極端天氣條件的尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)防護(hù)技術(shù)研究

蘇 軍，張 達(dá)

（北京礦冶研究總院，北京100070）

1 概述

所謂“極端”在國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確定義，而“極端天氣”是指某一天出現(xiàn)極端高溫，或者某天200mm/h的強(qiáng)降水等這類的天氣事件。一般情況下，認(rèn)為這種極端天氣事件出現(xiàn)的概率在5%以下，但隨著全球氣候變暖，極端天氣事件明顯增加，是世界氣象組織取得的公認(rèn)事實(shí)［1］。

本文中所指的極端天氣條件是指大雨、極高溫、極低溫、大雪、大風(fēng)等嚴(yán)重影響尾礦庫管理人員正常人工取得尾礦庫實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)的特殊氣候條件。這種氣候條件給尾礦庫的正常管理和維護(hù)帶來極大的困難，沒有在線監(jiān)測系統(tǒng)的幫助無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測尾礦庫重大隱患和災(zāi)情。

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在尾礦庫庫區(qū)內(nèi)的，實(shí)時(shí)監(jiān)測尾礦庫運(yùn)行參數(shù)及重點(diǎn)部位信息的儀器設(shè)備和為保證這些儀器設(shè)備正常運(yùn)行所建設(shè)的、必要的供電、通信、防雷等輔助措施，以及實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、分析、管理、預(yù)警和發(fā)布等功能的安全在線監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件管理平臺。根據(jù)尾礦庫管理的實(shí)際需求和相關(guān)規(guī)范，尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測項(xiàng)目有壩體位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、干灘監(jiān)測、庫水位監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、滲流量監(jiān)測、視頻監(jiān)控等，其基本功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測尾礦庫主要參數(shù)和關(guān)鍵部位的運(yùn)行狀態(tài)，為尾礦庫管理人員提供安全管理平臺和尾礦庫運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，減輕管理人員工作強(qiáng)度，提高工作效率，為及時(shí)掌握尾礦庫安全狀況和尾礦庫安全性評估提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2］。

一般天氣條件下，尾礦庫管理人員可以通過人工監(jiān)測方式很容易得到尾礦庫狀態(tài)信息。但在極端天氣條件下，人工無法及時(shí)獲取尾礦庫運(yùn)行參數(shù)時(shí)，在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)獲取，幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，排除安全隱患，這是在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用之一。所以，必須保證尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)在極端天氣條件下的適用性和可靠性，才能發(fā)揮在線監(jiān)測的作用。本文主要從尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和極端天氣應(yīng)對方案層面討論如何提高尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)在極端天氣條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 應(yīng)對極端天氣條件的關(guān)鍵技術(shù)

極端天氣條件下，尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)需要克服的困難主要有以下幾個(gè)方面：①采集設(shè)備在極端天氣條件下，防水、防雷和防腐性能不能滿足使用要求，直接影響采集設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性；②供電和通信設(shè)備受極端天氣影響，達(dá)不到穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)要求；③極端天氣條件對電氣設(shè)備的干擾和雷擊概率大大增加，需要提高系統(tǒng)的抗干擾（雷擊）能力。

針對上述幾種極端天氣的影響，需要解決的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有：①前端采集設(shè)備的高集成度和高防護(hù)技術(shù)；②野外特殊環(huán)境（異常溫度、濕度）下的可靠供電技術(shù)；③穩(wěn)定通信技術(shù)［3］。

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的防護(hù)技術(shù)

以往許多尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備分散安裝、防護(hù)較差，極端氣象條件下容易發(fā)生故障，影響系統(tǒng)正常工作。針對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行模塊化優(yōu)化，從庫水位監(jiān)測模塊、降雨量監(jiān)測模塊、干灘監(jiān)測模塊、智能化供電模塊、壩體位移監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集與發(fā)布模塊等角度，將尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行功能劃分，形成最小功能單元，使得采集裝置、通信裝置及其供電裝置等能夠進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)封裝，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化。在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的密封技術(shù)提高模塊的防水防塵性能，在電源接口、數(shù)據(jù)接口處采用密封塞處理；采用先進(jìn)封裝材料提高模塊的防銹、抗腐蝕能力；通過緊固裝置、緩沖及減震設(shè)計(jì)提高模塊關(guān)鍵部件的防震性能；在模塊中各設(shè)備選用溫度跨度較大的設(shè)備基礎(chǔ)上，增加溫度控制裝置，提高模塊IP防護(hù)等級。同時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行EMC防護(hù)優(yōu)化，防止在外界電氣干擾、靜電等情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定等情況。使得系統(tǒng)能夠在高溫、低溫、暴雨暴雪等極端天氣條件下仍然保持良好的工作狀態(tài)。

2.2 特殊環(huán)境下的可靠供電技術(shù)

為應(yīng)對極端惡劣環(huán)境，需要開發(fā)一種具備高可靠性、能夠適應(yīng)礦山環(huán)境、可以確保在外部斷電情況下為安全監(jiān)控設(shè)備提供本地的智能化不間斷供電裝置。由于鋰電池具有溫度環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕、使用壽命長等特點(diǎn)，開發(fā)基于鋰電池充放電技術(shù)的不間斷供電電源更能適應(yīng)尾礦庫現(xiàn)場條件。同時(shí)，開發(fā)智能供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、虧電報(bào)警、自動(dòng)切換供電電源等功能，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 穩(wěn)定通信技術(shù)

為解決尾礦庫極端天氣情況下極易出現(xiàn)的通信系統(tǒng)線路中斷及通信設(shè)備受到破壞等問題，冗余式有線＋無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種保障通信穩(wěn)定性的有效技術(shù)。

該技術(shù)的核心思想為以光纖通信為主體，利用無線網(wǎng)絡(luò)作為有線通信的冗余備份，形成有線網(wǎng)絡(luò)無縫鏈接，組成有線和無線的通信環(huán)網(wǎng)。當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)激活，接替故障節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高通信線路的穩(wěn)定性。

除了環(huán)網(wǎng)技術(shù)外，還可設(shè)置多個(gè)無線設(shè)備，利用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的無線冗余傳輸，即，有線網(wǎng)絡(luò)斷路時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)激活并自動(dòng)尋找傳輸路徑，保障通信線路穩(wěn)定。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)（基站）可通過自主配置完成目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)組建，適合于區(qū)域環(huán)境覆蓋和寬帶高速無線接入（圖1）［4］。

圖1 Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 極端天氣條件應(yīng)對方案及實(shí)例應(yīng)用

利用前述幾種技術(shù)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，形成尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)針對極端天氣的應(yīng)對方案，并在實(shí)際案例中應(yīng)用。

3.1 案例簡介

某尾礦庫最終堆積壩頂高程130m，壩高74m，總庫容為2225萬m3，下游百米內(nèi)即為生活區(qū)，按Ⅱ等庫進(jìn)行管理。圍繞庫區(qū)的主堆積壩、4＃、5＃、6＃三個(gè)漿砌石副壩體及庫水位等區(qū)域?yàn)樵诰€監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)控區(qū)域。

該尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容為壩體表面和內(nèi)部位移、浸潤線、滲流量、干灘、庫水位、降雨量、壩體應(yīng)力和視頻監(jiān)控。圖2為尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)平面布置圖，其主壩體及附近干灘設(shè)置了壩體表面位移、內(nèi)部位移浸潤線、干灘高程、滲流量等監(jiān)測項(xiàng)目，4＃、5＃、6＃三個(gè)漿砌石副壩體設(shè)置壩體應(yīng)力監(jiān)測，庫水位監(jiān)測區(qū)設(shè)置在6＃副壩附近，同時(shí)設(shè)置視頻監(jiān)控和主要供電點(diǎn)。

圖2 某尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

3.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)極端天氣應(yīng)對方案

3.2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備模塊化封裝，配置野外高防護(hù)箱

將野外采集設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)裙δ茉O(shè)備集成化，形成各監(jiān)測項(xiàng)目綜合功能模塊，提高設(shè)備的集成度，便于一體化封裝，提高防護(hù)性能。然后開發(fā)高防護(hù)野外保護(hù)箱，實(shí)現(xiàn)更可靠的防護(hù)。例如，庫水位監(jiān)測點(diǎn)的傳感器設(shè)備安裝在野外，其數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和傳輸功能模塊相對獨(dú)立，故障點(diǎn)多，不利于防護(hù)和封裝。通過對各功能模塊進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，一體化封裝，將傳感器的供電、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、通信和防雷等功能模塊集成化，并統(tǒng)一封裝后形成獨(dú)立的庫水位監(jiān)測綜合功能模塊，并配置高防護(hù)野外保護(hù)箱，能大大提高設(shè)備惡劣環(huán)境使用的穩(wěn)定性和適用性。

該尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在主壩體壩頂和庫水位監(jiān)測點(diǎn)處分別設(shè)置野外綜合采集設(shè)備，集成多種數(shù)據(jù)采集能力，高防護(hù)箱統(tǒng)一封裝，提高系統(tǒng)防護(hù)能力。

3.2.2 冗余供電方案

供電穩(wěn)定性是決定尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，利用前述智能供電技術(shù)，設(shè)計(jì)冗余供電方案，可以保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

尾礦庫是礦山企業(yè)的重要工業(yè)設(shè)施，要求其供電保持一定的穩(wěn)定，所以，尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電首選工業(yè)供電；在極端天氣條件下，尾礦庫的主體線路停電不可避免，供電方案設(shè)計(jì)在野外重要監(jiān)測點(diǎn)（如庫水位監(jiān)測點(diǎn)）配備風(fēng)能或光伏等冗余供電系統(tǒng)，保證工業(yè)供電意外斷電后供電穩(wěn)定性；利用智能供電技術(shù)自動(dòng)切換冗余供電系統(tǒng)和主供電回路，并將供電系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳，具有斷電或虧電報(bào)警功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控供電狀態(tài)，保障維護(hù)的及時(shí)性。

該尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)在主壩體的壩頂和6＃副壩附近，設(shè)置風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，作為主體供電系統(tǒng)的冗余供電系統(tǒng)，供電點(diǎn)配置智能功能模塊，保障冗余供電系統(tǒng)的自動(dòng)切換和供電狀態(tài)的穩(wěn)定上傳。如圖3所示的該尾礦庫庫水位監(jiān)測點(diǎn)的冗余供電系統(tǒng)示意圖。

3.2.3 環(huán)網(wǎng)通信方案

光纖有線通信技術(shù)穩(wěn)定可靠，使用廣泛，是當(dāng)前各行業(yè)主要的通信方式。但在極端天氣條件下，光纜通信線路有損壞的可能，恢復(fù)時(shí)間較長，會(huì)直接影響尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。因此，采用有基于線＋無線通信環(huán)網(wǎng)技術(shù)及無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)通信方案。

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)主體通信線路采用光纖通信，現(xiàn)場的地形條件決定了通信線路兩端往往不能閉合，采用無線技術(shù)進(jìn)行閉合，形成主通信環(huán)網(wǎng)方案；同時(shí)，設(shè)計(jì)在通信線路的主要節(jié)點(diǎn)、主要監(jiān)測點(diǎn)等處設(shè)置多個(gè)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)終端和網(wǎng)關(guān)，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)與主回路通信意外中斷時(shí)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)激活，保障通信持續(xù)不間斷，提高系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。

圖4為該尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中的主通信回路為有線光纖＋無線閉合環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通信回路中設(shè)置無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)庫區(qū)主要監(jiān)測區(qū)域的局部無線通信覆蓋，形成庫區(qū)多重保障通信結(jié)構(gòu)，通信系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。

3.2.4 防雷防浪涌方案

圖3 野外監(jiān)測點(diǎn)冗余供電系統(tǒng)示意圖

圖4 某尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

雷電活動(dòng)受地形、地勢的影響較為明顯，尾礦庫多為山谷地區(qū)，當(dāng)雷云隨著季風(fēng)從山谷穿越時(shí)，山谷內(nèi)的突出物很容易引起雷云對其放電，成為主要的雷擊目標(biāo)。尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成主要是電子設(shè)備，安裝在尾礦庫關(guān)鍵部位，不僅受直擊雷威脅，也很容易受到大量感應(yīng)雷和雷電波入侵的破壞。目前已實(shí)施的一些尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)中，多數(shù)防雷措施達(dá)不到規(guī)范要求，防雷方案設(shè)計(jì)不完善或根本沒有完整的防雷方案設(shè)計(jì)，嚴(yán)重影響了尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性［5］。

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷方案應(yīng)按照整體設(shè)計(jì)、分級防護(hù)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以接地網(wǎng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，配置多級浪涌保護(hù)（SPD），并保證浪涌保護(hù)器選型與防護(hù)等級匹配。同時(shí)，需要設(shè)計(jì)等電位保護(hù)和供電通信線路的雷電防護(hù)方案，全方位考慮系統(tǒng)的防雷防浪涌方案。

該尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①規(guī)范設(shè)計(jì)值班室和野外設(shè)備的防雷等級，按防護(hù)等級配置電源的三級浪涌保護(hù)器和其他數(shù)據(jù)信號浪涌保護(hù)器；②設(shè)計(jì)主要接地網(wǎng)，保證系統(tǒng)各接地點(diǎn)接地電阻滿足相應(yīng)規(guī)范要求；③所有通信線路的光纜吊線和電源線纜的PE線接入主接地網(wǎng)，形成線路整體等電位；④值班室內(nèi)所有接地點(diǎn)、設(shè)備等通過總等電位端子箱等電位，室外防護(hù)箱和分站等設(shè)備內(nèi)部等電位，并通過等電位端子排一點(diǎn)接地。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及使用效果

該尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)建成運(yùn)行后，經(jīng)歷了大雨及雷電等極端天氣，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)一直保持正常。表1～3的綜合采集設(shè)備采集數(shù)據(jù)對比表和供電通信系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表，是根據(jù)系統(tǒng)6個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以證明，該系統(tǒng)采用的幾種應(yīng)對極端天氣的技術(shù)方案起到了應(yīng)有的作用，保障了在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

表1 綜合采集設(shè)備數(shù)據(jù)對比表

表2 系統(tǒng)野外供電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)表

表3 系統(tǒng)通信線路參數(shù)表

4 結(jié)論

1）尾礦庫庫區(qū)的野外環(huán)境惡劣，安全在線監(jiān)測系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抵抗極端天氣能力才能保證系統(tǒng)的正常使用，否則不僅浪費(fèi)國家和企業(yè)的投資，更起不到保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的作用。

2）實(shí)踐證明，野外設(shè)備的防護(hù)、供電通信系統(tǒng)的穩(wěn)定和防雷防浪涌功能是保障尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵點(diǎn)，這幾個(gè)方面的完善設(shè)計(jì)和規(guī)范施工可以大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

［1］ 新華網(wǎng).天氣與氣候 所謂“極端”并無明確定義［EB/OL］.（20－08－19）［2014－5－1］.http：//news.xinhuanet.com/tech/2012－08/19/c_123597889.htm.

［2］ 國家安全監(jiān)督管理總局.AQ 2030—2010尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

［3］ 張達(dá)，張曉樸，楊小聰.尾礦庫在線監(jiān)測及應(yīng)急指揮系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用［J］.礦冶，2011，20（2）：20－25.

［4］ 楊陽，章平，歐陽偉.極端氣象下尾礦庫監(jiān)測通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2013，33（5）：99－103.

［5］ 蘇軍，張達(dá)，韓志磊，等.尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)［J］.金屬礦山，2013（11）：126－129.