礦山尾礦庫自動監(jiān)測技術的應用

張永明 (北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪銅礦,山西 垣曲 043706)

礦山尾礦庫自動監(jiān)測技術的應用

張永明 (北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪銅礦,山西 垣曲 043706)

對銅礦峪礦十八河尾礦庫自動監(jiān)測技術進行了總結，闡述了自動監(jiān)測技術的主要技術點與取得的效果，并指出了其存在的問題。

安全生產；尾礦庫；自動監(jiān)測

1 前言

銅礦峪礦是北方銅業(yè)股份有限公司的主體礦山，目前年處理礦量在400萬t以上，二期工程建成投產后年處理礦量將達到600萬t。銅礦峪礦十八河尾礦庫，作為Ⅱ級尾礦庫，承擔著銅礦峪礦尾礦的儲存與蓄水作用。該礦歷來重視安全生產工作，近幾年不僅加強了安全生產管理制度的建設，而且為實現安全化生產，在礦山生產的多項環(huán)節(jié)中采用了一系列新的安全技術，特別是礦山尾礦庫自動監(jiān)測系統(tǒng)的投入使用，使尾礦庫安全生產管理人員可以及時直觀地掌握尾礦庫的實際動態(tài)，進行安全評價、預警預報，為尾礦庫的安全管理提供了有力支持，為確保尾礦庫安全運行提供了一個高新技術平臺，使得礦山安全生產的整體水平又邁上了一個新的臺階。

2 十八河尾礦庫概況

北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪礦十八河尾礦庫于1969年開始建設，1972年4月投入使用。該庫為河谷型尾礦庫，采用上游式堆筑方式筑壩。庫內匯水面積6.65km2，尾礦庫防洪標準采用百年一遇設計，千年一遇校核。該庫庫底最低高程486m，設計尾礦最終堆積高程570m，總堆積高度84m，總庫容12 000萬m3，有效庫容8 500萬m3，尾礦庫的等級為Ⅱ級庫。尾礦庫初期壩為均質土壩，壩頂高程509m，壩高23m，頂寬3m，內坡比1∶2.25，外坡比1∶（2.25～2.75）。目前該庫壩體實際堆積高度74m，壩體長度1 600m，總坡比1∶6，堆積壩縱向坡比0.3%，外坡坡比1∶2，沉積灘平均坡度1∶（100～120）。

2009年以前，該庫只有人工觀測設施，涉及尾礦安全的相關數據的采集采用人工方式，浸潤線每周觀測1次，汛期每天1次，位移監(jiān)測點每月監(jiān)測1次。

3 尾礦庫自動監(jiān)測系統(tǒng)

2009年5～12月，由北方銅業(yè)股份有限公司通過招標確定北京礦冶研究總院中標實施十八河尾礦庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)。項目涉及壩體表面位移、庫水位、浸潤線、降雨量、滲流量、濁度、干灘長度、安全高差、視頻、巡線定位等方面的內容。項目根據子壩抬升和東梁導滲施工情況，分兩期進行建設：一期工程包括壩體與東梁位移、降雨量、庫水位、浸潤線、壩體滲流以及安全高差監(jiān)測等建設工作，于2009年6月正式開工建設，8月底完工投入使用；二期工程包括干灘長度、視頻、東梁滲流量與濁度監(jiān)測等建設工作，于子壩抬升和東梁導滲施工完成后開始建設，于2009年12月中旬完工投入使用，該系統(tǒng)應用了計算機軟硬件技術、網絡技術、檢測技術以及現代通訊技術，使十八河尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)實現了自動化、實時化、智能化。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)構成

尾礦庫安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)由現場監(jiān)測預警系統(tǒng)與后期數據分析發(fā)布與共享系統(tǒng)兩部分組成，其中前部分由現場監(jiān)測站、數據處理子系統(tǒng)、數據通訊子系統(tǒng)、監(jiān)控報警子系統(tǒng)組成，后部分由數據分析發(fā)布與共享系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 尾礦庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)構成示意圖

3.2 監(jiān)測內容及監(jiān)測點布置

（1）18個壩體浸潤線監(jiān)測點。利用原有的18個浸潤線觀測井，共布置了3個觀測橫斷面，每個斷面6個監(jiān)測點。

（2）7個壩體位移GPS監(jiān)測點。布置了2個橫斷面，每個斷面2個點；2個東梁位移GPS監(jiān)測點；1個GPS基準點。

（3）1個庫區(qū)水位監(jiān)測點，布置在篦子溝浮船處的岸邊上；1個降雨量監(jiān)測點，布置在大院值班室的房頂上。

（4）8個干灘長度監(jiān)測點。共布置了4個觀測剖面，每個剖面2個點，其中一個點靠近子壩內坡腳位置，另一個布置在離壩頂150m處的位置。

（5）1個壩體滲流監(jiān)測點，布置在初期壩的壩坡腳匯水處；2個東梁滲流量監(jiān)測點，分別布置在東梁導滲工程的兩端匯水處。

（6）1個井沿高程監(jiān)測點，布置在3#泄洪井上。

（7）2個東梁濁度監(jiān)測點，與東梁滲流監(jiān)測相對應，分別布置在東梁導滲工程的兩端匯水處。

（8）4個巡視定位監(jiān)測點，配備4臺巡視手機和4臺巡視軌跡定位器。

（9）6個視頻監(jiān)測點，分別布置在初期壩1個、壩頂3個、泄洪井1個，以及攔洪壩引水井處1個。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)設計的基本依據與標準

系統(tǒng)方案設計遵循下列規(guī)范或標準：AQ2006-2005《尾礦庫安全技術規(guī)程》、SL60-94《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)程》、SL268-2001《大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)設備基本技術條件》、GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》。

3.4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測技術

3.4.1 GPS位移監(jiān)測技術

GPS變形監(jiān)測技術是基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進行壩體變形監(jiān)測的，該技術具有全天候監(jiān)測、抗干擾強、費用高等特點，本系統(tǒng)采用的是進口單頻GPS接收機。

3.4.2 浸潤線監(jiān)測技術

采用進口滲壓計來監(jiān)測壩體浸潤線的深度。其原理為：通過在壩體里鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里(與測壓管結合使用)，通過測量滲壓計的壓力，再轉換為水位(高程)，即可得到壩體的浸潤線高度。滲壓計與自動數據采集儀通過電纜連接，采集儀再通過無線方式與現場值班室相連，從而形成整個監(jiān)測網絡。

3.4.3 庫水位監(jiān)測技術

庫水位采用超聲波測距測量法進行監(jiān)測。即在庫岸邊安裝超聲波液位計，通過測量儀器距庫水面的高度來計算庫水位高程。

3.4.4 滲流量監(jiān)測技術

本系統(tǒng)采用進口超聲波明渠流量測量技術，利用排出的水流通過一個三角形槽口的堰板，通過堰口流出的水量與量水堰水頭高度之間的函數關系（經驗公式），然后用自動遙控方式(超聲波液位傳感器)測量堰上水頭高度就可以得出流量。

3.4.5 干灘在線監(jiān)測技術

干灘監(jiān)測主要包括干灘長度、灘頂高程、干灘坡度等監(jiān)測內容。由于當前大多數檢測方法難以準確并快速測定灘頂高程和最高洪水位高程，再加上水邊線的界線很不明顯，該處又無法進入，通常只能目測，據此推算出來的總干灘長度和調洪干灘長度不準確可信。本系統(tǒng)利用干灘高程關鍵監(jiān)測點和人工測點，采用曲線擬合方式，擬合出整個干灘面的實際曲線圖，然后結合庫水位高程、泄洪井井沿高程，經過計算得出實際的干灘長度、灘頂高程等值，并可進行后續(xù)的最小安全超高、防洪高差、調洪庫容等計算。干灘面高程采用進口超聲波液位計進行測量，測量原理：在設定的監(jiān)測點立桿安裝超聲波液位計，通過測量液位計距地面的高度來計算干灘面高程。

3.4.6 濁度監(jiān)測技術

采用QZ201C型在線濁度監(jiān)測儀，該儀器為散射光濁度儀，是水渾濁度的專用測試儀器，通過測量穿過水散射出來的光強度來衡量水的渾濁度，即散射光強度與液體中顆粒數成正比。其內帶微處理器，雙光束濁度測量儀器，雙A/D轉換，其精度和可靠性均很高。

3.4.7 視頻監(jiān)測技術

采用具有紅外夜視能力的高速球機進行尾礦庫重要構筑物和重要位置的實時視頻監(jiān)測，視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有水平360°旋轉和垂直90°旋轉、實時錄像、回放等功能。圖像清晰度為500電視線，鏡頭220倍變焦（22倍光學變焦，10倍數碼變焦）。

3.4.8 巡視員在線監(jiān)測技術

本系統(tǒng)采用GSM實時定位和可視化在線顯示技術來實現對巡視員的在線實時監(jiān)測。在監(jiān)控中心設置一套短信發(fā)送平臺，通過主機控制短信平臺的信息發(fā)送和接收。巡視員在現場巡查時，佩帶一臺定位器和一臺巡視專用手機。主機控制短信平臺定時向巡視員的定位器發(fā)送控制短信，定位器收到短信后會及時返回一條攜帶巡視員定位信息（經緯度）的短信給短信平臺，通過軟件識別，監(jiān)控主機把巡視員的巡視軌跡顯示在專門的巡視定位圖上，實現對巡視員工作狀態(tài)的實時在線監(jiān)控。同時，如果巡視員發(fā)現現場有異常情況時，可通過佩帶的巡視手機直接登陸監(jiān)測系統(tǒng)，在系統(tǒng)里的巡視定位欄目里填寫現場發(fā)現的問題，及時把現場的情況向上級匯報。該技術解決了目前人工巡視與自動化監(jiān)測相脫離的問題，實現了巡視員巡查過程的可視化在線監(jiān)測，使巡視信息能迅速融入到自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

4 監(jiān)測系統(tǒng)應用效果

4.1 系統(tǒng)效果

（1）系統(tǒng)能實現壩體位移、浸潤線、降雨量、庫水位、濁度、干灘長度等參數的自動采集，通過這些數據能實時把握尾礦庫運行的安全狀態(tài)，并根據監(jiān)測數據的變化情況指導尾礦庫安全管理的日常工作。

（2）系統(tǒng)具有遠程查詢和控制功能，可通過局域網或互聯網對監(jiān)控主機進行遙控監(jiān)測，實現數據采集軟件上的所有功能，并對數據采集軟件中的歷史數據有訪問權限的進行查詢。

（3）系統(tǒng)可監(jiān)視運行期間壩體的狀態(tài)變化和運行情況，在發(fā)現不正常現象時及時發(fā)出報警，防止事故發(fā)生，以保證生產的安全運行。如浸潤線超過預先設置的警戒值時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，及時通知管理人員進行校核。

（4）系統(tǒng)能根據實時采集的數據計算庫區(qū)的調洪高差、安全高差；系統(tǒng)能綜合歷史數據和實時采集的滲流、水位、雨量、形變等數據，進行相關參數的過程線分析、滯后時間分析、沉降分析、橫斷面分析、縱斷面分析等有關壩體安全分析。

4.2 儀器精度與系統(tǒng)精度

（1）浸潤線監(jiān)測系統(tǒng)精度小于20mm。

（2）2小時解算時間內，壩體表面變形平面監(jiān)測系統(tǒng)精度小于5mm，垂直監(jiān)測精度小于8mm。

（3）儀器高程精度優(yōu)于5mm，滲流量監(jiān)測精度小于10ml/s。

（4）儀器高程測量精度優(yōu)于5mm，庫水位監(jiān)測系統(tǒng)精度小于20mm。

（5）儀器精度2.5%FS，濁度監(jiān)測系統(tǒng)精度小于20NTU（度）。

（6）儀器高程精度優(yōu)于5mm，干灘長度通過曲線擬合計算得出，測系統(tǒng)精度小于10m。

（7）儀器高程精度優(yōu)于5mm，安全超高監(jiān)測系統(tǒng)精度小于100mm。

（8）降雨量監(jiān)測系統(tǒng)精度為0.1mm。（9）巡視員定位系統(tǒng)精度小于10m。

5 存在問題

（1）該系統(tǒng)投入使用后存在的一個主要問題是太陽能電池板的采光面積與蓄電池容量不足。一遇到陰雨天，就會因為太陽能電源不足造成整個系統(tǒng)癱瘓。經過多次改進，增加太陽能的采光面積及蓄電池的容量，現在這個問題基本得到解決。

（2）無線網橋的收集信號范圍窄，只有60°角，各個無線網橋之間靠串聯接替?zhèn)鬏斝盘枺粋€無線網橋出問題，與其相關聯的傳輸信號就無法傳輸出去。同時，個別無線網橋的耐環(huán)境能力差，曾出現下雨進水的現象。

（3）干灘長度誤差大。干灘長度是通過采用超聲波液位計測量灘面高程間接計算得到的。一方面，尾礦庫的環(huán)境比較惡劣，粉塵大，采用超聲波液位計的測量精度達不到；另一方面，庫區(qū)內的坡度不均勻，靠近壩前的坡度大，庫區(qū)內的坡度小，如果計算公式考慮不周全的話，也影響到計算結果。

（4）采用GSM實時定位和可視化在線顯示技術來實現對巡視員的在線實時監(jiān)測的巡視員在線監(jiān)測技術過于復雜，在現場難以實施。巡視員在線監(jiān)測技術應采用設相應監(jiān)測菜單的巡線專用手機對巡視內容記錄及發(fā)送，要簡便易行，不可過于復雜，同時對巡視員巡視位置實時定位。

（5）滲流量與濁度監(jiān)測儀的監(jiān)測受環(huán)境影響較大，應及時清理明渠中的雜物及淤泥。

6 結語

十八河尾礦庫自動監(jiān)測技術的成功應用，實現了對壩體位移、浸潤線、降雨量、庫水位、濁度、干灘長度等參數的自動采集，并通過局域網或互聯網對監(jiān)控主機進行遙控監(jiān)測，對數據采集軟件中的歷史數據有訪問權限的進行查詢；實現了對庫區(qū)主要運行狀態(tài)和運行情況的監(jiān)視；實現了實時計算庫區(qū)的調洪高差、安全高差和有關壩體安全分析。通過自動監(jiān)測技術的成功應用做到了實時把握尾礦庫運行的安全狀態(tài)，并根據監(jiān)測數據的變化情況指導尾礦庫安全管理的日常工作。降低了尾礦庫生產管理人員的勞動強度，提高了尾礦庫的管理水平。但是，尾礦庫自動監(jiān)測技術應用于尾礦庫的時間不長，可以借鑒的成功范例不多，在使用中還存在一些不足之處，需要在以后的工作中進一步完善。

Application of automatic monitoring in tailings pond

The automatic monitoring techniques of Shibahe tailings pond of Tongkuangyu mine were summarized.The key technical points of automatic monitoring and obtained results were described,and its problems were pointed out.

safety production;tailings pond;automatic monitoring

1672-609X（2010）06-0011-04

TD76

B

2010-09-08

張永明（1964-），男，山西晉中人，高級工程師，從事機械設計、設備選型及機械能源動力設備管理工作。