安全在線監測系統在良礦公司太平尾礦庫應用及預警關鍵數據分析

付海濤

（新余良山礦業有限責任公司，江西 新余 338001）

尾礦庫安全在線監測系統是萬物互聯技術在尾礦庫領域的應用，能夠實時監測尾礦庫各項運行參數并對超限情況進行報警。本文結合安全在線監測系統在良礦公司太平尾礦庫的應用情況，重點介紹了尾礦庫如何實時監測包括庫水位、降雨量、滲流量、壩體變形、壩體浸潤線、干灘長度和視頻監控等指標數據，通過在線系統設置預警指標和對關鍵數據分析實現綜合預警。

1 尾礦庫概況

良礦公司太平尾礦庫采用上游分散放礦法沖積成壩，庫區由兩條狹長呈“V”字型山谷組成。尾礦庫初期壩為透水堆石壩，壩高29.4m，壩頂標高160m，壩頂寬度4.0m，上游邊坡1：1.5，下游邊坡1：1.65。堆積壩每3m設置一個寬2.5m的馬道，尾礦壩平均外坡比約1：4.67。尾礦庫分兩期設計，其中一期尾礦壩堆積高程為210m，二期由中國瑞林公司于2014年10月完成設計，尾礦庫最終設計標高為左溝240m，右溝225m。尾礦庫總占地面積約為874.4畝，尾礦壩總壩高109.4m，總庫容為1649.12×104m3，為二等庫。現堆積壩頂高程為221m，壩高90.4m。由于中間山體的分隔作用，將庫區分為兩條溝谷，呈“V”型分布，尾礦庫設有左溝、右溝兩套排洪系統，尾礦庫左溝匯水面積為0.85km2，尾礦庫右溝匯水面積為0.24km2，采用規范上限1000年一遇進行防洪設計。庫內主要構筑物為2級，次要構筑物為3級，臨時構筑物為4級，尾礦堆積壩最小干灘長度為100m，最小安全超高為1m[1]。

2 在線監測系統整體設計

按照國家法律法規的要求，三等及以上等級的尾礦庫都必須安裝安全在線監測系統。太平尾礦庫作為二等庫，安全在線監測系統建設項目包括：表面位移、內部位移、浸潤線、庫水位、干灘長度、干灘高度、雨量和視頻監視，在線監測系統由現場數據、數據采集和傳輸、現場監控報警、中心網絡發布四部分組成，實現對壩體變形、壩體滲流、干灘、庫水位、庫水位、降雨量的全面自動化監測。

2.1 壩體表面位移監測

壩體表面位移采用可以實時獲取監測點高精度三維坐標的GPS位移在線監測系統，其工作原理為：各GPS監測點與參考點接收機實時接收GPS信號，并通過數據通訊網絡實時發送到控制中心，控制中心服務器GPS數據處理軟件AMS實時差分解算出各監測點三維坐標，數據分析軟件獲取各監測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監測點變化量，同時分析軟件根據事先設定的預警值而進行報警，GPS表面位移監測的誤差水平為±3mm，高程方向為±5mm。

2.2 壩體內部位移監測

壩體內部水平位移監測設施采用固定式單軸測斜儀，首先在尾礦壩設定位置鉆孔，鉆孔深度到壩體內部穩定部位，然后在鉆孔中裝入測斜儀傳感器，把最下面點作為固定點，從而監測壩體結構內部的傾斜狀態。該儀器配合測斜管可反復使用，同時可方便實現傾斜測量的自動化。內部位移監測斷面布置在最大壩高斷面附近，每個監測斷面上布設3條監測垂線，監測垂線的布置形成縱向監測斷面，最下一個測點置于壩基表面，以兼測壩基的沉降量。

2.3 壩體浸潤線監測

壩體浸潤線監測采用振弦式滲壓計，通過在壩體里鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里（與測壓管結合使用）。通過測量滲壓計的壓力，再轉化為水頭高度（高程），結合安裝深度以及孔口高程即可得到壩體或者繞壩的浸潤線高度（高程）。測量精度取決于滲壓計的精度，誤差小于10mm。浸潤線高度=安裝儀器高+滲壓計測量高度[2]。

2.4 庫水位監測

采用超聲波液位計自動監測庫水位高程，實時監測尾礦庫庫內、攔水壩上游水位，對尾礦庫防洪蓄洪能力進行精準監測分析。

2.5 干灘監測

干灘高程采用超聲波測量法進行監測，即在設定的監測點埋設立桿，安裝超聲波液位計，通過測量物位計距探灘面的高度來計算高程。設2個干灘監測剖面，每個監測剖面設3個測點，安裝立桿的高度與子壩高度相適應，并隨壩頂修筑而抬升，灘頂高程監測數據采用無線傳輸至值班室。

2.6 降雨量監測

降雨量監測設備采用容柵式雨量計，計量精度高，操作方便，可靠性好，降雨強度范圍大，計量誤差小。雨量計共2臺，布置在庫區開闊的值班室，自動獲取雨量數據，根據降雨量的情況預測庫水位發展變化趨勢，繪制歷史曲線圖。

2.7 可視化監測

在排水井、庫區、攔洪壩頂、排水隧洞出口等位置設置200萬像素高清紅外網絡球機，通過現場攝像頭實時拍攝并傳輸至控制室的顯示屏上，直觀顯現尾礦庫運行等情況。

2.8 系統功能

尾礦庫在線監測系統擁有三級架構的管理層次，分別是省、市、縣（區）安監局監控平臺、集團公司監控中心平臺和礦山系統監控平臺，三個層次的監控體系共同完成對尾礦庫安全生產的監控和管理。

圖1 三級聯動報警系統架構圖

在線監測系統包括在線采集和安全監測管理分析兩大模塊。數據采集軟件將現場監測數據通過光纖發送到監控中心接收并保存至數據庫，監測數據分析管理軟件自動對測量數據進行換算，直接輸出各種監測物理量，即可實時比較最新的實時數據和限制的關系，如果超限隨即出發聲光報警器、短信報警模塊、網絡報警功能實現多種方式同時報警。通過企業局域網各管理部門的授權用戶可以在內部網絡中隨時查看尾礦庫在線監測系統信息，使有關領導及相關管理人員能夠隨時隨地查看和關注尾礦庫的運行情況，確保在緊急情況時，能夠及時、準確的了解相關信息，輔助決策。

3 關鍵數據分析

3.1 位移分析

本次統計了2020年1月至2020年12月期間堆積壩底部、中部、上部各監測點的監測數據，對其位移變化、沉降大小等波動情況進行了分析。

圖2 堆積壩位移、沉降過程曲線

從上述圖表的曲線波動情況可見：①堆積壩上部210標高測點的位移量和沉降量最大，堆積壩中部次之，堆積壩下部最小，主要原因為堆積壩上部堆壩時間最短，壩體自身沉降固結還未達完全達到穩定狀態，而堆積壩中和下邊因為堆壩時間比較長，壩體已經趨于穩定。②210標高測點位移曲線隨時間均勻上升，呈現逐漸穩固的狀態，所有監測點全年的位移量都較小，尾礦庫整體非常穩定。③210標高測點5月份波動明顯，結合降雨量情況表明：汛期連續降雨是導致數據顯著波動的主要原因之一，主汛期前后是數據波動的顯著時間點，降雨量的大小加速了壩體的活動。

3.2 降雨量影響浸潤線及庫水位分析

（1）為分析降雨量對浸潤線埋深的影響，本文選擇了2020年1月6日至3月3日每小時對應的降雨量和172m標高浸潤線埋深數據，每組數據1353個運用SPSS軟件進行相關性分析，結果顯示浸潤線埋深與降雨量相關性顯著。

表1 降雨量于浸潤線相關性分析表

（2）為分析降雨量對庫水位的影響，本文截取了2020年5月20日零點至12點對應降雨量和庫水位數據，經過對比分析發現：①庫區降雨對庫水位的漲幅影響非常大，是導致庫水位上升的首要原因。②庫水位達到峰值時刻要滯后于降雨量達到峰值的時刻，滯后時間約為1h。這與尾礦庫的匯流面積和地表徑流速度等有關。

圖3 雨量與庫內水位變化過程曲線圖

通過對降雨量影響浸潤線及庫水位的分析，能夠知道浸潤線的埋深和庫水位的變化都受降雨量較大影響，因此提前分析出相互影響的規律，汛期時實時監控降雨量大小，通過對降雨量的預警能夠及時采取應對措施，保證尾礦庫安全運行。

4 結語

通過上述介紹及分析，本文得出如下建議：

（1）在線監測系統預警值的設置是需要隨著壩體的變化而做出動態的調整，在監測系統建成后，各個數據報警值的設置是針對最新壩高情況下的值，由單位管理人員根據壩體現狀自行設置，如果未能及時調整，監測預警系統將發揮不出應有的作用。

（2）整個在線監測系統的建設過程中，防雷設計的好壞是系統能否平穩運行的關鍵，特別是鐵礦山尾礦庫庫區較為空曠并受磁場的影響，非常容易受到雷擊，從本單位幾年來運行情況看，絕大多數傳感器的損壞都是雷擊影響。

綜上所述，尾礦庫運行優劣直接關系到礦山生產安全和人民的財產安全。當前，人們認識到尾礦庫運行過程中安全管理的重要作用，并在尾礦庫運行的過程中制定出了一系列安全管理措施，引進了先進的在線監測和預警技術，希望在監測和預警技術的作用下能夠及時發現尾礦庫運行過程中出現的安全問題，怎么運用好這套系統才是能夠在真正意義上做到防患于未然，提升尾礦庫運行的安全性和可靠性的關鍵。