地浸鈾礦山蒸發池滲漏光纖監測系統研究與應用

侯 錄，關 鍵，侯 江，閆 曄，伍憲玉

(1.核工業北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國工程院戰略咨詢中心，北京 100088)

為了實現地浸鈾礦山綠色開采以保護周邊地下水資源，中國鈾礦冶行業設計標準要求生產礦山抽注比為抽液量大于注液量的0.3%[1]。通常地浸鈾礦山將吸附過程產生的尾液處理后排放至蒸發池，通過自然蒸發減少回注水量。蒸發池中的吸附尾液含有毒有害化學成分，泄露后對地下水和土壤環境的影響不容忽視。

通常地浸鈾礦山主要依靠在蒸發池周圍設置觀測孔或在池底鋪設監測電纜，用人工巡檢觀測孔或手搖測量電纜電阻的方式對蒸發池泄漏情況進行監控。這些技術主要存在以下問題：1)無法監控池底滲漏。觀測孔只能檢測到滲流到蒸發池周邊的尾液，無法監控池底滲漏情況；滲漏后兩條電纜之間電導率變化，并不能準確描述蒸發池底工況。2)監測存在盲區。隨著千噸級地浸鈾礦山的建設，地浸蒸發池面積也越來越大。人工巡檢的效率低，觀測孔采用固定間隔的方式布置，也易出現監測盲點；電纜長時間使用后電導率發生變化，造成部分區域測量不準確。3)監測存在滯后性。池底發生滲漏后一段時間，尾液才能擴散到周邊觀測孔；尾液滲漏面積達到一定面積時才能引起電導率的變化。4)無法確定泄漏點位置。觀測孔只能判斷蒸發池滲漏狀態，電導率法只能將滲漏點鎖定在兩根電纜之間，均無法確定發生滲漏的具體位置。一旦發現泄漏需要停止生產，排干蒸發池對池底進行排查，對礦山生產造成嚴重影響。5)缺乏專業監測系統。地浸蒸發池滲漏監測專業性較強，市場上尚沒有針對該行業的專業系統軟件。6)對蒸發池安全性缺乏直接數據證明。已有監測技術方案都無法直觀可靠的保證中國地浸蒸發池的安全性。

基于分布式光纖測溫技術的滲漏監測系統可實現光纖連續分布的溫度場實時測量，距離可達幾十千米，分辨率高；與其他傳感器相比，具有以下優點：1)絕緣性好，抗電磁干擾，耐腐蝕，壽命長，測量靈敏，精度高；2)光纖布置簡單，彎曲半徑大，可實現任意形狀分布式傳感；3)傳輸信息量大，可多通道同時測量控制；4)可同時實現傳感和信號傳輸，成本較低。

分布式光纖測溫技術已在國內外成功應用于水壩、石油管道和隧道等環境的滲漏監測，但在鈾礦冶行業內尚無先例[2-5]。

為保障蒸發池安全可靠運行，預防因廢水滲漏引起的安全環保事故發生，確保生產安全穩定運行，本項目采用分布式光纖測溫滲漏監測系統，為地浸鈾礦山的綠色開采提供技術支撐。

1 分布式光纖測溫技術原理

分布式光纖測溫技術是利用大功率脈沖光在光纖傳輸過程中產生散射的原理，通過測量背向拉曼散射光信號及時域分析進行溫度的測量與定位。光波在光纖中傳輸時，會產生后向散射光[6]。散射有多種形式，分布式光纖測溫系統主要利用其中的瑞利散射和拉曼散射，通過測量入射激光在光纖中不同距離處產生的散射波，測知沿光纖分布各點的實時溫度。

瑞利散射的特點是散射光與入射光頻率相同，如圖1所示。散射光強度與入射光波長的4次方成反比，光沿光纖傳播時，一部分光沿入射光180°方向散射，返回光源，測得散射光返回輸入端的時間即可實現定位。因此以瑞利散射為核心的光時域反射(OTDR)原理，給分布式光纖測溫系統提供了分布式溫度測量的空間定位信息。

圖1 瑞利散射返回信號強度與波長關系

當大功率脈沖光通過光纖進行傳輸時，光纖某一點的反向散射光返回輸入端的時間為t，則該點距離脈沖光輸入端的距離見公式(1)：

(1)

式中：L為溫度變化點對應光纖長度；c為光在真空中速度；t為入射信號與反射信號時間差；n為光纖有效折射率。

通過公式(1)可推導出定位精度計算公式(2)：

(2)

式中：τ為激光脈沖寬度。

拉曼散射是光在光纖中傳播時產生的另一種散射現象，如圖2所示。拉曼散射的頻譜由兩部分組成，分別位于入射光譜的兩側，其中頻率為v0-Δv的是斯托克斯散射光，v0+Δv的是反斯托克斯散射光。反斯托克斯散射光對溫度敏感，其強度受溫度調制；而斯托克斯散射光與溫度基本無關。正是反斯托克斯散射光攜帶的散射區溫度信息，實現分布式光纖測溫系統的溫度測量。

圖2 拉曼散射返回信號強度與波長關系

以某一點為例進行說明，當激光脈沖注入到光纖中時，在距離注入點長度L處發生拉曼散射，光纖入射端測得斯托克散射光和反斯托克散射光功率，取一段光纖L＇作為定標光纖，放置在恒溫T0下，可推導出L處溫度計算公式(3)[7]：

(3)

式中：T是光纖L處的絕對溫度；k為波爾茲曼常量；h為普朗克常量；Δv為入射光與拉曼散射光頻率差，αS與αAS分別為斯托克和反斯托克拉曼散射光在光纖單位長度的損耗系數，PS(L)和PAS(L)為L處斯托克和反斯托克拉曼散射光功率，PS(L＇)和PAS(L＇)斯為L＇處斯托克和反斯托克拉曼散射光功率。

從公式(3)可知，通過測量相關參數可以得出光纖任一點溫度值。

由此可以看出，瑞利散射和拉曼散射作為分布式光纖測溫系統的兩個核心原理，前者用于空間定位，后者用于溫度測量和數據傳導，共同形成一個溫度和空間的一一對應關系，從而達到分布式測溫的目的。

2 技術方案

2.1 系統總體設計思路

針對地浸蒸發池滲漏監測存在的問題，通過多年現場科研試驗，開發了地浸鈾礦山蒸發池滲漏在線監測系統。該系統基于分布式光纖測溫技術原理，通過監測溫度的變化判斷滲漏情況[8]。地浸鈾礦蒸發池底部溫度相對穩定，滲漏尾液與土壤接觸時發生熱傳遞引起溫度場變化，滲漏位置與非滲漏位置產生溫度差，通過鋪設測溫光纖連續監測蒸發池底部土壤的溫度場，系統捕捉溫度變化異常點，然后通過溫度場反推空間位置進而定位滲漏點。本項目采用分布式光纖測溫系統(DTS)，將定制的可加熱測溫光纖鋪設在蒸發池底，監測池底液體滲透后對周邊土壤引起的溫度變化，建立溫度場變化和滲漏點空間坐標數學模型；依托自動化控制系統監控蒸發池水溫和地下土壤溫度，通過加熱光纖，確保光纖周圍土壤和蒸發池尾液溫差在1 ℃以上，保障測量精度；并利用信息化技術設計了蒸發池廢水泄漏的實時在線監測系統，實現了蒸發池滲漏點在線實時監測和精確定位。在蒸發池發生大規模泄漏前及時發現事故隱患，避免對周邊環境造成生態事故。

2.2 系統架構

蒸發池滲漏光纖測溫探測系統由光纖感溫探測DTS主機、加熱光纜(探測、傳輸光纜)、加熱控制及回路切換裝置、光纜接線盒、客戶端工控機等組成，系統架構如圖3所示。

圖3 系統架構示意

DTS主機和客戶端工控機放置在浸出液處理廠房，加熱控制裝置、電源回路切換裝置及光纜接線裝置放置在蒸發池就地電源控制柜。蒸發池底部探測光纜通過光纜接線裝置引至DTS主機，DTS主機通過以太網連接至控制中心工控機，工控機通過串口光端機控制加熱控制裝置及電源回路切換裝置，并實現對DTS主機的遠程控制。圖3中所示的可加熱探測光纜的頭尾導線分別通過電源切換裝置接在加熱電源上。

該系統共接有4根可加熱探測光纜，其中：1#池單獨使用一根可加熱探測光纜；2#和3#共用一根；4#和5#池共用一根；6#和7#池共用一根。系統將采用先后輪巡采集的方式分別測量通道一至通道四共4根光纜的溫度數據。同時在浸出液處理廠房與蒸發池之間架空布置的測溫光纖可用于監測環境溫度，并與池底溫度進行比對。

2.3 光纜鋪設工藝

為了全方位掌握蒸發池底部溫度變化，光纜鋪設方案尤為重要，本系統主要從光纜鋪設整體布局設計和單根探測光纜鋪設工藝兩部分確保在經濟最優的情況下有效定位滲漏點。

由于測溫光纖標注有效測量范圍為1 m，空間模型數據點間隔以0.5 m遞增，因此依次開展間隔2.0、2.5、3.0和3.5 m的監測試驗，不同間隔下多次試驗的溫度變化均值，如表1所示。可以看出部署間隔超過3 m，滲漏液對溫度場影響明顯下降，系統在不加熱電纜的情況下幾乎無法分辨，由于要求環境與蒸發池底的溫差在1 ℃以上，因此光纖鋪設間隔設置為3 m。

表1 光纜不同間隔測溫試驗對比

根據試驗結果設計蒸發池底光纖鋪設工藝，可加熱探測光纜埋設于蒸發池底，光纜鋪設間距為3 m，鋪設在池底下方30 cm處。當蒸發池有滲漏時會形成漏斗狀的滲漏區，這樣的鋪設方案可保證滲漏點在有效的探測光纜監測半徑內，如圖4所示。

圖4 加熱光纜池底鋪設方式示意

池子內光纜鋪設示意如圖5所示，光纖彎折角度大于90°，在鋪設過程中記錄光纖米標數據，最后形成空間坐標-米標對照表，在軟件系統中繪制池底光纖分布圖，就可以對應蒸發池的每個地理坐標，實現精準定位。

圖5 光纜池內鋪設示意

單根光纖鋪設工藝影響溫度測量的準確性。在放置光纜前，在池底部鋪設黏土層，然后按照圖6所示開挖深度10 cm，寬度35～40 cm的“V”型槽，在“V”型槽底部挖一條深為5～10 cm的溝，在溝中填上中粗砂，確保光纜不會受力變形。埋設光纜后，在黏土層上方鋪一層厚度60 cm的夯實黏土層，并在黏土層上方鋪設防滲土工膜(無紡布和PVC高密度聚乙烯土工膜2層防滲層)，最后鋪設一層壓實黏土防滲層30 cm。

圖6 光纜鋪設工藝示意

2.4 軟件系統設計

地浸鈾礦山蒸發池滲漏光纖監測系統由滲漏監測軟件、自控系統和信息化管理系統組成。滲漏監測軟件安裝在浸出液處理廠房控制室的監控電腦上，軟件讀取測溫光纖溫度并監測池底滲漏情況，發現環境溫度與池底溫度的溫差小于1 ℃后，通知自控系統開啟光纖加熱；自控系統部署在廠中控室工程師站，通過PLC啟動光纖加熱器，加熱過程可通過上位機組態軟件遠程控制；信息化管理系統主要用于對蒸發池數據進行統計管理，利用中間件數據采集系統提取監測軟件和自控系統數據，對地浸蒸發池運行數據進行統計分析。軟件系統結構如圖7所示。

圖7 軟件系統結構

系統可根據模型自動定位泄漏位置并發出滲漏警告，并將滲漏情況及時反饋給信息管理系統。

3 試驗過程及結果分析

3.1 試驗點選取

系統建立后，通過現場滲漏試驗驗證系統的可靠性，試驗選取3個測試點澆注冷水：1)測試點A數據點3 873；2)測試點B數據點2 865，打開光纜加溫系統，待光纜溫度穩定后注水；3)測試點C數據點3 063，關閉光纜加溫系統立即注水。

3.2 試驗結果分析

澆水試驗開始前，系統穩定運行后采集池底溫度，溫度曲線如圖8所示。其中橫坐標為空間數據點，縱坐標為數據點對應溫度。

圖8 池底溫度曲線

3.2.1測試點A結果及分析

選定現場光纜米標為1 359處，17:51:00開始注水。17:53:00，點3 873的溫度快速降至22.3 ℃，準確定位注水點，如圖9所示。對比注水點與與正常點曲線的溫度變化可知：點3 873處，即現場光纜實際米標1 359 m處的溫度下降至22.3 ℃，峰值響應速度快。從現場米標和數據點對應關系，對應3 873數據點的米標數為1 359.5 m，定位誤差在1 m以內。

圖9 測試點A注水前后溫度曲線

3.2.2測試點B結果及分析

加熱穩定后注水，溫度曲線如圖10所示。

圖10 測試點B加熱注水前后溫度曲線

對比注水前后曲線圖上的溫度變化可知：數據點2 865處的溫度注水前與注水后變化較大，明顯降低，此處為測試點B，查找對應表對應的米標為1 863 m。結果計算位置1 863 m和實際位置1 863.5 m基本對應，誤差范圍0.5 m。

3.2.3測試點C結果及分析

切斷加溫系統注入水后，18:30:00溫度曲線如圖11所示。對比注水前后曲線圖上的溫度變化可知：點3 063處的溫度變化明顯，此處為測試點C，對應米標為1 765 m。結果計算位置和實際位置1 764.5 m基本對應，誤差0.5 m。

圖11 切斷加溫系統注水前后溫度曲線

經過現場3組試驗，從數據分析可以看出，該系統在蒸發池測漏方面可以快速準確判斷出滲漏位置及發生時間，取得很好的監測效果。

4 結論

系統實現了池底全范圍工況下24 h在線連續監測，避免了監測盲區，提高了蒸發池系統運行可靠性。通過建立蒸發池底部溫度場與滲漏點空間坐標關系模型，可快速準確判斷出滲漏位置及發生時間，空間定位誤差在1 m以內，滲漏時間響應速度小于2 min。通過優化光纖鋪設工藝，系統可快速定位滲漏點，解決了蒸發池泄漏監測滯后的問題。

該系統投入運行至今，運行良好、數據穩定，后期運維工作量小，光纜的壽命長達30年，DTS主機的核心器件設計壽命大于10萬個小時；并且主機內置溫度標定單元以及故障自檢模塊，測溫穩定、可靠，滿足現役礦山服務年限要求。