尾礦庫隱患無損診斷、風(fēng)險(xiǎn)分級與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究，以防止尾礦庫引發(fā)安全事故為目的，針對尾礦庫潰壩隱患探測、災(zāi)害預(yù)防、在線監(jiān)測預(yù)警所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究。該研究成果已分別在9個(gè)尾礦庫建立了在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，并探測、診斷出12座尾礦壩壩內(nèi)裂縫、松散軟弱夾層等隱患，為隱患治理提供了依據(jù)。
　　我國金屬非金屬礦山每年產(chǎn)出尾礦約3億t，基本上堆存在約1萬1946座尾礦庫中。這些庫中最大設(shè)計(jì)壩高260m，超過100m的有26座，庫容大于1億m3的有10座。壩高小于30m的小庫占80%左右，但20%的大、中型庫中堆積的尾礦占全國尾礦總量的80%。由于尾礦庫的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，筑壩、維護(hù)、管理技術(shù)水平較差，缺乏監(jiān)測措施，大量的尾礦庫帶病運(yùn)行，而且得不到有效的診斷與治理，其安全狀況不容樂觀。自2001年以來，全國共發(fā)生73起尾礦庫潰壩事故，造成500余人死亡，事故起數(shù)和死亡人數(shù)呈逐年上升態(tài)勢，安全形勢十分嚴(yán)峻。
　　截至2011年5月底，我國共有2 369座危、險(xiǎn)、病尾礦庫，這是一個(gè)巨大的潛在隱患，近些年尾礦庫潰壩事故頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)、社會穩(wěn)定帶來了巨大損失和危害。這些事故的發(fā)生，除了管理因素之外，其主要的技術(shù)原因是對尾礦庫致災(zāi)因素及致災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識不夠；尾礦壩內(nèi)部隱患未進(jìn)行有效探清；尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)不成熟；尾礦庫監(jiān)測技術(shù)水平落后，沒有成熟的尾礦庫安全監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)。因此，我國安全生產(chǎn)市場急需尾礦庫潰壩災(zāi)害的診斷、監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)和產(chǎn)品。
　　我國尾礦庫的監(jiān)測技術(shù)還處于起步階段。尾礦庫的管涌流土、地震液化等壩體內(nèi)部致災(zāi)因素引起壩坡失穩(wěn)的預(yù)警技術(shù)基本屬于空白，其監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)的研究成果較少，亟需進(jìn)行攻關(guān)，提高監(jiān)測技術(shù)水平。
　　研究過程
　　針對尾礦庫潰壩隱患探測、災(zāi)害預(yù)防、在線監(jiān)測預(yù)警所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院礦山安全技術(shù)研究所“尾礦庫隱患無損診斷、風(fēng)險(xiǎn)分級與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究”項(xiàng)目課題組圍繞尾礦壩安全如何判定、尾礦庫下游安全狀況如何確定、采取什么科技手段來保證尾礦庫安全等3個(gè)方面開展研究，結(jié)合試點(diǎn)單位的實(shí)際需求，基于尾礦庫潰壩致災(zāi)機(jī)理與典型災(zāi)害三維數(shù)值模擬仿真技術(shù)，將綜合物探技術(shù)、尾礦壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系與評價(jià)方法、尾礦庫潰壩淹沒范圍確定與后果嚴(yán)重度計(jì)算方法、尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)與裝備、尾礦庫定量預(yù)警指標(biāo)及確定技術(shù)，在試點(diǎn)單位實(shí)際應(yīng)用，并收到良好效果。
　　尾礦庫潰壩致災(zāi)機(jī)理及演化規(guī)律研究
　　課題組采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，歸納總結(jié)了尾礦庫各種安全事故的致災(zāi)因素，研究分析了尾礦庫壩坡失穩(wěn)、尾礦庫庫內(nèi)滑坡、洪水漫頂、地震液化、壩體開裂、流土和管涌等滲透破壞、防滲措施失效等事故的致災(zāi)機(jī)理，重點(diǎn)通過試驗(yàn)研究分析了管涌演化過程及規(guī)律。
　　尾礦庫堆積壩實(shí)際物理力學(xué)特性和尾礦壩開裂三維數(shù)值模擬技術(shù)研究
　　課題組針對尾礦庫不同堆壩材料，進(jìn)行了滲透特性試驗(yàn)、常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)、動三軸試驗(yàn)等，得到了堆壩材料的滲透特性、物理力學(xué)特性以及動力反應(yīng)特性，通過模型比選和分析，確定了能夠反映堆壩材料特性的非線性數(shù)學(xué)模型。
　　基于有限元理論和比奧固結(jié)理論，建立了尾礦庫靜力變形和靜力穩(wěn)定、動力變形和動力穩(wěn)定以及尾礦壩壩體開裂的有限元三維數(shù)值仿真模型并研究了相應(yīng)的數(shù)值仿真方法。
　　制定尾礦庫安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)
　　課題組結(jié)合尾礦壩隱患的性質(zhì)和特點(diǎn)，在分析地質(zhì)情況、壩體結(jié)構(gòu)特征和周圍環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用高密度電法儀、地質(zhì)雷達(dá)和核磁共振找水法等綜合物探手段，探明了隱患的分布范圍、規(guī)模及埋深等情況，為后期治理尾礦壩病害及安全性評價(jià)提供了依據(jù)。
　　根據(jù)國家法律法規(guī)、部門規(guī)章、尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程，課題組制定了尾礦庫周邊環(huán)境、尾礦壩、排洪系統(tǒng)、防排滲、筑壩和放礦等6大類78個(gè)子項(xiàng)安全檢查表，結(jié)合有限元應(yīng)力變形分析法、極限平衡法和滲流分析方法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了尾礦庫風(fēng)險(xiǎn)評估。
　　綜合尾礦壩內(nèi)隱患診斷情況和尾礦庫現(xiàn)場隱患辨識結(jié)果，尾礦壩壩體穩(wěn)定性、防洪能力、抗震能力及其它影響尾礦庫安全運(yùn)行5個(gè)指標(biāo)，制定了尾礦庫安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，量化評價(jià)尾礦庫安全等級。
　　制定尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級劃分研究
　　在系統(tǒng)研究尾礦庫潰壩模式和潰壩路徑的基礎(chǔ)上，課題組應(yīng)用動態(tài)分級及相關(guān)性分析等數(shù)值分析方法，研究了致災(zāi)因素與尾礦壩風(fēng)險(xiǎn)之間的非線性關(guān)系，建立了尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)分級指標(biāo)體系。
　　以模糊理論、數(shù)值分析等方法為基礎(chǔ)，以定量化的數(shù)學(xué)指標(biāo)求證尾礦庫系統(tǒng)的安全性和安全程度，將包括潰壩風(fēng)險(xiǎn)分級指標(biāo)在內(nèi)的尾礦庫系統(tǒng)安全性的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分類和分級，建立了尾礦庫系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型及評價(jià)方法。
　　尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究
　　課題組在總結(jié)與借鑒土石壩工程和混凝土壩工程壩體位移監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究了尾礦庫壩內(nèi)滲流、壓力傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和尾礦庫壩面位移GPS、全站儀監(jiān)測技術(shù)。并研究了傳感器的合理布置網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)和后臺數(shù)據(jù)處理技術(shù)。
　　研究尾礦庫監(jiān)測多傳感數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸、集中控制和實(shí)時(shí)分析處理技術(shù)，建立尾礦庫壩內(nèi)滲流、壓力傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與壩面位移監(jiān)測技術(shù)融合下的尾礦庫潰壩災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)；基于比奧固結(jié)理論和強(qiáng)度折減有限元方法、壩體三維滲流有限元模擬技術(shù)，提出浸潤線埋深和壩體位移的定量預(yù)警方法，并開發(fā)相應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)處理軟件。
　　將研究尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)中開發(fā)的尾礦庫壩內(nèi)滲流、應(yīng)力傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和壩面位移監(jiān)測技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于示范工程，實(shí)現(xiàn)潰壩事故災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測和超前預(yù)警。
　　成果應(yīng)用
　　該研究成果已分別在和尚峪尾礦庫、白棗峪尾礦庫、郝家莊尾礦庫、鞍子溝尾礦庫、建昌尾礦庫、陳坑尾礦庫、大崠背尾礦庫、曙光金銅礦尾礦庫、后井尾礦庫等9個(gè)尾礦庫建立了尾礦庫在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，并探測、診斷出和尚峪尾礦庫等12座尾礦壩壩內(nèi)裂縫、松散軟弱夾層等隱患，為隱患治理提供了依據(jù)，還確定了北京市38座尾礦庫和大崠背尾礦庫、馬坑尾礦庫運(yùn)行安全等級和潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級。
　　發(fā)展前景
　　尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。項(xiàng)目研發(fā)的尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可應(yīng)用于我國尾礦庫的自動化監(jiān)測中，項(xiàng)目的研究工作推動了我國尾礦庫的整體管理水平，可以降低尾礦庫的社會風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步保障庫區(qū)周邊人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。
　　尾礦庫壩內(nèi)無損診斷與分析技術(shù)應(yīng)用市場前景良好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國帶病運(yùn)行的尾礦庫在3000座左右，大都是因?yàn)榻櫨€過高、局部存在軟弱夾層、管涌、流土或深部貫穿性裂縫而引起，現(xiàn)有的人工探視方法和地質(zhì)鉆探均不能滿足快捷、精細(xì)、準(zhǔn)確和無損傷等要求。基于綜合物探法尾礦壩內(nèi)部隱患無損診斷技術(shù)，能夠達(dá)到不破壞壩體、快速準(zhǔn)確，因此具有良好的市場應(yīng)用前景。
　　該研究成果為政府尾礦庫安全監(jiān)管提供了技術(shù)支撐。課題研發(fā)的尾礦庫普查和管理系統(tǒng)應(yīng)用到全國尾礦庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的普查工作中，為全國尾礦庫專項(xiàng)整治行動的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，能夠?qū)θ珖驳V庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)施定期管理和評估。此外，課題通過研究形成的《尾礦庫運(yùn)行期安全等級規(guī)定》的安全標(biāo)準(zhǔn)，對尾礦庫運(yùn)行期安全等級的劃分給出了準(zhǔn)確的評判方法，有望指導(dǎo)今后我國尾礦庫現(xiàn)狀評價(jià)和尾礦庫風(fēng)險(xiǎn)評估工作，具有較大的社會效益。
　　我國尾礦庫數(shù)量多、安全水平總體偏低，尾礦庫對社會及其環(huán)境構(gòu)成了較大的風(fēng)險(xiǎn)，本項(xiàng)目的研究成果直接應(yīng)用于我國尾礦庫的風(fēng)險(xiǎn)評估、隱患無損診斷、日常監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警、政府決策，產(chǎn)生了巨大的社會效益和環(huán)境效益。目前我國仍存在大量的危、險(xiǎn)、病庫，尾礦庫安全形勢嚴(yán)峻。項(xiàng)目研究內(nèi)容針對的是目前我國金屬非金屬礦山急需解決的重大、關(guān)鍵、共性問題——尾礦庫隱患無損診斷、風(fēng)險(xiǎn)分級及監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，項(xiàng)目研究成果從實(shí)際需要和實(shí)際應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　另外，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局要求各級企業(yè)和政府建立尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，在“國務(wù)院安委會辦公室關(guān)于貫徹落實(shí)《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》精神進(jìn)一步加強(qiáng)非煤礦山安全生產(chǎn)工作的實(shí)施意見（安委辦[2010]17號）”中明確要求三等以上尾礦庫（共有688座）全部安裝全過程在線安全監(jiān)控系統(tǒng)，2013年底前必須全部建成，因此尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。