基于GNSS形變監測技術的尾礦庫安全在線監測系統在司家營北區尾礦庫的應用

馬東升

（河鋼集團礦業公司司家營北區分公司，唐山 灤縣 063700）

安全生產事關廣大人民群眾的根本利益，事關改革發展和穩定的大局。當前，我國尾礦庫安全運行的主要技術參數有壩體內外部形變位移、浸潤線、干灘長度、庫水位等，傳統的監測方式安全監測工作量大、受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統誤差和人工誤差。同時，人工監測還存在不能及時監測尾礦庫的各項技術參數，難以及時掌握尾礦庫各項安全技術指標等缺點，這些都將影響尾礦庫的安全生產和安全管理水平。

系統的實施，便于企業和安全監管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態，有利于及時掌握尾礦庫的運行狀況和安全現狀，可以提高尾礦庫的安全性，保障庫區下游企業及人民群眾的生命財產安全，避免因尾礦庫事故而造成的環境污染，保護生態環境。

1 總體思路

本系統是由庫區監測終端、網絡通訊子系統、監測數據處理服務中心、預警發布系統四部分組成。系統的實施目標是發現及預報尾礦庫當前存在的問題及不足，便于企業和安全監管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態，有利于及時掌握尾礦庫的運行狀況和安全現狀，發現問題預先處理，提高尾礦庫的安全性。

2 技術方案

本系統是在我公司幾個尾礦庫建立一套以GNSS為核心技術的尾礦庫在線安全監測系統，包括利用GNSS監測終端及各種在線傳感器對尾礦庫的實時安全監測、尾礦庫控制室與廠區總調度室之間的通信子系統、控制中心計算機系統、web報表查詢系統和聲光與短信報警系統。使企業能夠逐級對尾礦庫進行在線監測，從宏觀上實時控制、監督、指揮調度，微觀上實時監控尾礦庫的安全運行，以技術和管理雙方面為抓手，確實消除尾礦庫的安全隱患。主要監測項目：壩體外部形變位移監測、壩體內部形變位移監測、浸潤線監測、庫水位監測、干灘長度監測、降雨量監測、視頻監控。

2.1 尾礦庫壩體形變位移監測

表面位移測主要是監測尾礦壩整體及局部位置的水平及垂直位移變化量，即觀測點在某一時刻的水平及垂直方向的位移。本系統采用三星多頻GNSS監測。每個監測點與基準點的GNSS接收機實時接收衛星信號，并通過數據通訊網絡實時傳送到控制室，控制室服務器內的在線監測軟件實時差分解算出各監測點三維坐標，再由數據分析軟件對獲取的坐標進行分析，再與原始標定坐標進行比對得出位移量。

2.2 內部位移監測

內部位移監測通過測斜儀來進行監測，用測斜儀的變化量來測定壩體內部的位移量。

2.3 浸潤線監測

浸潤線作為尾礦壩安全的生命線，其數據超標直接影響尾礦庫的安全，故而對浸潤線的監測是尾礦庫在線監測的重中之重。浸潤線采用滲壓計來進行監測，當測孔內的水壓作用在滲壓計上，將引起傳感器的形變，其形變帶動振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變其振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號傳輸至控制室，即可測出孔內水壓的壓力值，進而計算得出浸潤線的高度。

2.4 庫水位監測

對于庫水位的監測能夠實時準確的反映出庫區水位狀況，保證安全監管部門和企業在汛期來臨之前，直觀地了解和掌握尾礦庫內庫水位情況。在庫內排水構筑物附近安裝超聲波液位計，可實時測量出液位計距庫水面的高差，高差值加上液位計安裝高度即為庫水位高程。

2.5 干灘長度、灘頂標高及特征點監測

干灘長度、灘頂標高、特征點的測量是由尾礦壩自身的運行特點決定的，尾礦庫隨著尾礦的排放壩體需要一直加高，干灘長度、灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高是動態變化的指標。利用庫水位監測結果和壩體灘頂標高，結合數學計算方法，在軟件中實現干灘上3個點干灘長度的測量和計算，并選擇最短的一個做為干灘長度數值。檢測采用可移動特征點進行測量，系統的精度為：1mm＋1ppm*D（其中D表示位移觀測中心與監測點間的距離，m）

2.6 雨量監測

在汛期，對雨量的監測也十分重要，它是尾礦庫在有限的庫容范圍內防洪能力調節的原始指標。如果雨量過大、過急，而調洪能力有限，則就要采取相應措施。使用PH-YL雨量計可以實時觀測雨量數據。

2.7 視頻巡視監測

為了真實地觀測尾礦庫大壩、庫區現狀、庫區周邊情況等，安裝了線視頻攝像系統，對尾礦庫進行視頻觀測。目前網絡視頻攝像技術非常成熟，選擇了360旋轉、長距離變焦的高速云臺攝像系統。

2.8 系統功能模塊

系統主要包含：數據采集模塊、數據解算模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、數據查詢模塊、數據分析模塊。

（1）數據采集模塊。軟件系統通過網絡將現場GNSS接收機、滲壓計、測斜儀、雨量計、物位計等現場監測設備接入系統，系統通過各類設備的數據接口對現場設備進行數據采集。

（2）數據解算模塊。監測系統采用GNSS解算軟件，該軟件支持GPSGLONASSBDSA聯合解算。系統對采集的各類原始數據進行處理，最終解算出基準站和監測站的原始坐標。監測系統基于變形監測中所有基準站和監測站的原始數據，調用系統的解算軟件接口，生成高精度單歷元變形信息，并將變形信息實時存入數據庫，供其他系統進行調用。

（3）數據處理模塊。監測系統需要將多系統采集的傳感器數據以及解算的GNSS接收機數據進行計算處理。處理后的數據推送至數據分析系統進行分析運算，同時推送至實時數據頁面進行數據展示，另外處理后的數據進入數據存儲模塊進行存儲與應用。

（4）數據存儲模塊。為了應對實際應用中的各種需求對于各類監測設備所得到的原始數據、解算結果數據均需要進行保存。數據庫采用的是SQL2008。

（5）數據查詢模塊。系統具有統計查詢功能，可對基準站、監測站、傳感器采集的實時數據、歷史數據、報警信息等進行多種方式的查詢和統計，可查詢實時數據、某時間段數據和累積數據。

（6）數據分析模塊。數據分析模塊主要是對監測解算數據以圖形化的方式統計分析，數據在存儲到數據庫的同時，也將解算結果傳輸給數據分析軟件，以實現實時的數據分析，也能調用數據庫中歷史數據實現歷史統計分析。

（7）預警報告功能。系統提供了多種現在采用的多種預警分析方法，有設置閥值報警等，從不同的角度來預測尾礦壩的安全性。

2.9 通訊

三個尾礦庫安全在線監測系統數據通過VPN和公司建立連接，廠區人員可通過辦公電腦實時查看、監測尾礦庫各項內容，保證數據的實時性，準確性。

3 總結

該系統于2018年6月起在司家營北區礦山分公司投入運行，運行后利于安全監管部門以及企業能夠實時、準確的掌握尾礦庫的運行狀況和安全現狀，增加了尾礦庫的安全性。

尾礦庫各項參數的實時監測及預警是尾礦庫安全生產管理過程中頭等重要的工作，尾礦庫安全在線監測系統實施后，主要表現在以下幾方面。采用數字化、信息化的手段檢測和監視日常尾礦庫狀況，實現了對尾礦庫的在線監測。通過對尾礦庫技術參數的在線監測，保證了尾礦庫長期運行的穩定、安全。通過在線監測數據進行實際工作性態的反分析，可檢驗尾礦庫的遠行狀態。通過對尾礦庫各項數據、指標的監測，保障庫區下游企業及人民群眾的生命財產安全，避免因尾礦庫事故而造成的環境污染，保護庫區周圍的生態環境。該系統的逐步實施和推廣，可以較大提高尾礦庫各項數據監測的實時性及準確性，全面提升尾礦庫安全、生產管理水平，增強政府、社會、企業對于尾礦庫災害的預警響應能力，制定科學有效的方法來預防尾礦庫風險，有效保障人民的生命財產安全和生態環境安全。