.528· 工程科学学报，第40卷，第5期 全形势，结合新时代背景下安全生产的新要求，围绕 用航天飞机雷达、星载热辐射和反射辐射计获取数 安全监测、灾害预警方法与应急准备、安全管理与标 字高程模型，研究美国坦桑尼亚Geita金矿尾矿库 准规范这三大方面核心内容，梳理总结国内外研究 周边2000年~2006年期间的地形地貌和水文演变 现状及前沿进展，探讨我国尾矿库溃坝灾害防控当 特征：Minacapilli等[3】、Zwissler等[]指出利用红外 前所面临的问题，并尝试提出发展建议，为尾矿库防 热惯量和热红外图像遥感监测土壤或尾矿中水分时 灾减灾理论研究与技术革新提供参考 空分布规律具有巨大应用潜力.近几年，无人机摄 影测量受益于技术成熟和产品商业化，续航能力、极 1尾矿库溃坝灾害防控国内外现状 端条件航行、路径导航、建模算法、模型精度等难题 1.1尾矿库安全监测国内外现状 在一定程度上得到解决，应用于古迹维护、环境保 1.1.1国外现状及前沿进展 护、地质灾害凋查、地图测绘、精准农业等领域取得 安全监测是尾矿库安全管理的耳目，库区健康 了理想的效果4-5).Pajares]列举了大量无人机 运营、事故预防及应急响应均离不开准确及时的监 遥感技术在各个行业的应用实例，所搭载的传感器 测信息.国外尾矿库设计规定的监测内容包括位 类型包括普通相机、热红外相机、Lidar激光扫描仪、 移、渗流、坝基稳定性等坝体安全指标，以及扬尘、地 多光谱和高光谱传感器、合成孔径雷达(SAR)、化学 表水、地下水等环境指标9-20)，而相关研究多见于 传感器、磁传感器、声呐等，可借鉴用于尾矿库干滩 环境污染的监测[21-2].安全监测方面，加拿大黄金 面、尾矿温湿度等指标的快速监测：巴西Samarco铁 公司(Goldcorp)[]为保障BC省一处已闭库、缺乏 矿尾矿库2]除采用常规监测手段外，自2013年开 人员看管的银矿尾矿库安全，引进了由太阳能供电、 始施行月度周期的无人机影像监测及地形测量，监 数据收集、无线传输、自动测量、气象站、图像采集等 测数据为溃坝事故调查提供了重要依据；Peternel 模块集合而成的Trimble T4D智能化自动监测系 等[36]通过无人机摄影测量三维建模，分析2a期间 统，包含最优化布置的水位、孔隙水压力、位移等传 内某山体表面高程和体积变化规律，揭示出了该山 感器，保证监测信息实时汇总至管理人员：Vanden 体的滑坡运动模式. Berghe等2]研究指出合格的监测方案除水位、坝体 1.1.2国内现状及前沿进展 位移等参数外，还应涉及基于实时监测数据的坝体 近些年在监管部门严格监督与矿山企业积极配 稳定性评估、潜在溃坝形式特点及其关键监测参数 合下，我国尾矿库安全监测普及率大幅提高，大大改 体现、预警等级划分及其相应对策：Zandarin等2] 善了刊矿山安全保障水平.根据现行《尾矿库安全监 认为毛细现象对坝体稳定性至关重要，建议在安全 测技术规范》[列与《尾矿库在线安全监测系统工程 监测中新增毛细水位测量指标. 技术规范》[3]要求，尾矿库安全监测需与人工巡查、 在安全监测新技术的研究与应用方面，Couliba- 库区安全检查结合并进行比测，规定需监测坝体位 y等2]、Sjodahl等]分别使用电阻率成像仪探测 移、渗流、干滩、库水位，四等库及以上还需监测降水 了加拿大Westwood与瑞典南部Enemossen尾矿坝 量，另酌情监测孔隙水压力、渗透水量、浑浊度，三等 内部含水饱和度、裂缝及变形情况，展现出地球物理 库及以上需安装在线监测系统. 方法在尾矿坝监测中的应用前景：Colombo和Mac- 国内学者围绕上述监测内容在工程实践中所遇 Donald2]尝试使用千涉合成孔径雷达(InSAR)技术 到的问题开展了大量研究.针对浸润线观测准确度 监测非洲两座露天矿地貌演化与尾矿坝变形，以及 低的问题，李晓新等]设计了基于高密度电阻率法 波兰某煤矿地下开采引起的地表沉降，并取得了理 的监测方案：袁子清等[0]提出了基于实时浸润线与 想的效果：Palmer[]指出大型滑坡事故在产生致命 库水位的渗流反推法.为解决系统稳定性差的难 破坏之前通常可观测到数月或数年的缓速蠕变，卫 题，陈凯等[研究了监测系统防护、封装、分布式供 星遥感可在地质灾害防控方面发挥重要作用，譬如 电、混合式Mesh网络通信等技术，以保障极端气象 欧洲航天局于2017年3月部署完成的两颗“哨兵2 条件下的数据稳定获取：王利岗等[2-)基于ZigBee 号”卫星可实现每间隔5d对同一区域的遥感监测； 无线传感技术设计了具有自愈、自组网能力的在线 Schmidt等[3o]通过处理卫星数据提取地形图和航摄 监测系统，归纳了防雷保护措施与注意事项，以期提 影像，监测墨西哥某长达11km的尾矿坝，克服了传 高系统运行稳定性：余乐文等[]设计了风光互补冗 统测量方法劳动强度大、危险性高等缺点，为库区建 余供电系统，保障监测数据的连续采集.关于尾矿 设与运营提供了宝贵参考资料：Emel等[3]探索使 库安全监测的发展趋势，于广明等4]认为系统组成工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 全形势,结合新时代背景下安全生产的新要求,围绕 安全监测、灾害预警方法与应急准备、安全管理与标 准规范这三大方面核心内容,梳理总结国内外研究 现状及前沿进展,探讨我国尾矿库溃坝灾害防控当 前所面临的问题,并尝试提出发展建议,为尾矿库防 灾减灾理论研究与技术革新提供参考. 1 尾矿库溃坝灾害防控国内外现状 1郾 1 尾矿库安全监测国内外现状 1郾 1郾 1 国外现状及前沿进展 安全监测是尾矿库安全管理的耳目,库区健康 运营、事故预防及应急响应均离不开准确及时的监 测信息. 国外尾矿库设计规定的监测内容包括位 移、渗流、坝基稳定性等坝体安全指标,以及扬尘、地 表水、地下水等环境指标[19鄄鄄20] ,而相关研究多见于 环境污染的监测[21鄄鄄22] . 安全监测方面,加拿大黄金 公司(Goldcorp) [23] 为保障 BC 省一处已闭库、缺乏 人员看管的银矿尾矿库安全,引进了由太阳能供电、 数据收集、无线传输、自动测量、气象站、图像采集等 模块集合而成的 Trimble T4D 智能化自动监测系 统,包含最优化布置的水位、孔隙水压力、位移等传 感器,保证监测信息实时汇总至管理人员;Vanden Berghe 等[24]研究指出合格的监测方案除水位、坝体 位移等参数外,还应涉及基于实时监测数据的坝体 稳定性评估、潜在溃坝形式特点及其关键监测参数 体现、预警等级划分及其相应对策;Zandar侏n 等[25] 认为毛细现象对坝体稳定性至关重要,建议在安全 监测中新增毛细水位测量指标. 在安全监测新技术的研究与应用方面,Couliba鄄 ly 等[26] 、Sj觟dahl 等[27] 分别使用电阻率成像仪探测 了加拿大 Westwood 与瑞典南部 Enemossen 尾矿坝 内部含水饱和度、裂缝及变形情况,展现出地球物理 方法在尾矿坝监测中的应用前景;Colombo 和 Mac鄄 Donald [28]尝试使用干涉合成孔径雷达(InSAR)技术 监测非洲两座露天矿地貌演化与尾矿坝变形,以及 波兰某煤矿地下开采引起的地表沉降,并取得了理 想的效果;Palmer [29]指出大型滑坡事故在产生致命 破坏之前通常可观测到数月或数年的缓速蠕变,卫 星遥感可在地质灾害防控方面发挥重要作用,譬如 欧洲航天局于 2017 年 3 月部署完成的两颗“哨兵 2 号冶卫星可实现每间隔 5 d 对同一区域的遥感监测; Schmidt 等[30]通过处理卫星数据提取地形图和航摄 影像,监测墨西哥某长达 11 km 的尾矿坝,克服了传 统测量方法劳动强度大、危险性高等缺点,为库区建 设与运营提供了宝贵参考资料;Emel 等[31] 探索使 用航天飞机雷达、星载热辐射和反射辐射计获取数 字高程模型,研究美国坦桑尼亚 Geita 金矿尾矿库 周边 2000 年 ~ 2006 年期间的地形地貌和水文演变 特征;Minacapilli 等[32] 、Zwissler 等[33] 指出利用红外 热惯量和热红外图像遥感监测土壤或尾矿中水分时 空分布规律具有巨大应用潜力. 近几年,无人机摄 影测量受益于技术成熟和产品商业化,续航能力、极 端条件航行、路径导航、建模算法、模型精度等难题 在一定程度上得到解决,应用于古迹维护、环境保 护、地质灾害调查、地图测绘、精准农业等领域取得 了理想的效果[34鄄鄄35] . Pajares [35] 列举了大量无人机 遥感技术在各个行业的应用实例,所搭载的传感器 类型包括普通相机、热红外相机、Lidar 激光扫描仪、 多光谱和高光谱传感器、合成孔径雷达(SAR)、化学 传感器、磁传感器、声呐等,可借鉴用于尾矿库干滩 面、尾矿温湿度等指标的快速监测;巴西 Samarco 铁 矿尾矿库[12] 除采用常规监测手段外,自 2013 年开 始施行月度周期的无人机影像监测及地形测量,监 测数据为溃坝事故调查提供了重要依据;Peternel 等[36]通过无人机摄影测量三维建模,分析 2 a 期间 内某山体表面高程和体积变化规律,揭示出了该山 体的滑坡运动模式. 1郾 1郾 2 国内现状及前沿进展 近些年在监管部门严格监督与矿山企业积极配 合下,我国尾矿库安全监测普及率大幅提高,大大改 善了矿山安全保障水平. 根据现行《尾矿库安全监 测技术规范》 [37]与《尾矿库在线安全监测系统工程 技术规范》 [38]要求,尾矿库安全监测需与人工巡查、 库区安全检查结合并进行比测,规定需监测坝体位 移、渗流、干滩、库水位,四等库及以上还需监测降水 量,另酌情监测孔隙水压力、渗透水量、浑浊度,三等 库及以上需安装在线监测系统. 国内学者围绕上述监测内容在工程实践中所遇 到的问题开展了大量研究. 针对浸润线观测准确度 低的问题,李晓新等[39]设计了基于高密度电阻率法 的监测方案;袁子清等[40]提出了基于实时浸润线与 库水位的渗流反推法. 为解决系统稳定性差的难 题,陈凯等[41]研究了监测系统防护、封装、分布式供 电、混合式 Mesh 网络通信等技术,以保障极端气象 条件下的数据稳定获取;王利岗等[42鄄鄄43] 基于 ZigBee 无线传感技术设计了具有自愈、自组网能力的在线 监测系统,归纳了防雷保护措施与注意事项,以期提 高系统运行稳定性;余乐文等[44]设计了风光互补冗 余供电系统,保障监测数据的连续采集. 关于尾矿 库安全监测的发展趋势,于广明等[45]认为系统组成 ·528·