某大型尾礦庫安全監測系統研究

左曉輝　梁　升　趙景渤

(首鋼礦業公司水廠鐵礦)

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某大型尾礦庫安全監測系統研究

左曉輝梁升趙景渤

(首鋼礦業公司水廠鐵礦)

摘要首鋼礦業公司水廠鐵礦兩個尾礦庫庫區面積大、需監測的點位多，人工監測存在工作量大、精度和實時性差的缺點。通過在線監測系統的設計，實現尾礦庫壩體浸潤線、位移和庫區降雨量、尾礦庫水位等安全運行技術參數的實時在線監測；對尾礦庫網絡拓撲結構和硬件系統防雷進行設計，實現基站數據和在線監測數據與機房的通訊，最大程度地降低雷擊對系統的損壞；建立尾礦庫安全監測信息管理系統，實現數據的共享，為各級管理員提供簡便、有效的信息參考。該監測系統應用后，可實現尾礦庫運行安全技術參數數據的實時在線統計上傳，自動化、信息化水平較高，方便管理人員準確掌握尾礦庫運行的安全狀況和穩定程度，實現管理過程透明化，提高了尾礦庫的安全管理水平。該大型尾礦庫安全監測系統的設計經驗，可為其他尾礦庫提供參考。

關鍵詞尾礦庫在線監測技術參數自動采集

國家與礦山企業對尾礦庫安全重視程度不斷提高，《尾礦庫安全監測技術規范》也要求三等以上尾礦庫必須安裝在線監測系統。尾礦庫運行的安全技術參數能夠準確反映尾礦庫的安全狀況和穩定程度。因此，通過自動化、信息化等手段快速、準確掌握尾礦庫運行參數十分必要，也是體現尾礦庫管理水平高低的一個重要標志。

首鋼礦業公司水廠鐵礦現有新水、尹莊兩個尾礦庫，庫區面積大，需要監測的點位多。長期以來基本采用人工監測，工作量大、精度差，難以做到準確、及時地監測尾礦庫運行狀況。因此，必須建立一套尾礦庫安全自動監測系統，對尾礦庫安全穩定性影響較大的參數進行自動監測。同時構建科學的信息平臺，實現關鍵技術數據的實時在線檢測和歷史查詢，并實施安全預警，當技術參數超出標準時實現報警。對尾礦庫安全監測系統的研究，可促進尾礦庫在線監測管理系統正規化、專業化，有助于提高尾礦庫管理水平。

1在線監測系統設計

1.1壩體浸潤線在線監測

尾礦壩的浸潤線是尾礦庫的生命線，也是評價尾礦庫穩定狀況的一項重要指標。由于浸潤線監測主要是監測壩體滲水的高度，一般監測儀器無法準確測量浸潤線的高度。浸潤線在線采集設備主要為振弦式滲壓計和數據采集器，通過在壩體鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里(共用常規浸潤線觀測井)，通過數據采集器測量滲壓計的壓力，再轉化為水頭高度，結合安裝深度以及孔口高程即可得到壩體的浸潤線高度(高程)。浸潤線單孔高度為安裝儀器高與滲壓計測量高度之和，測量精度取決于滲壓計的精度，一般誤差小于10 mm。處于同一斷面的各個浸潤線單孔高度的擬合曲線，即為浸潤線[1]。

在尹莊主、副壩設立三條浸潤線在線觀測點，共布置20個測點。新水庫設立兩條浸潤線在線觀測點，共布置5個測點。壩體剖面浸潤線監測點結構示意見圖1。

圖1　壩體剖面浸潤線監測點結構示意

1.2壩體位移在線監測

采用基于GPS技術的壩體形變監測系統實時監測壩體位移的微小變形。原理是接收機天線實時接收GPS信號，并通過以太網傳輸實時發送到控制中心，經過核心解算軟件HCMonitor基于GPS差分方法的計算獲得各點實時三維坐標，從而反映位移的微量變化。為了提高系統的精度和穩定性，該系統共設計3個GPS基站，16個GPS在線監測點位，合理分布于庫區，實時監測庫區的位移變化監測。系統監測精度為水平3 mm，高程5 mm，大大提高了壩體安全性和可控性。

1.3降雨量監測

降雨量大小會影響入庫水量，因此是調節蓄庫水位的重要指標，也是尾礦庫特別是汛期尾礦庫安全的重要考察對象之一。降雨量監測點布置在距尾礦庫較近的尾礦車間院內，位置開闊且避風。雨量監測裝置選用翻斗式遙測雨量計，精度為0.2 mm，結構簡單、維護方便、可靠性較高。工作原理是當雨水通過漏斗進入機械穩態組件構成的翻斗內，達到一定量時，引起翻斗翻轉并產生一個脈沖信號。將產生的脈沖信號接入PLC系統，對其進行累計，并將累計結果通過以太網由上位機分別按照每10 min、每小時、每日上傳到服務器，計算出降雨量。雨量采集系統的工作示意見圖2。

圖2　雨量采集系統的工作示意

1.4尾礦庫水位在線監測系統

尾礦庫水位是反應尾礦庫安全穩定的關鍵參數之一。及時掌握庫水位的高程，可推算干灘長度、調洪高差以及實時庫容，為尾礦庫水位狀態及其預警預報提供最直接、最重要的基礎數據[2]。

尾礦庫水位采用超聲波測量法測量。超聲波液位計安裝在尾礦庫內水位比較平穩的位置，可實時測量儀器距庫水面的高差，其與事先已測定的儀器高程之和即為庫水位高程。系統使用PLC系統采集超聲波液位計的測量值，通過光纖將采集數據傳輸至數據服務器。為了保證測量精度，選用高程為10 m的超聲波液位計，設備測量精度為15 mm，滿足20 mm的精度要求。

2網絡拓撲結構及防雷系統設計

2.1網絡拓撲結構

現場的數據采集采取分布式結構，組網靈活，同時減少了布線量，降低了故障率。在各數據采集設備(數采儀)的干線上，只分布供電電纜和通訊光纜。通訊網絡采用光纜多機通訊方式(RS485-光纖轉換器)。即使某臺終端設備出現故障，也不會影響到整個通訊網絡和系統的正常運行。通訊網絡采取“即插即用”的鏈接方式，可實時增加或減少數采儀數量，方便后續系統的擴充。

主干網絡采用工業以太網的方式，通過TCP/IP傳輸控制協議實現數據流通訊[3]。在尾礦庫車間建立數據服務器的機房用來存放現場采集的數據，由機房敷設3條光纖分別實現新水庫位移基站數據、新水庫在線監測數據和尹莊庫在線監測數據到機房的通訊。水廠尾礦庫網絡拓撲結構見圖3。

圖3　水廠尾礦庫網絡拓撲結構

2.2硬件系統的防雷設計

系統的防雷設計關系到整個系統能否穩定工作。尾礦庫多處在野外山林中，雨季時容易受到雷電攻擊，損壞現場設備。因此硬件系統的防雷非常重要。

為保證硬件系統在雷雨季節能夠正常運行，在防雷設計中采取以下具體措施：

(1)機房內設備的供電電源采取三級防雷保護。

(2)設備間內的機柜采取等電位接地，柜內設備的外殼與機柜可靠連接?，F場設備供電處均加裝電源防雷模塊。

(3)布線采取地下埋設方式。采用電纜地下埋設方式布線，雷擊概率要比架空線方式降低70%左右，是預防雷擊的重要手段之一。

(4)尾礦庫現場的浸潤線監測點、位移監測點均安裝金屬防護箱，在設備旁加裝避雷針，并將金屬箱接到防雷地網上，對內部的傳感器、數采儀進行保護和屏蔽，可有效減少設備端的雷擊概率。

(5)數采儀采用模塊化結構，防雷模塊內部設置有多重防雷保護措施，供電端、通訊端設快速響應的氣體放電防雷管、光電隔離、瞬態抑制電路等多項措施，保護核心部件及連接儀器。

(6)通訊干線采用光纜布線，支線網線端加裝網絡防雷器。

將以上措施與機房位置已有的防雷網聯合，可使系統因雷擊造成的損壞降至最低。

3尾礦庫安全監測信息管理系統

尾礦庫安全監測信息管理系統是尾礦庫安全監測自動化系統的核心，是基于數據庫局域網絡下開放的一個軟件平臺，要求采用B/S結構進行設計。它包含三大功能模塊，一是數據的采集、解析與故障診斷；二是數據查詢與分析；三是豐富的報警功能[4]。

3.1數據的采集與存儲

現場的監測數據傳輸至網絡服務器接收端，經工程化處理后，與監測時間一起存儲于服務器系統的數據庫中。人工采集的數據直接在人機界面窗口由鍵盤輸入存儲。數據采集存儲示意見圖4。

圖4　數據采集存儲示意

3.2操作環境及數據庫設計

系統以WindowsXP系統為操作平臺，用c#4.0編程語言和.Net 框架、ASP.NET Web Application 服務和SQL Server 2008數據庫來實現尾礦庫安全監測系統的所需功能。

3.3軟件功能設計

3.3.1系統組成

在系統功能分析的基礎上，總體模塊劃分見表1。

表1　系統功能模塊劃分

通過以上功能，可實現尾礦庫重要運行數據的實時采集、傳輸、計算、分析，包括尾礦庫水位、降雨量、排滲水流量、壩體位移、壩體浸潤線以及尾礦庫干灘長度等的在線監測。管理人員可通過公司局域網實時掌握尾礦庫整體運行的安全狀態。

3.3.2系統功能設計

系統界面一目了然，層次分明，可直觀顯示各項監測、監控信息的歷史變化過程及當前狀態，為各級管理人員提供簡單、明了、直觀、有效的信息參考。

(1)庫區簡介。對尾礦庫的基本情況做一個簡要的介紹，包括庫容、壩高、等級等信息，使初次使用此系統的人員對尾礦庫有一個初步的了解。

(2)實時數據。顯示尾礦庫水位、浸潤線、位移、排滲量這幾個重要參數的最新數據值，并使用圖形曲線說明，使尾礦庫參數直觀明了。

(3)歷史數據。對一定時間段內的數據進行查詢，在查詢過程中，對于一些有標準數值的參數進行判斷，超出正常范圍就用紅色字體顯示，達到報警目的。

3.4報警值的設置、顯示與記錄

系統包含豐富的報警信息，一旦出現緊急異常情況如庫水位超過調洪保障水位、干灘長度小于最小干灘長度等，系統都會給出明確的預警提示，并自動記錄相關的報警信息，如報警內容、報警時間、報警級別等，形成記錄報表。用戶可以通過局域網隨時查詢報警信息，了解歷史報警信息。

3.5系統安全性設計

尾礦庫安全監測系統的數據是尾礦庫安全與否的數字化體現，其安全性尤其重要。系統采用“角色+密碼+特殊用戶”的方式控制系統使用用戶。登錄時，系統通過驗證控件來確認用戶是否為合法用戶，是否有足夠權限操作此系統，以保證信息安全。系統用戶登錄密碼采用加密方式，為系統數據的安全性提供深一層的保護[5]。

4系統應用效果

系統應用后，監測數據顯示尾礦庫壩體位移偏移量在0.005 m內，滿足國標0.03 m的要求；壩體浸潤線埋深最大為50 m，最小為7.65 m，滿足國標6～8 m的要求；實現了尾礦庫區域降雨量的自動監測統計上傳，保證了數據的真實性，方便技術人員進行雨情分析，提前采取防范措施。

5結論

(1)設計的在線監測系統，可實現尾礦庫壩體浸潤線、位移和庫區降雨量、尾礦庫水位等關鍵數據的實時在線監測，保證尾礦庫的安全穩定運行。采用多個GPS基站的方式進行位移解算，大大提高了系統監測精度和穩定性。

(2)監測現場數據采集采用數采儀進行，某臺終端設備出現故障不會影響整個通訊網絡和系統的正常運行；通訊網絡采用光纜多機通訊方式，其主干網絡采用工業以太網的方式，通過TCP/IP傳輸控制協議實現數據流通訊；多種防雷措施并用，提高系統防雷等級，保證整個監測系統的穩定性。

(3)建立了尾礦庫安全監測信息管理系統，實現數據共享，使各級管理人員都能及時了解當前尾礦庫的運行狀態，實現管理過程透明化。尾礦庫安全監測系統的建立，能應用信息化手段對尾礦庫進行管理，實現尾礦庫安全工藝數據自動采集，保證數據的真實性和實時性，提高尾礦庫管理水平。

參考文獻

[1]周漢民.尾礦庫閉庫設計施工及驗收[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]廖伙木.尾礦壩的穩定性分析[J].安全與健康，2011(15)：42-43.

[3]謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業出版社，2003.

[4]馬軍.精通ASP.NET2.0網絡應用系統開發[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]王珊，陳 紅.數據庫系統原理[M].北京：清華大學出版社，2006.

(收稿日期2015-11-30)

左曉輝(1978—)，男，工程師，064404 河北省遷安市濱河村。