極端天氣條件的尾礦庫安全在線監測系統防護技術研究

蘇 軍，張 達

（北京礦冶研究總院，北京100070）

1 概述

所謂“極端”在國家標準中沒有明確定義，而“極端天氣”是指某一天出現極端高溫，或者某天200mm/h的強降水等這類的天氣事件。一般情況下，認為這種極端天氣事件出現的概率在5%以下，但隨著全球氣候變暖，極端天氣事件明顯增加，是世界氣象組織取得的公認事實［1］。

本文中所指的極端天氣條件是指大雨、極高溫、極低溫、大雪、大風等嚴重影響尾礦庫管理人員正常人工取得尾礦庫實時運行狀態和技術參數的特殊氣候條件。這種氣候條件給尾礦庫的正常管理和維護帶來極大的困難，沒有在線監測系統的幫助無法及時發現和預測尾礦庫重大隱患和災情。

尾礦庫安全在線監測系統包括安裝在尾礦庫庫區內的，實時監測尾礦庫運行參數及重點部位信息的儀器設備和為保證這些儀器設備正常運行所建設的、必要的供電、通信、防雷等輔助措施，以及實現監測數據的采集、存儲、顯示、分析、管理、預警和發布等功能的安全在線監測系統軟硬件管理平臺。根據尾礦庫管理的實際需求和相關規范，尾礦庫安全在線監測系統的主要監測項目有壩體位移監測、浸潤線監測、干灘監測、庫水位監測、降雨量監測、滲流量監測、視頻監控等，其基本功能是實時監測尾礦庫主要參數和關鍵部位的運行狀態，為尾礦庫管理人員提供安全管理平臺和尾礦庫運行狀態參數，減輕管理人員工作強度，提高工作效率，為及時掌握尾礦庫安全狀況和尾礦庫安全性評估提供必要的基礎數據［2］。

一般天氣條件下，尾礦庫管理人員可以通過人工監測方式很容易得到尾礦庫狀態信息。但在極端天氣條件下，人工無法及時獲取尾礦庫運行參數時，在線監測系統應該能夠實時獲取，幫助管理人員及時發現問題，排除安全隱患，這是在線監測系統的主要作用之一。所以，必須保證尾礦庫安全在線監測系統在極端天氣條件下的適用性和可靠性，才能發揮在線監測的作用。本文主要從尾礦庫安全監測系統關鍵技術和極端天氣應對方案層面討論如何提高尾礦庫安全在線監測系統在極端天氣條件下的運行穩定性和數據采集傳輸的可靠性。

2 應對極端天氣條件的關鍵技術

極端天氣條件下，尾礦庫安全在線監測系統需要克服的困難主要有以下幾個方面：①采集設備在極端天氣條件下，防水、防雷和防腐性能不能滿足使用要求，直接影響采集設備的運行穩定性；②供電和通信設備受極端天氣影響，達不到穩定運行的技術要求；③極端天氣條件對電氣設備的干擾和雷擊概率大大增加，需要提高系統的抗干擾（雷擊）能力。

針對上述幾種極端天氣的影響，需要解決的幾項關鍵技術有：①前端采集設備的高集成度和高防護技術；②野外特殊環境（異常溫度、濕度）下的可靠供電技術；③穩定通信技術［3］。

2.1 數據采集設備的防護技術

以往許多尾礦庫安全在線監測系統監測設備分散安裝、防護較差，極端氣象條件下容易發生故障，影響系統正常工作。針對尾礦庫在線監測系統進行模塊化優化，從庫水位監測模塊、降雨量監測模塊、干灘監測模塊、智能化供電模塊、壩體位移監測模塊、數據采集與發布模塊等角度，將尾礦庫在線監測系統進行功能劃分，形成最小功能單元，使得采集裝置、通信裝置及其供電裝置等能夠進行一體化設計封裝，實現系統的模塊化。在此基礎上，采用先進的密封技術提高模塊的防水防塵性能，在電源接口、數據接口處采用密封塞處理；采用先進封裝材料提高模塊的防銹、抗腐蝕能力；通過緊固裝置、緩沖及減震設計提高模塊關鍵部件的防震性能；在模塊中各設備選用溫度跨度較大的設備基礎上，增加溫度控制裝置，提高模塊IP防護等級。同時，系統進行EMC防護優化，防止在外界電氣干擾、靜電等情況下，系統出現不穩定等情況。使得系統能夠在高溫、低溫、暴雨暴雪等極端天氣條件下仍然保持良好的工作狀態。

2.2 特殊環境下的可靠供電技術

為應對極端惡劣環境，需要開發一種具備高可靠性、能夠適應礦山環境、可以確保在外部斷電情況下為安全監控設備提供本地的智能化不間斷供電裝置。由于鋰電池具有溫度環境適應性強、重量輕、使用壽命長等特點，開發基于鋰電池充放電技術的不間斷供電電源更能適應尾礦庫現場條件。同時，開發智能供電技術，實現供電狀態實時監測、虧電報警、自動切換供電電源等功能，確保供電系統的穩定性。

2.3 穩定通信技術

為解決尾礦庫極端天氣情況下極易出現的通信系統線路中斷及通信設備受到破壞等問題，冗余式有線＋無線網絡技術是一種保障通信穩定性的有效技術。

該技術的核心思想為以光纖通信為主體，利用無線網絡作為有線通信的冗余備份，形成有線網絡無縫鏈接，組成有線和無線的通信環網。當有線網絡內節點發生故障時，無線網絡將自動激活，接替故障節點完成網絡傳輸，提高通信線路的穩定性。

除了環網技術外，還可設置多個無線設備，利用無線Mesh網絡技術形成監測點數據的無線冗余傳輸，即，有線網絡斷路時，無線網絡激活并自動尋找傳輸路徑，保障通信線路穩定。無線Mesh網絡技術能夠適應動態拓撲結構，各節點（基站）可通過自主配置完成目標區域的網絡組建，適合于區域環境覆蓋和寬帶高速無線接入（圖1）［4］。

圖1 Mesh網絡結構示意圖

3 極端天氣條件應對方案及實例應用

利用前述幾種技術，結合相關設計規范，形成尾礦庫安全在線監測系統針對極端天氣的應對方案，并在實際案例中應用。

3.1 案例簡介

某尾礦庫最終堆積壩頂高程130m，壩高74m，總庫容為2225萬m3，下游百米內即為生活區，按Ⅱ等庫進行管理。圍繞庫區的主堆積壩、4＃、5＃、6＃三個漿砌石副壩體及庫水位等區域為在線監測系統主要監控區域。

該尾礦庫安全在線監測系統監測內容為壩體表面和內部位移、浸潤線、滲流量、干灘、庫水位、降雨量、壩體應力和視頻監控。圖2為尾礦庫安全在線監測系統平面布置圖，其主壩體及附近干灘設置了壩體表面位移、內部位移浸潤線、干灘高程、滲流量等監測項目，4＃、5＃、6＃三個漿砌石副壩體設置壩體應力監測，庫水位監測區設置在6＃副壩附近，同時設置視頻監控和主要供電點。

圖2 某尾礦庫在線監測系統布置圖

3.2 在線監測系統極端天氣應對方案

3.2.1 數據采集設備模塊化封裝，配置野外高防護箱

將野外采集設備的數據轉換、傳輸等功能設備集成化，形成各監測項目綜合功能模塊，提高設備的集成度，便于一體化封裝，提高防護性能。然后開發高防護野外保護箱，實現更可靠的防護。例如，庫水位監測點的傳感器設備安裝在野外，其數據采集、轉換和傳輸功能模塊相對獨立，故障點多，不利于防護和封裝。通過對各功能模塊進行集成化設計，一體化封裝，將傳感器的供電、數據轉換、通信和防雷等功能模塊集成化，并統一封裝后形成獨立的庫水位監測綜合功能模塊，并配置高防護野外保護箱，能大大提高設備惡劣環境使用的穩定性和適用性。

該尾礦庫在線監測系統方案設計在主壩體壩頂和庫水位監測點處分別設置野外綜合采集設備，集成多種數據采集能力，高防護箱統一封裝，提高系統防護能力。

3.2.2 冗余供電方案

供電穩定性是決定尾礦庫安全在線監測系統穩定性的主要因素，利用前述智能供電技術，設計冗余供電方案，可以保證系統供電的穩定性。

尾礦庫是礦山企業的重要工業設施，要求其供電保持一定的穩定，所以，尾礦庫安全在線監測系統的供電首選工業供電；在極端天氣條件下，尾礦庫的主體線路停電不可避免，供電方案設計在野外重要監測點（如庫水位監測點）配備風能或光伏等冗余供電系統，保證工業供電意外斷電后供電穩定性；利用智能供電技術自動切換冗余供電系統和主供電回路，并將供電系統狀態實時上傳，具有斷電或虧電報警功能，實時監控供電狀態，保障維護的及時性。

該尾礦庫安全在線監測系統在主壩體的壩頂和6＃副壩附近，設置風光互補供電系統，作為主體供電系統的冗余供電系統，供電點配置智能功能模塊，保障冗余供電系統的自動切換和供電狀態的穩定上傳。如圖3所示的該尾礦庫庫水位監測點的冗余供電系統示意圖。

3.2.3 環網通信方案

光纖有線通信技術穩定可靠，使用廣泛，是當前各行業主要的通信方式。但在極端天氣條件下，光纜通信線路有損壞的可能，恢復時間較長，會直接影響尾礦庫在線監測系統通信穩定性。因此，采用有基于線＋無線通信環網技術及無線Mesh網絡技術的尾礦庫安全在線監測系統通信方案。

尾礦庫在線監測系統主體通信線路采用光纖通信，現場的地形條件決定了通信線路兩端往往不能閉合，采用無線技術進行閉合，形成主通信環網方案；同時，設計在通信線路的主要節點、主要監測點等處設置多個無線Mesh網絡終端和網關，當各節點與主回路通信意外中斷時，無線Mesh網絡自動激活，保障通信持續不間斷，提高系統通信穩定性。

圖4為該尾礦庫安全在線監測系統結構示意圖，其中的主通信回路為有線光纖＋無線閉合環網結構，通信回路中設置無線Mesh網絡，實現庫區主要監測區域的局部無線通信覆蓋，形成庫區多重保障通信結構，通信系統穩定性大大提高。

3.2.4 防雷防浪涌方案

圖3 野外監測點冗余供電系統示意圖

圖4 某尾礦庫安全在線監測系統結構示意圖

雷電活動受地形、地勢的影響較為明顯，尾礦庫多為山谷地區，當雷云隨著季風從山谷穿越時，山谷內的突出物很容易引起雷云對其放電，成為主要的雷擊目標。尾礦庫安全在線監測系統硬件組成主要是電子設備，安裝在尾礦庫關鍵部位，不僅受直擊雷威脅，也很容易受到大量感應雷和雷電波入侵的破壞。目前已實施的一些尾礦庫在線監測系統中，多數防雷措施達不到規范要求，防雷方案設計不完善或根本沒有完整的防雷方案設計，嚴重影響了尾礦庫在線監測系統的運行穩定性［5］。

尾礦庫安全在線監測系統防雷方案應按照整體設計、分級防護原則進行設計，以接地網設計為基礎，配置多級浪涌保護（SPD），并保證浪涌保護器選型與防護等級匹配。同時，需要設計等電位保護和供電通信線路的雷電防護方案，全方位考慮系統的防雷防浪涌方案。

該尾礦庫安全在線監測系統防雷設計主要體現在如下幾個方面：①規范設計值班室和野外設備的防雷等級，按防護等級配置電源的三級浪涌保護器和其他數據信號浪涌保護器；②設計主要接地網，保證系統各接地點接地電阻滿足相應規范要求；③所有通信線路的光纜吊線和電源線纜的PE線接入主接地網，形成線路整體等電位；④值班室內所有接地點、設備等通過總等電位端子箱等電位，室外防護箱和分站等設備內部等電位，并通過等電位端子排一點接地。

3.3 系統運行數據及使用效果

該尾礦庫安全在線監測系統建成運行后，經歷了大雨及雷電等極端天氣，各項監測數據和系統運行參數一直保持正常。表1～3的綜合采集設備采集數據對比表和供電通信系統運行參數表，是根據系統6個月運行數據給出的統計結果。通過這些統計數據可以證明，該系統采用的幾種應對極端天氣的技術方案起到了應有的作用，保障了在線監測系統的運行穩定性。

表1 綜合采集設備數據對比表

表2 系統野外供電設備運行參數表

表3 系統通信線路參數表

4 結論

1）尾礦庫庫區的野外環境惡劣，安全在線監測系統具備較強的抵抗極端天氣能力才能保證系統的正常使用，否則不僅浪費國家和企業的投資，更起不到保護人民生命財產安全的作用。

2）實踐證明，野外設備的防護、供電通信系統的穩定和防雷防浪涌功能是保障尾礦庫安全在線監測系統穩定性的關鍵點，這幾個方面的完善設計和規范施工可以大大提高系統穩定性和可靠性。

［1］ 新華網.天氣與氣候 所謂“極端”并無明確定義［EB/OL］.（20－08－19）［2014－5－1］.http：//news.xinhuanet.com/tech/2012－08/19/c_123597889.htm.

［2］ 國家安全監督管理總局.AQ 2030—2010尾礦庫安全監測技術規范［S］.北京：煤炭工業出版社，2011.

［3］ 張達，張曉樸，楊小聰.尾礦庫在線監測及應急指揮系統關鍵技術及工業應用［J］.礦冶，2011，20（2）：20－25.

［4］ 楊陽，章平，歐陽偉.極端氣象下尾礦庫監測通信系統的設計［J］.礦業研究與開發，2013，33（5）：99－103.

［5］ 蘇軍，張達，韓志磊，等.尾礦庫在線監測系統防雷設計［J］.金屬礦山，2013（11）：126－129.