作者；张毅
尾矿库事故的发生不仅会造成重大人员伤亡、经济损失、环境破坏，而且会在社会上造成严重影响。自2001年以来，我国共发生53起尾矿库事故，死亡351人。由于历史原因，很多尾矿库建设初期并未受到重视，直至尾矿库事故频发，造成一系列严重后果后，其安全问题才逐渐受到重点关注。由此导致很多尾矿库技术资料不健全，其中较多中小型尾矿库未经过正规设计，而且，选址不当或选址困难，造成多数尾矿库下游存在生活区、厂房设施或城镇等，一旦发生事故，后果更加严重。
尾矿库数量增长迅速、技术资料不健全、事故后果严重、面临闭库或已经闭库的尾矿库增多等等，这些严峻现状严重威胁着尾矿库安全生产形势的持续好转，安全监管工作开展困难，亟需寻求适合尾矿库安全监管的支撑技术。
国内外关于尾矿库安全问题的研究较多，主要集中在溃坝灾害及风险研究、安全评价与保障体系、事故统计与分析、监控与预警、尾矿库边坡稳定性分析与破坏机理、环境影响、尾矿物理力学性质等专项技术研究中，已取得不少研究成果，对提高尾矿库安全水平起到了不可或缺的作用。但以上研究中对安全监管技术的系统性研究基本属于初级阶段。
针对目前国内外研究中关于尾矿库安全监管技术研究的不足，在对尾矿库设计、建设、运行、闭库等各阶段开展测控、勘察、调研等获取的“大数据”基础上，研究适合尾矿库自身特点的安全监管技术，对提高尾矿库安全监管水平，实现数字化安全监管，有非常重要的学术价值和现实意义。
1 全寿命周期健康档案
1.1 来源与涵义
类比个人健康体检报告，基于“拟人化”健康档案建立思想，将管控对象当作“人”看待，从其孕育到消亡的整个寿命时间历程中，利用三维数字化测控技术与专业调研手段，进行数字化“体检”，获取管控对象寿命周期各阶段的安全状况数据，并按一定规则组织形成数字化档案，即形成管控对象“全寿命周期健康档案”。
1.2尾矿库全寿命周期健康档案
尾矿库全寿命周期的时间历程主要包括3个阶段：建设期、运行期、闭库及再利用期。由于运行期在尾矿库全寿命周期中安全监管任务最重，与矿山安全生产关系密切，因此这里以运行期为例（其他阶段另文详述），说明尾矿库运行期健康档案主要内容。
从安全监管角度出发，尾矿库的安全设施主要包括：①堆存系统；②排水系统；③其他。尾矿库三大系统对应安全特征要素见图1。
在尾矿库运行期，随着堆积坝的增高，定期或每一级子坝堆积完成时，通过三维激光扫描仪对尾矿库主要组成系统全面扫描，获取三维点云数据，构建三维几何场，并以此为载体，结合调研、勘察、在线安全监测等相关安全状况数据，形成尾矿库运行期健康档案。
2 尾矿库全寿命周期DADT循环管控
2.1 全寿命周期DADT循环管控技术理论
尾矿库、排土场等矿山重大危险源的安全监管，由于缺少对危险源安全状况的全面、准确掌控，普遍存在着“头痛医头、脚痛医脚”的问题，安全监管不能系统化组织、精细化实施。DADT循环管控技术基于系统性思维，研究危险源灾变机理，掌握灾变过程的本构关系，实时监控具有共性的危险因子，以三维数字化手段测控重大危险源的离散与连续变化过程，针对矿山安全监管的复杂性而提出的，且在该技术运用过程中，管控对象的健康档案也随之不断更新与完善。具体而言，DADT循环管控技术主要内容阐释如下：
诊断-diagnose，简称D:依据管控对象全寿命周期健康档案的最新数据，结合相关安全技术标准、规程等，对管控对象进行全面、细致的危险有害因素“诊断”排查，旨在初步发现安全隐患问题。若“诊断”结果未发现安全隐患，则将其结果反馈并完善全寿命周期健康档案；若发现可能存在安全隐患，进入专业“分析”。
分析-analysis，简称A:针对“诊断”结果，通过专家会诊，耦合相关专业“分析”技术（如调洪演算、稳定性分析、溃坝计算等），“分析”得出安全隐患问题出现的原因、可能的影响后果等，旨在精确获取安全隐患的具体情况，为安全隐患的解决所需“设计”方案提供科学依据。
设计-design，简称D:在“分析”安全隐患得出的结论基础上，提出可供解决隐患问题的思路、方法、措施及所需资源等，旨在为“治理”安全隐患提供指导性方案“设计”。
治理-treatment，简称T：依据“设计”提出的初步“设计”方案，结合实际条件，经技术性、经济性与安全性比较，确定选择适合的“设计”方案，并进行细化，形成“治理”方案，实施安全隐患“治理”。但是，实施过程中，也可能会出现某些与之前“诊断”结论不相符甚至相反的新问题，这就需要重新丛“诊断”开始，继续进行DADT循环管控，直至确认问题可获得彻底解决。
DADT循环管控技术运行路径可用图2“DADT循环管控环”表示。
2.2 全寿命周期DADT循环管控技术运行流程
全寿命周期健康档案与DADT循环管控技术结合运用，称为“全寿命周期DADT循环管控技术”。具体而言，即在管控对象全寿命周期健康档案基础之上，对寿命周期各阶段实施安全监管时，反复运用DADT循环管控技术，诊断、分析、设计、治理管控对象安全特征要素，科学解决已存在或可能出现的安全隐患，实现全寿命周期数字化安全监管。在2.1所述内容基础上，尾矿库全寿命周期DADT循环管控技术运行路径图如图3所示。
3 实例应用
3.1 白马尾矿库基本情况
白马尾矿库隶属于攀钢集团白马铁矿，白马铁矿为一特大型露天矿，矿产资源／储量17.1×109 t，矿山建设规模可达1 500×104 t/a。白马尾矿库位于万年沟选矿厂北面，场区地形为蒲扇形，东面坝址段似扇柄为狭窄深沟，此段长度大于1km，是良好的坝址地形，其上游地形开阔，自北往南有5条自然沟形成宽广的扇面，适合建设大容量尾矿库。白马尾矿库年尾矿量416.5 t，折合体积277. 67×104 m3，采用上游法堆坝，是山谷型尾矿库，设计最终堆积标高1720 m，设计总坝高325 m，总库容为3. 26×109 m 3，属一等尾矿库。目前，白马尾矿库处于运行期，初期坝高45 m，坝顶标高1 440 m，相应坝顶轴线长度为190 m，坝顶宽度4m，上游边坡1:2，下游边坡1:1. 75；子坝高5m，堆积坡比1:4，目前子坝已堆积高度100 m，标高1 540 m，正在堆积第21级子坝。排洪系统采用“井涵洞”（框架式溢水塔、竖井与排洪隧洞）结构，溢水塔共14座，1~5#溢水塔已完成使命并封堵，6#溢水塔在用，7#溢水塔及竖井在建。
为验证全寿命周期DADT循环管控技术在尾矿库安全监管中的适用性与有效性，选取白马尾矿库作为管控对象，其结果可精确指导企业采取科学对策解决安全隐患。
3.2 白马尾矿库运行期健康档案
白马尾矿库目前处于运行期，通过三维激光扫描，获取了尾矿库及周边环境的三维点云数据，所用仪器为长距离三维激光扫描仪I - site8810。三维点云数据经拼接、去噪、孤点剔除、植被过滤等数据处理过程，生成尾矿库三维地面模型，并进一步建立三维实体模型（见图4），结合设计资料、勘察成果、现场调查，得到堆存系统、排水系统特征要素值（与图1对应，此处具体数据不单独列出），补充至尾矿库运行期健康档案。
在尾矿库运行期健康档案基础上，运用DADT循环管控技术，初步“诊断”发现当前各组成系统安全特征要素均符合安全要求。但对于排水能力，应进行进一步地排洪能力核查，即：核查后期尾矿堆排过程中，是否有可能出现排洪能力不足的安全隐患。因此，以三维实体模型为基础，按照堆积子坝设计资料，进行尾矿三维模拟堆排，对尾矿库运行期后期阶段的排洪能力进行验证。
3.3 DADT循环管控验证排洪能力
排洪能力是尾矿库安全运行的重要指标，排洪能力不足，将造成调洪库容不足，库区水位超标，进而不能满足最小安全超高与最小干滩长度的要求，最终可能造成洪水漫坝，致使坝坡失稳决口溃坝，后果十分严重。因此，排洪系统在尾矿库整个运行期能否始终满足要求，应重点进行安全监管。
目前，排洪系统的建设与维护主要依据设计文件实施，设计文件是在尾矿库建设之前已经完成并验收，而尾矿库这种特殊工业构筑物的独特性在于：它的服务期也是整个尾矿库的施工期、尾矿坝的堆积期，这种独特性导致设计文件有可能对尾矿库动态变化过程的某些方面考虑不够全面。这一背景下，将全寿命周期DADT循环管控技术引入到尾矿库安全监管中，可有效提高安全监管水平与尾矿库安全状况。
3.3.1诊断(D)
通过全面诊断，尾矿库排洪系统特征要素基本符合规定，但在做模拟堆排过程中，发现后期尾矿库尾区域可能会出现“死水凼”。具体过程见三维实体模拟堆排过程（图5）。每一级子坝高度为5m，以1%坡度模拟干滩，与山脊交线处标高为水面高度，干滩长度150 m（一等尾矿库最小于滩长度）处标高为滩顶，预测堆排过程中排洪能力是否存在问题。“诊断”发现：由于尾矿库库区地形多细小沟谷，当尾矿堆积到标高1670 m左右时，干滩与细小沟谷可能会形成“死水凼”（即不能正常排水的封闭水域），现场照片如图6所示。
3.3.2 分析(A)
在“诊断”结果基础上，实施会诊“分析”：结合尾矿库子坝模拟堆积三维实体模型，耦合运用水文水力学方法进行调洪演算，准确确定出现“死水凼”的子坝级数，为后期问题解决方案提供准确依据。
调洪演算按照洪水频率P=0.1%计算，所需流域特征参数见表1，过程具体如下。
式中：QS、QZ为时段始、终尾矿库的来洪流量，m3／s；q s、q z为时段始、终尾矿库的泄洪流量，m3/s; V s、V z为时段始、终尾矿库的蓄洪量，m3／s。
调洪演算过程中分别获得洪水流量过程线（图7）、调洪库容计算曲线（图8）、辅助曲线（图9）。
通过洪水流量过程线、调洪库容曲线、辅助曲线以及调洪演算表计算可得，坝顶标高1675 m（第47级子坝）时调洪库容382. 81×104 m3，所需最小调洪库容为376. 42×104 m3，满足调洪要求，尾矿库区不会出现“死水凼”。
同理，标高1 680 m（第28级子坝）时调洪库容363. 78×104 m3，所需最小调洪库容为364. 72×104 m3，已不满足调洪要求，此时已经出现“死水凼”。也就是说，尾矿库堆积至标高1 675 m与标高1 680 m之间时，即堆积至第47级子坝时出现“死水凼”。
也就是说，三维数字化系统上动态调洪的过程如下：在基于三维点云数据建立的尾矿库三维实体模型上，结合尾矿坝体堆筑设计资料，可以获取不同标高时的尾矿库三维实体模型。同时，满足最小干滩长度与最小澄清距离的前提下，可在三维实体模型上直接获取精确的库内水面面积，进而获得尾矿坝不同标高时的调洪库容。耦合运用传统水文学调洪演算方法，计算得到最大泄流量以及所需调洪库容。若实际调洪库容≥所需调洪库容，则说明该尾矿库满足调洪库容需求；若实际调洪库容<所需调洪库容，则说明尾矿库不满足调洪库容需求，应当采取相应措施。另外，由于尾矿坝体是动态变化的，如果可以定期对尾矿库进行三维激光扫描，利用不断更新的尾矿库三维点云数据，可提高三维实体模型的准确性，从而为调洪演算提供更精确的数据基础。
3.3.3设计(D)
根据现场实际地形与周边环境，针对“死水凼”问题，预先提出问题解决的两种“设计”方案：
第一种：提前开挖明渠。即在尾矿堆积至标高1 675 m前，提前完成库区产生“死水凼”区域处的山体开挖工作，避免出现封闭水域的地形条件。
第二种：在尾矿改变放矿方式，在尾矿堆积至标高1 675 m前，采用“反向放矿”，即将尾矿放矿管置于库区产生“死水凼”处进行放矿，通过尾矿堆排，将“死水 凼”处利用尾矿形成千滩，同样可以达到效果。
3.3.4 治理(T)
根据“设计”方案的指导，需要进一步详细制定现场“治理”实施方案。在综合考虑可操作性、经济性、安全性等多种因素情况下，针对“设计”提出的两种方案，最终建议企业采用对后期产生“死水凼”区域山脊部分开挖明渠的方式。经后期跟踪企业实施进展情况，其已经按照“治理”方案完成开挖。课题组根据开挖成果对排洪能力重新进行“诊断”、“分析”，获知该尾矿库在后期堆排直至设计标高的范围内，排洪能力均能满足要求。
4 结论
1)基于“拟人化”健康档案建立思想，对管控对象实行全寿命周期“健康体检”，建立以三维几何场为中心，勘察、设计、在线监测等数据为补充的全寿命周期健康档案。随着尾矿库全寿命周期健康档案的充实、完善，可以克服以往对安全状况系统性掌控不足的缺点，为从系统层面排查与治理安全隐患提供数据支撑，而区域内多座尾矿库健康档案的建立，则可进一步为区域尾矿库安全决策提供可靠依据。
2)为提高尾矿库系统隐患处理效率，在全寿命周期健康档案基础上，引入“DADT循环管控技术”，并阐述了其主要内容和运行路径。通过白马尾矿库排洪系统的应用，及时发现了排洪系统存在的隐患，提出了适用的治理方案，预先避免了后期尾矿堆排中排洪能力不足可能引起的溃坝等严重事故，验证了DADT循环管控技术精细化处理系统安全隐患的有效性。在后期研究中，耦合运用溃坝计算、稳定性分析等专业分析技术，可实现尾矿库系统隐患的全面管控，也为数字化安全监管提供了一种新思路。
5摘要：为提高尾矿库这一矿山重大危险源安全监管系统化水平，实现数字化安全监管，提出了全寿命周期DADT循环管控技术理论。这项技术首先需要整合管控对象的三维数字化测控成果与调研资料，建立全寿命周期“健康档案”，其次运用DADT循环管控方法，同时耦合相关专业技术，“诊断、分析、设计、治理”管控对象的安全特征要素，发现并解决安全隐患。结合尾矿库自身特点与测控成果，阐述了尾矿库全寿命周期DADT循环管控技术的运行流程。以白马尾矿库为例，在三维点云数据基础上建立实体模型，运用全寿命周期DADT循环管控技术，耦合调洪演算过程，结果表明，尾矿库在后期堆排过程中，库区会出现“封闭水域”，提前发现并科学解决了尾矿库排洪隐患。全寿命周期DADT循环管控技术的运用，克服了以往安全监管对管控对象安全状况系统性掌控的不足，有利于精确处理安全隐患，为数字化安全监管的实现提供了一种全新思路。
