准棱镜) 及计算机形成变形监测系统，可实现全天候监测，并自动数据采集、传输与处理变形点的三维数据。这种方法成本低，管理维护便捷，监测精度高。GPS变形监测系统是基于全球卫星定位系统来进行坝体变形监测，它具有全天候监测抗干扰强精度高等特点，但是其系统维护量大，费用也较大。

2. 坝内位移监测

固定测斜仪适用于坝体变形的长期监测，基本原理是使用测斜仪准确测量坝体的钻孔内局部的倾斜度。仪器安装于带标准导槽的的测斜管中，通过测量滑轮的倾斜长度和角度从而计算出横向和纵向水平位移。

土体沉降仪( 位移计) 是通过将整套仪器安装在钻孔中监测灌浆锚头和沉降板之间的土体压缩沉降变形量。此外，还有坝面自动水准仪等监测仪器用于监测坝体沉降。

坝体位移监测子系统是尾矿库在线监测系统的重要组成部分，也是在线监测系统安全经费投入中比重最大的子系统，主要是因为坝体位移是溃坝灾害演化过程的直观反应指标。特别是采用GPS、全自动全站仪等监测手段时，安全经费投入更大，应充分发挥其灾变直观反应的作用，实现灾害有效预警。

结束语

尾矿库坝体位移监测技术在近二十年的时间内，在国际上已经发展得比较成熟，应用广泛。我国应用这类技术还是近十年的事情，时间较短。但从尾矿库坝体位移监测工程的应用上已取得了零的突破，逐步为业内人士所认可。

从尾矿库坝体位移监测工作的需求来看，采用三维位移监测技术还仅仅是开始。从目前尾矿库安全的现状来看，应尽快在尾矿库监测监控中配置这种真正意义上的三维位移监测系统。将尾矿库的安全管理纳入现代科学的范畴之内，科学、即时、有效的监测监控，以确保人民生命财产的安全和社会的稳定，为构建和谐的生存环境，做出应有的贡献。