峨口鐵礦中線法尾礦庫在線監測系統應用技術

程耀靈 劉慈光

(太原鋼鐵(集團)公司礦業分公司峨口鐵礦)

峨口鐵礦中線法尾礦庫在線監測系統應用技術

程耀靈 劉慈光

(太原鋼鐵(集團)公司礦業分公司峨口鐵礦)

根據峨口鐵礦尾礦庫中線法筑壩工藝特點及現場實際，對該礦尾礦庫在線監測系統應用技術進行了分析，探索了適宜中線法尾礦庫在線監測系統的應用途徑。分別從監測設施供電技術、維護技術、數據通訊傳輸技術、干灘及庫水位監測技術、系統軟件優化等方面對該礦中線法尾礦庫在線監測系統應用技術進行了詳細分析，供類似礦山參考。

尾礦庫 中線法 尾礦庫在線監測系統 數據通訊 水位監測技術

尾礦庫在線監測系統避免了人工監測無法及時監測、掌握尾礦庫的各項安全技術指標的缺點，提高了尾礦庫安全生產管理水平。峨口鐵礦在上游法尾礦庫在線監測系統的基礎上，針對該礦尾礦庫中線法筑壩工藝特點，進行了系統的應用技術實踐與探索研究，有效解決了由于壩體升高而導致壩體及沉積灘面不斷上升，致使監測設施不斷上升移動，系統難以穩定運行的難題，有效發揮了系統實時監控尾礦庫安全狀況的作用。

1 工程概況

峨口鐵礦牛圈溝第一尾礦庫為山谷型尾礦庫，原設計為上游法筑壩，初期壩高67 m，總壩高200 m， 1994年在尾礦庫使用至標高1 514 m時為增加庫容，采用中線法筑壩，最終堆積總壩高為260 m，總庫容達10 055萬m3。目前第一尾礦庫堆積壩高已達245 m，其等別為二等庫，為目前國內黑色礦山正在使用的壩體較高的尾礦庫之一。

峨口鐵礦尾礦庫在線監測系統始建于2010年，系統架構包括：①灘面監測系統，在第一尾礦庫沉積灘面內沿垂直于壩軸線方向設置3個斷面，每個斷面布設2個監測點，共6個灘面高程監測點，各監測點利用灘面高程監測儀進行高程自動監測，并根據實時監測的灘頂高程及庫區水位數據實時計算沉積灘面坡度、庫區安全超高，并通過終端界面顯示；②浸潤線監測系統，第一尾礦庫監測點分別布置于垂直于壩軸線方向壩體上的3個監測斷面上，其中兩側斷面各設置3個監測點，中部斷面設置7個監測點，各監測點安裝浸潤線監測管，監測管內安裝滲壓計進行壩體浸潤線自動監測；③水位、雨量監測系統，尾礦庫內布置水位監測儀、雨量監測儀各1臺，定時向服務器傳輸水位、雨量等監測信息；④位移監測系統，第一尾礦庫利用原有在壩外坡面設置的人工監測墩，在上部布置GPS位移監測設施監測壩體外部位移，共設置3個監測斷面，10個監測點，中間斷面設置4個監測點，其余2個斷面各布設3個監測點，在壩體下游庫區山頂上布設1個基準點；⑤視頻監控系統，為直觀監控尾礦庫運行狀態，第一尾礦庫庫區安裝5臺視頻監控攝像機，從不同角度實時監控尾礦庫現場運行狀況。

中線法筑壩工藝特點決定了在尾礦生產排放過程中，尾礦庫沉積灘面、壩體內外坡面均隨著壩體的不斷升高而不斷上升，壩面、灘面的形態也隨之不斷發生變化，壩體內部沉降、位移及水位的變化也較上游法工藝形成的壩體復雜。隨著灘面及壩體的不斷升高，各監測設施位置也需不斷調整，各監測基準點數據也需相應進行不斷校正，難以形成連續穩定的可供進行變化趨勢分析的數據庫。因此，從監測方法、監測技術、監測設施等方面來講，中線法尾礦庫在線監測系統與上游法尾礦庫在線監測系統存在較大區別。峨口鐵礦尾礦庫地處高寒山區，兩岸山體陡峭，庫區冬季嚴寒，冰凍期較長，且中線法壩體無法有效實施防塵，自然氣候、環境條件惡劣，對尾礦庫在線監測系統的安全穩定運行影響較大，此外，在中線法尾礦庫在線監測系統建設方面，國內成功案例較少。

2 應用技術分析

2.1 太陽能和市電雙供電技術

傳統上游法筑壩工藝形成的尾礦庫由于各監測設施(如浸潤線、位移等)布置于壩體外坡，隨著尾礦的排入，壩體升高后尾砂筑壩依次于外坡形成梯形平臺，各平臺植被覆土后，壩體外坡形態、斷面固定，在外坡設置監測設施位置也固定不變，因此為提高供電穩定性并降低系統建設成本，監測設施多采用市電供電方式。中線法尾礦庫隨著庫內尾礦的逐年排入，壩體頂面、內外坡面及沉積灘面均需不斷上升，其形態及斷面均不斷發生變化，監測設施的位置也需不斷升高變化，難以采用市電為監測設施供電，因此原系統監測設施除采集室采用市電供電外，其余室外設施均用太陽能供電。

在系統運行過程中，發現夏季供電充足，數據連續且穩定，但冬季蓄電池儲電不足，數據缺失嚴重，中繼站停電時全部數據均無法返回，系統無法正常運轉。經研究發現，太陽能供電方式存在的不足較明顯：①光照時間短，儲電不足，由于峨口鐵礦尾礦壩位于V型溝谷中央，兩岸山體陡峭，溝谷較窄，光照時間短，特別是冬季太陽照射太陽能板的時間僅為3～5 h/d，且中線法筑壩工藝由于無法使用抑塵措施，庫區風沙大，太陽能蓄電池光電反應差，儲能無法維持監測點設備24 h連續工作，在溝谷中間布置太陽能供電系統存在每日光照時間不足而引起供電不足、數據不連續等問題；②蓄電池更換成本較高，蓄電池在室外無法進行保護，平均使用壽命僅1 a，電池成本高，且更換困難，費時費力。

根據各監測設施所處的不同地形條件，對系統供電技術進行了改進，采用市電與太陽能雙供電技術：①位移、灘面監測設施等現場數據采集設備位于庫區溝谷中間，距市電電源較遠，采用鋪設高架線市電供電技術，各測點距離較近，且線路最大長度僅1 000 m，壓降小，尾端電壓可保持在220 V以上，可滿足設備工作電壓需求；②數據采集中繼站位于庫區水面區浮船泵站附近山坡頂部，不易架設供電線路，地形開闊，光照條件好，通過增加太陽能板面積和蓄電池容量，可滿足中繼站設備24 h不間斷工作，故對數據采集中繼站采用太陽能供電技術。供電系統改進后，經長期運行測試，系統設備工作穩定，電壓正常，有效地解決了因光照不足而造成太陽能供電不連續而導致采集數據不連續的問題，消除了氣候條件對數據采集的影響，提高了數據采集的連續性及系統穩定性。

2.2 可移動便捷維護技術

2.2.1 浸潤線監測設施

峨口鐵礦尾礦庫采用中線法筑壩，其工藝特點決定了隨著壩體的升高監測管也需隨之加高，數據采集器位置也需同步升高，而浸潤線升高速度滯后于壩體上升速度，為準確觀測壩體內水位，地面以下的測點傳感器設置位置需同步升高。對此，將監測管與放置數據采集器的箱體連接方式由固定連接優化為活動式，即隨著壩體的升高采用可持續加高方式連接，采集器與傳感器間的數據傳輸線放置于箱內，根據外坡面最終堆積標高計算預留了足夠長度的數據傳輸線，隨著壩體升高，觀測管定期加高后，無需拆裝放置采集器的箱體，便可實現數據采集器的相應抬高，將預留的數據線相應在管外延長，短期內可保持管內傳感器位置不變。經優化改造后，實現了監測管與傳感器的同步抬升，確保了數據采集連續穩定，同時減小了設施位置加高帶來的工作量，便于系統后期維護。

2.2.2 灘面監測設施

采用中線法筑壩時，灘頂位置隨灘面升高，水平方向位置不發生移動，干灘監測設施隨灘面升高需不斷抬高位置，若定期進入灘面內拆裝設施，則維護工作量較大。為此，將干灘監測設施維護技術優化為可隨庫區灘面升高而定期連續升高，即按每年灘面上升高度預留監測桿高度，設施與桿之間為活動式連接，每年利用抱箍接桿方式實現監測桿加高，同時將設施移動升高后固定連接，無需拆裝設施。經優化改造，提高了系統監測精度，同時實現了系統穩定運行。

2.2.3 位移監測設施

由于峨口鐵礦尾礦庫采用中線法筑壩工藝，壩體隨著尾礦排放不斷升高，受目前國內監測手段及設備條件所限，壩體位移監測系統為在原壩體鋼筋混凝土監測墩上布置的GPS位移監測設施，實現壩體表面垂直沉降及水平位移監測，隨著壩體升高需不斷加高監測墩，同時相應升高監測設施。起初將監測設施布置于監測墩頂部，壩體升高后，定期移動監測設施時需拆裝監測設施，系統移動維護工程量大，不便操作。對此，設計了設施放置平臺，將監測設施放置于平臺上，平臺與監測墩之間實現可移動功能，每次加高位移監測墩時無需拆裝監測設施，僅需加高監測墩后將監測設施連同平臺一并上移即可，既減小了移動觀測設施的工程量，降低了維護勞動強度，又避免了拆裝造成的設施損壞。

2.3 數傳電臺、無線通訊、光纜多功能傳輸技術

在線監測系統數據傳輸包括現場數據采集器與數據采集站之間的數據傳輸及數據采集站與基站服務器之間的數據傳輸。現場數據采集器主要進行浸潤線、位移、干灘、庫水位等監測設施的現場原始數據采集，并將監測數據傳輸至數據采集站，由數據采集站向基站服務器發送測點數據并接收服務器指令(圖1)。

圖1 數據采集與傳輸流程

傳統上游式尾礦庫在線監測系統浸潤線、位移等監測設施布置于外坡，在尾礦庫運行過程中，監測設施位置固定，數據采集器位置亦固定不變。因此數據采集站一般設置于距數據采集器較近的外坡區域，數據采集器與采集站之間一般采用光纖傳輸。中線法尾礦庫由于隨著尾礦的排入，壩體內外坡、灘面則不斷升高，相關監測設施需不斷升高移動，同時監測點之間距離較遠，因此數據采集器與數據采集站之間無法在地面或架高敷設光纖進行數據傳輸，監測設施附近現場也無法建立數據采集站。對此，采用有線傳輸與無線通訊傳輸組合技術進行數據傳輸，在庫區浮船泵站建立數據采集站，數據采集站與基站服務器之間由于距離遠，故使用光纜進行數據傳輸，數據采集器與采集站之間采用無線傳輸技術。由于監測系統浸潤線、位移、干灘、視頻等監測設施采集數據的格式各不相同，各監測點分布分散，對此采用了3頻段無線通訊傳輸技術，即位移監測數據采集采用2.4 G頻段無線網橋傳輸技術，向采集中心發送監測點三維坐標數據；視頻監控數據采用5.3G頻段無線網橋傳輸技術，向采集中心發送大流量高清視頻數據流；浸潤線和干灘監測數據采集采用波特率19 200 kbs數傳電臺串行通訊技術，周期性發送測點數據。

2.3.1 2.4 G無線網橋

2.4 G頻段無線網橋屬于民用頻段，可減少大量頻段申請和維護工作，同時位移監測點間距較小，觀測墩上設施與地面距離大于2.5 m，傳輸信號不易被起伏不平的外坡面阻擋。該類位移監測點可作為Wifi熱點，直接由計算機或Wifi設備接收后連接至INTERNET，整條通信鏈路協議(TCP/IP協議)一致，可用筆記本電腦無線連接方式在現場進行調試，易確定故障節點。2.4 G無線網橋具有體積較小、免維護、更換簡單、繞射能力強、對位置方向敏感度較低、組網靈活、價格低廉等優點，可實現點對多的無線信號傳輸，且帶寬高，能夠滿足傳輸GPS純數字小數據量，現場使用效果良好。

2.3.2 5.3 G無線網橋

視頻監控系統各監測點，分布較分散，監測點距信號采集室最長達3 km，且要求云臺控制靈敏、快速。5.3 G無線網橋可有效適應惡劣環境，數據傳輸距離達10 km，信號穿透能力強，傳輸圖像及控制信號延遲小，可快速準確調整攝像機位置，與其他頻段不存在干擾。

2.3.3 數傳電臺

浸潤線監測系統原采用全向天線傳輸數據，在水平方向上表現為360°均勻輻射，即無方向性，雖覆蓋范圍大，但具有傳輸距離短的缺點，在現場應用中發現數據通訊不穩定，缺失率高達20%。尾礦庫浸潤線監測點分散于整個外坡面，外坡面較長，使用全向天線進行浸潤線監測數據傳輸時多采用多發單收的數據通訊方式，各監測點與接收站交換信息，監測點之間無任何關聯，無法充分發揮全向天線的優勢。全向天線安裝于滲壓管保護箱上方，滲壓管露于地面之上不超過1.5 m，外坡面易干擾監測點與接收站之間的信息交互傳輸。

為解決浸潤線監測數據缺失的問題，對監測設施數據傳輸技術進行了改進，采用數傳電臺加吸盤天線的傳輸技術，將數傳電臺應用于灘面監測和浸潤線監測中，借助DSP技術和無線電技術實現實時、可靠數據傳輸，具有成本低、安裝維護方便、繞射能力強、組網結構靈活、覆蓋范圍遠等特點，適合峨口鐵礦尾礦庫監測點多而分散、地理環境復雜的工程環境。峨口鐵礦浸潤線監測儀器為滲壓計，安裝于觀測管內，數據采集模塊和天線位于觀測管外部，吸盤天線長達1 m(圖2)，相當于加長了觀測管，使信號傳輸點高于外坡面，與數據接收站可視，且信號制式一致，信號傳輸穩定可靠，與無線網橋不存在互相干擾，滿足了浸潤線監測的需要。

2.4 激光測距及無線通訊模塊一體化監測技術

峨口鐵礦原采用浮球式測量儀進行干灘高程監測，該儀器受現場條件及氣候條件限制，冬季氣溫低時浮球無法上下自由浮動，且信號傳輸也易受低溫影響而中斷，存在精度低、數據不連續，儀器故障頻發等問題。對此，采用激光測距及無線通訊模塊一體化干灘監測技術，利用激光測距儀集成無線通訊模塊進行灘面高程監測，經優化改造，提高了系統監測精度并實現了系統穩定運行。

圖2 傳輸天線

2.5 衛星定位技術

峨口鐵礦庫區水位監測原采用格雷碼浮子式水位計，浮球可隨著水位的上升而上升，夏季使用效果較優，但在冬季低溫結冰后，浮球被冰卡住，無法真實反應水位高度，時常出現數據不連續、系統故障、測量數據精度低等問題。此外，雷達、超聲波液位計均對工作環境(扇形波面足夠大，無遮擋)有一定的要求，因此上述設備在北方冬季嚴寒季節難以發揮作用。根據峨口鐵礦尾礦庫實際情況，采用衛星定位技術進行庫區水位監測，即將GPS監測設施安裝于庫區回水浮船上，測量設備與水位高差固定，可隨著水位的變化實時變化。GPS觀測網數據處理采用靜態相對定位方法，利用2臺GPS接收機同步觀測，接收相同的GPS衛星數據，以確定基線端點在地球坐標系中的相對位置，實時提供觀測站在指定坐標系中的三維坐標，并達到毫米級精度。根據GPS基站主機定位的縱坐標和主機距水面的固定高度，可精確計算出庫區水位高程。經實際運行，解決了監測數據受氣溫影響不連續的問題，降低了系統故障率，提高了觀測精度，保證了庫區水位監測系統的穩定運行。

3 討 論

(1)通過對峨口鐵礦中線法尾礦庫在線監測系統應用技術的實踐探索，有效解決了由中線法筑壩工藝特點引發系統難以穩定運行的技術難題，可為類似礦山尾礦庫在線監測系統建設參考。

(2)中線法筑壩工藝形成的尾礦庫壩體與上游法相比區別較大，壩體形態隨時不斷發生變化，表面及內部位移變化情況較復雜，受目前國內監測設備生產技術條件的限制，現階段使用的位移監測設備無法全面綜合反映中線法尾礦庫整個壩體內外部的形變及位移變化特征，需對中線法壩體形變位移監測方式及應用途徑進行進一步研究，為尾礦庫壩體穩定性分析提供基礎數據。峨口鐵礦中線法尾礦庫在線監測系統的數據分析、綜合分析及壩體穩定性分析等功能有待于進一步優化。

2016-11-21)

程耀靈(1967—)，男，工程師，034207 山西省代縣峨口鎮。