倪 微，郑 红
（中船重工（武汉）凌久高科有限公司，湖北 武汉 430074）
尾矿库是保存精矿筛选后“残留”废渣的重要设施，长期堆存易成为具有高势能的人造泥石流危险源，一旦发生溃坝事故会带来巨大的财产损失与人员伤亡[1]。根据国家应急管理部统计资料显示，截至2020 年3 月，我国仍有尾矿库8000 余座，其中“头顶库”为1112 座，对下游居民的安全造成巨大的威胁。如何保证尾矿库的安全运行逐渐成为制约矿业发展的瓶颈问题[2]。
随着国家大力加强尾矿库在线安全监测系统的建设，对尾矿库的安全生产起到了巨大的促进作用[3]。与此同时，尾矿库在线安全监测系统存在覆盖面小，稳定性差，风险预警能力小等问题。张家荣等人[4]通过尾矿库溃坝泄漏的事故统计分析以及刘紫曜[5]通过对我国尾矿库动态监测的现状分析，都说明了尾矿库在线安全监测系统的必要性与可行性；白旭东[6]提出一方面通过优化尾矿库在线监测安全管理方案，另一方面通过监测系统维护与人际协作等方式提高尾矿库安全管理水平，但这些研究都没有针对尾矿库在线安全监测系统的稳定性提出具体的改善措施。
本文首先介绍了尾矿库在线安全监测系统的主要组成模块与功能框架，通过对我国尾矿库安全监测系统的现状进行分析，研究其在运行及推广过程中存在的问题，并提出具体对策建议，为尾矿库的安全监测与安全管理决策提供有力支持，以期提高尾矿库在线安全监测系统的监测预警能力，保障企业的安全生产。
1 尾矿库在线安全监测系统概述
1.1 尾矿库在线监测系统组成
尾矿库在线监测系统主要由四部分组成：第一部分为现场传感模块，主要由表面位移、内部位移监测，降雨量、库水位、浸润线、渗流量监测与视频监控等子系统组成；第二部分为数据采集与传输模块，具体功能为利用多点同类信号采集仪对数据进行采集后传输至尾矿库在线监测系统；第三部分为现场监测设备模块，本模块通过对各子系统的监测数据进行计算分析，向监测中心值班人员提供日常管理数据、监测数据以及报警数据；第四部分是中心网络发布数据模块，企业各级部门可通过此模块随时查看尾矿库整体运行状态，并根据不同状态采取不同应对措施。系统构成示意图如图1 所示：
图1 在线监测系统构成示意图
如图1 所示，尾矿库在线安全监测系统通过对传感器采集的数据进行整理和上传，通过企业局域网与指定服务器，向公司各级别管理人员与地方应急管理部门实时发布尾矿库运行信息。通过以上四个部分共同作用，尾矿库在线安全监测系统具有采集、显示、存储、通信与报警等功能，可对尾矿库的实时状态进行监测、预警与报警。
1.2 尾矿库在线监测系统功能
尾矿库在线监测系统应具有基础的系统管理功能、监测信息迅速响应报警功能、监测报警数据跟踪记录功能、监测数据分析处理及可视化功能与应急救援功能。
（1）尾矿库在线监测系统应具备基本的用户分级的权限管理功能，不同级别的人员具有查看或者编辑系统参数的权限；具有用户账户及密码管理，系统采集、传输及存储数据的定期备份及恢复功能；具有详细的用户操作手册，为操作人员提供在线指导及帮助。除了用户信息管理，操作人员可以在系统对不同尾矿库监测参数的各级预警及报警的阈值进行设置，并支持用户对各类监测点位数据报表进行编辑以及导出，用户可以通过系统巡查等功能检测各类传感器监测数据的采集、传输等工作状态。
（2）尾矿库在线监测系统应对实时监测数据进行分析处理，当监测数据即将超过或已超过警戒值时，应当通过醒目文字、语音短信、闪烁灯光等形式向安全管理人员发出预警及警报，管理人员应在极短的时间做出反应，否则监测系统应持续或者向更高一级的管理人员发出警报。
（3）在线监测系统还应对历次预警及报警数据进行跟踪记录。尾矿库在线监测系统通过实时记录预警、报警信息点位的基本信息，并对点位的安全状态及安全参数提高监测记录频率。除此之外，监测系统还应对预警及报警信息的频率、变化趋势进行记录与分析，可供操作人员随时调阅报警参数与趋势曲线。
（4）除了监测、预警及报警功能，系统还应根据尾矿库的安全管理体系、监测数据的预警及报警数据与数据历史变化趋势曲线，向操作人员展示相应的应急救援预案（预案由用户提前上传至系统），并能对尾矿库的应急救援物资、救援专家与救援队伍的信息进行管理，而且具有操作人员可对特定救援人员进行群呼等功能。
2 尾矿库在线安全监测系统现状分析
为保障尾矿库安全运行，保护下游居民的生命及财产安全，国家持续建立健全法规标准体系，先后发布AQ 2030-2010《尾矿库安全监测技术规范》、GB 51108-2015《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》等标准规范。通过持续推广先进适用技术，目前我国三等以上的尾矿库已全部建立在线安全监测系统。不过，2001 年至2015 年间，我国仍发生各类尾矿库事故99 起，其中溃坝事故69 起，占比69.7%，对下游环境与人民生命财产安全带来了巨大损失。近几年尾矿库事故发生的重要原因之一就是在线监测系统未达到要求的监测预警功能，导致尾矿库安全风险监测预警机制未能起到有效的作用。由于我国的尾矿库种类繁多，分布极广，且所处地质环境复杂，相当一部分尾矿所处的环境气候、通信条件极差，导致尾矿库在线安全监测系统运行维护成本高，很多中小企业难以承受系统的更新及维护成本，所以尾矿库在线安全监测系统面临以下问题：
（1）占尾矿库数量最多的四等、五等库大都尚未安装尾矿库在线安全监测系统。由于尾矿库发展较久，且政府对于低等别尾矿库监管较松，并没有提出对四等、五等尾矿库的在线安全监测系统建设要求，所以低等别尾矿库的安全管理工作更为粗放；另一方面，四等与五等这类低等库与个别的高等库仍采用人工监测的形式，由工作人员携带传统仪器到尾矿库现场，对浸润线、干滩等项目进行测量与数据采集工作，不仅工作量大，而且易受恶劣天气的影响，一旦出现恶劣天气，操作人员将无法及时获取尾矿的最新状态，且受人工测量误差大的影响，坝体即使出现隐患也无法及时分析并做出有效的应急管理措施，故低等别尾矿库面临更高的溃坝风险。
（2）企业建立的尾矿库在线安全监测系统未能正常运行，或缺少部分功能，或未按照尾矿库等别配置齐全的监测设备，且未配备专业的系统维护人员。由于尾矿库在线监测系统的建设与运行成本较高，不少中小企业难以维持，在线监测系统的运行维护与校正工作不能保证，系统未能正常运行，常常是监测指标不满足国家及行业相关标准要求，或根本没有运行，且在尾矿库在线监测系统出现故障下，缺少专业的技术人员进行及时的更新与维修工作，这类情况在二等、三等与四等尾矿库中存在较多，故无法保证尾矿库在线监测系统预警的功能要求。
（3）尾矿库在线监测系统外部监测设备的精度达不到规定的要求，且可靠性较差。不少尾矿库在线监测系统初期建设混乱，监测设备质量良莠不齐，在线监测系统的监测项目与技术要求不一致，且监测设备的可靠性与耐用性较差，难以保证监测时长与通信的稳定性，不能满足在恶劣环境下的稳定运行的要求。与此同时，监测项目与技术要求的差异导致地方应急管理部门建设统一的预警平台十分困难，不同尾矿库企业之间监测数据指标不同导致应急管理部门数据采集工作难以推进，地方政府监测预警平台的风险防控能力被大大降低。
（4）尾矿库位置大都较为偏僻，多为人迹罕至的山区，尾矿库安全管理模式较为落后，很多尾矿库的坝体巡检人员及安全监测人员不具备相关专业知识，不能对监测及预警数据进行有效、及时地分析处理，同样降低了尾矿库在线安全监测系统的监测预警能力。
3 对策分析
结合尾矿库在线安全监测系统的运行特点，本文提出以下几方面的对策，以提升在线监测系统稳定运行能力与风险防控能力。
（1）推动尾矿库在线安全监测系统第三方服务机构的发展。软件开发企业将监测系统服务端部署在云端，企业根据尾矿库实际情况定制所需产品（例如不同尾矿库有不同监测指标类别与精度的要求等），企业无需购买硬件、软件与专职系统运行维护人员，软件服务机构自动将监测系统采集与报警数据发送至用户，可减少尾矿库企业的资金与人员投入，同时也使得在线监测系统更加规范化，促进尾矿库在线安全监测系统的配置与推广。
（2）进一步扩大尾矿库在线安全监测系统的覆盖范围，对低等别的尾矿库，可降低监测指标，通过前期的风险评估，确定易导致溃坝的风险点，对个别风险点进行监测；与此同时，加强政府监管，通过加强对尾矿库在线监测系统现状评价与可靠性评估（包括在线监测系统的安全性、适用性、耐久性与稳定性），以及落实整改机制，减少尾矿库在线监测系统“建而不用”等问题，提高尾矿库安全生产风险监测预警能力。与此同时，低等别尾矿库中的湿排尾矿库要实现对坝体位移、浸润线、库水位等的在线监测和重要部位的视频监控，干式堆存尾矿库要实现对坝体表面位移的在线监测。
（3）除了进一步扩大尾矿库在线安全监测系统在不同等别尾矿库中的覆盖范围，另一方面，可通过结合物理实验研究尾矿库中尾矿砂的级配曲线、抗剪强度等基础参数为尾矿库风险评估提供基础参数，从而帮助确定尾矿库在线安全监测系统的监测指标；通过结合FLAC 等有限元软件建立尾矿库计算模型，计算并分析尾矿坝在尾矿库正常作业期间的静力学与动力学行为，得出尾矿坝的应力、应变、速度等指标的分布规律，以优化尾矿库在线安全监测系统的工作效率。尾矿库在线监测方案优化流程如图2 所示，结合物理实验与数值模拟研究影响尾矿坝稳定性的相关因素，最后通过尾矿库的风险评估优化尾矿库的监测方案，调整监测指标，监测点位及基础参数，达到优化尾矿库在线安全监测的目标。
图2 尾矿库在线监测方案优化
（4）采用冗余配置在线监测系统的通信模块，利用有线通信与5G 无线通信相互辅助的方式增加系统通信与传输的可靠度；提高监测设备要求，以满足在高温、高湿以及山区低温干燥等恶劣环境下的稳定性，降低设备的失效率及更换频率，在降低设备换代成本的同时也保证了监测数据高效、持续记录；提高尾矿库在线安全监测系统的硬件雷电防护能力。
（5）通过建立地方政府的综合监管网络平台，推进不同等别尾矿库监测项目、技术要求规范化建设。地方各级应急管理部门要建立完善尾矿库安全风险监测预警信息平台，实现与企业尾矿库在线安全监测系统的互联互通；同时，各省的尾矿库安全风险相关信息要接入国家灾害风险综合监测预警信息平台，提高尾矿库安全监管的信息化水平。
4 结束语
通过推动尾矿库在线安全监测系统第三方服务机构发展、进一步扩大尾矿库在线安全监测系统的覆盖范围、通过加强对尾矿库在线监测系统现状评价机制、采用冗余配置在线监测系统的通信模块、建立地方政府的综合监管网络平台等方式推动尾矿库在线安全监测系统的覆盖范围与稳定性。
只有政府与企业加强对系统的监管，不断推进最新技术的应用才能提升系统的稳定性，降低系统的维护成本，才能提高尾矿库企业的安全生产管理水平与风险防控能力，从而保障人民的生命财产安全。
