小打鵝尾礦庫在線監測系統改造設計

李小軍，蘇 軍，王治宇

（1．北京礦冶研究總院，北京102600；2．金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102600）

近年來，我國尾礦庫安全事故時有發生，不僅給人民生命財產造成重大損失，而且對周圍環境安全構成了嚴重威脅［1］。例如2008年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦業有限公司（鐵礦）發生了特別重大尾礦庫潰壩事故［2］，造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷和巨大財產損失，造成了極為嚴重的環境污染和惡劣的社會影響。現階段，尾礦庫安全環保形勢依然嚴峻，隱患及問題依然十分突出。

據統計，全國12273座尾礦庫中，庫容在100萬m3以上的三等庫3148座，約占尾礦庫總數的25．6%，這些尾礦庫根據國家要求在2013年之前完成了尾礦庫在線監測工程，經過幾年的運行，目前尾礦庫在線監測系統存在一定的問題，例如位移監測不到位、供電不穩定、受雷擊影響［3－6］等，對于這些問題，礦山企業應落實整改，使在線監測系統恢復正常，運用尾礦庫在線監測系統，實現尾礦庫潛在危險的提前預警，迅速知曉和快速高效應對，為礦山企業提供幫助。

小打鵝尾礦庫在線監測系統建設完成截至目前已有5年時間，在線監測系統存在位移監測數據不準、庫水位監測不正常、雷暴天氣下在線監測系統不能正常工作，針對這些問題需要對原有的在線監測系統進行改造，本文針對是在線監測系統改造的設計。

1 工程概況

小打鵝尾礦庫位于南北走向的狹長溝谷小打鵝溝內，西、北、東三面環山，地勢北高南低。庫區高差約125．00m，谷底縱坡度8～10°，溝谷為“V”型溝谷，溝內植被極為稀少，兩側谷坡基巖裸露，易形成泥石流。庫區地貌上屬中高山構造侵蝕剝蝕地貌形態，氣候屬國內中亞熱帶西部半濕潤氣候區，受季節性降雨影響。尾礦庫設計總壩高187．5m，尾礦庫設計等別為三等庫。

根據《尾礦庫安全監測技術規范》（AQ2030－2010）要求，三等尾礦庫應監測位移、浸潤線、干灘、庫水位、降水量，必要時還應監測孔隙水壓力、滲透水量、混濁度［7］。按規范要求2010年已建成了的尾礦庫在線監測系統，目前存在的問題如下所示。

1）原尾礦庫在線監測工程只監測了內部位移，而且是單向的，未能直觀反映尾礦庫壩體水平和豎直方向變形。

2）干灘長度監測采用的是高分辨率攝像機，在白天監測干灘效果好，但在黑夜監測效果不能滿足要求。

3）數據傳輸不穩定。內部位移監測的數據傳輸采用的是電纜，原系統線路強電與傳輸的信號4～20mA電流信號線路共用一個線槽，傳輸過程中干擾較大，影響監測數據的準確性。監測主機與浸潤線監測之間的通信采用RS485協議通信，敷設方式混亂，主要為：架空、直埋及混合方式。敷設線路較長，線路與強電線路混合，容易產生電磁，影響傳輸的穩定，致使浸潤線監測數據不準確。

庫水位監測的數據傳輸采用無線電臺傳輸，庫水位監測傳感器安裝于排水井附近，在極端條件下存在電臺傳輸不穩定或不正常工作情況，不能傳輸數據，不能及時了解尾礦庫水位情況。

4）防雷問題。防雷接地系統中接地達不到規范要求，或防雷設備老化，影響在線監測系統工作。尾礦庫地處雷電多發區，在線監測系統受雷擊影響大，根據現場調研，2014年5月中旬，尾礦庫初期壩壩頂和堆積壩的攝像機多次受到不同程度的雷擊，破壞了供電模塊，嚴重影響了視頻監控效果。

5）尾礦庫在線監測數據展示效果差，監測數據未分類較混亂；監測數據的存儲比較分散，致使數據檢查、修正和相應模塊設置等不能同步。

2 改造系統功能要求

根據原有監測系統的實際運行情況，以保證尾礦庫在線監測系統正常穩定運行為目標，對原有尾礦庫在線監測進行改造設計，系統實現如下功能：①監測數據自動采集功能；②現場網絡數據通信和遠程通信功能；③數據存儲及處理分析功能；④防雷及抗干擾功能。

系統實現功能的要求：①測量周期為1分鐘至30天，可調；②監控中心環境溫度保持在20℃至30℃，濕度保持不大于85%；③系統工作電壓為220（1±10%）V；④系統故障率不大于5%；⑤防雷電感應不小于1000V；⑥采集裝置測量范圍滿足被測對象有效工作范圍的要求。

3 系統改造設計

3．1 位移監測改造設計

位移監測采用智能全站儀技術。小打鵝尾礦庫地處溝壑地區，但庫區整個地形起伏不大，通視條件好，滿足智能全站儀監測條件。智能全站儀能自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息。

依據規范要求，設計3個斷面，每個斷面上設置3個監測點，另在庫區外穩定山體上設置2個基準點，智能全站儀安裝于框架結構的觀測房內，供電以220vAC為主，兼以采用太陽能供電為輔，通信采用光纖通信。

3．2 浸潤線監測改造設計

改造設計主要是通信線路的改造，浸潤線通信的信號主要是4～20mA的電流信號，原系統采用的是架空，根據現場實際條件和現場應用條件，采用地埋的方式通信。

3．3 干灘監測改造設計

干灘監測改造設計主要監測干灘長度和安全超高。干灘長度主要通過測量干灘高程，結合庫水位高程，再通過人工定期測量干灘的坡度，經過推理計算的方式求得。干灘長度與安全超高監測計算的基本原理如圖1所示。首先確定監測剖面，在監測剖面的壩內沉積灘上布置2個灘面高程監測點，其中監測點1一般布置在靠近子壩內坡坡腳附近，監測點2一般布置在最小干灘長度附近，對于本項目的三等庫，規范規定最小干灘長度為70m，即，監測點2可布置在距灘頂70m的位置（圖1中點3的位置）。干灘監測點的高程采用立桿架設超聲波液位計的方式進行觀測，通過在線監測得到它們的高程，結合人工定期測定的干灘坡度i，就可計算得到干灘長度。

安全超高為灘頂高程與設計洪水位之間的高差：即圖中1點和3點的高程之差：ΔH＝H1－H3，通過計算安全超高結合規范和設計可判定是否漫壩。

干灘長度：L＝ΔH／i。

圖1 干灘長度與安全超高的監測與計算原理示意圖

3．4 通信系統改造設計

通信設計包括壩體監測點設備通信和尾礦庫值班室與公司監控中心之間的通信，前者保證采集端數據正常傳輸到尾礦庫值班室，實時監測尾礦庫各個運行指標，后者實現尾礦庫實時狀態實時跟蹤和了解。

壩體監測點通信改造設計以有線通信為主，浸潤線監測設備滲壓計與采集分站采用屏蔽四芯電纜通信，采用modbus通信協議；干灘監測物位計與采集分站采用屏蔽四芯電纜通信；庫水位監測液位計與采集分站采用屏蔽四芯電纜通信。通信電纜直埋于400mm×700mm電纜溝。分站與值班室通信采用光纜通信。

尾礦庫值班室與公司監控中心采用有線與無線通信，形成環網冗余。

3．5 防雷系統改造設計

雷電閃擊后產生的直擊過電壓和感應過電流是造成在線監測系統損壞的主要原因，避免雷擊的措施是加裝避雷設施和做好接地，安裝在野外的基站等設備的安裝位置應避免突出，設備的金屬外殼或金屬保護箱要可靠接地。

3．5．1 接地網制作

利用現場自然水體，設計3個接地網：一是在值班室附近制作一個防雷接地網，該地網最后通過扁鐵連至壩底的接地網，主要保護壩體附近設備的防雷安全，包括雨量、主機、全站儀、視頻等；二是利用壩底回水泵站制作一個防雷接地網，主要保護視頻，同時也作為值班室接地網的等電位降阻地網；三是利用排水井附近的水體制作一個防雷接地網，保護該處的視頻與庫水位監測設備。

3．5．2 各監測點接地方式

1）接地網制作完成后，各監測點分站的防護箱及監測設備要求規范接地，引下線采用16mm2以上銅芯接地線或熱鍍鋅圓鋼、扁鋼等。

2）監測分站的防護箱內設備通過匯流排統一接地。

3）接地點采用焊接方式，并做防腐處理。

3．5．3 浪涌保護器（SPD）配置

尾礦庫值班室要求在系統電源接入位置配置一級浪涌保護器，系統設備接入前配置二級電源浪涌保護器。

所有信號采集設備、弱電控制設備需要配置與設備規格相匹配的的浪涌保護器。

3．6 在線監測系統軟件改造設計

為實現尾礦庫運行狀態數據采集和展示獨立，在尾礦庫值班室設置2臺服務器，1臺安裝尾礦庫在線監測系統采集軟件，作為系統采集服務器，1臺安裝管理發布軟件和視頻監控軟件，作為系統發布和視頻監控服務器。

3．6．1 數據管理和發布功能

系統管理軟件平臺同時基于C／S和B／S結構開發，同時兼顧數據本地管理和遠程發布功能。

3．6．2 綜合預警功能

系統開發多層次預警功能：軟件界面三級預警；報警信息保存和查詢功能。

軟件界面三級預警：各種監測數據設置三級預警功能，供管理人員設置使用。監測數據超過預警閾值后，系統界面彈出報警信息，變色閃動，以引起操作人員注意。

報警信息保存和查詢功能：每條報警信息自動存入數據庫，以便于管理。系統支持log記錄查詢，從而方便地進行故障排查。

4 結 論

本文以小打鵝在線監測系統為設計對象，通過實地現場調研，分別對位移監測、浸潤線監測、干灘監測、通信系統、防雷系統進行分項設計，解決了以下問題。

1）在線監測系統癱瘓或不工作的尾礦庫必須進行恢復，必須滿足規范要求，以確保尾礦庫運行狀態的實時監測和了解。

2）通過位移改造設計和優化，實現了壩體主要特征點水平和豎直向的位移監測，實現了位移監測三級報警聯動，同時結合在線監測數據過程線分析可定性預測尾礦庫壩體位移變化趨勢。

3）通過干灘監測改造設計實現了尾礦庫安全超高監測，能預測尾礦庫漫壩的風險；干灘長度監測指導尾礦庫放礦管理。

4）通過數據傳輸設計改造、數據展示等實現了尾礦庫運行狀態全天候實時掌握了解，滿足了尾礦庫在線監測規范要求。

5）通過防雷改造設計保證了監測系統的健壯性，提高了監測系統抗風險的能力。

小打鵝尾礦庫在線監測系統中存在問題的改造，實現了監測數據實時分析與報警聯動，防雷系統改造又增加了系統的可靠性，對尾礦庫在線監測系統改造設計具有一定的借鑒意義。

［1］ 李青石，李庶林，陳際經．試論尾礦庫安全監測的現狀及前景［J］．中國地質災害與防治學報，2011，22（1）：99－106．

［2］ 李全明，陳寺宏，王云海．尾礦壩堆壩材料非線性力學特性試驗研究及數學模型擬合［J］．安全與環境學報，2009，9（5）：132－135．

［3］ 李春民，王云海，張興凱．礦山安全監測數據挖掘系統框架研究［J］．金屬礦山，2009（12）：126－130．

［4］ 王銳，吳建華．大壩自動化監測系統建設的問題及解決方案［J］．科學之友，2007（9）：23－25．

［5］ 李雷，張國祥．大壩安全監測系統防雷和接地技術初探［J］．大壩觀測與土工測試，2000，24（1）：4－7．

［6］ 方衛華．大壩安全監測自動化系統的防雷研究［J］．水力發電，2001（2）：54－56．

［7］ 田文旗．我國尾礦庫現狀及安全對策的建議［C］／／中國有色金屬學會采礦學術委員會．2010年中國礦山安全管理與技術裝備大會論文集．大連：中國有色金屬學會采礦學術委員會，2010：59－65．