試論尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可靠性評估

張黎黎

（長春工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

我國也是一個礦業(yè)大國，尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以堆存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所，是一個具有高勢能的重大危險源，是礦山選礦廠生產(chǎn)必不可少的組成部分，也是維持金屬非金屬礦山正常生產(chǎn)的必要設(shè)施，大量尾砂一旦發(fā)生泄漏、甚至潰壩，具有高勢能的人造泥石流的重大危險源[1]。

一、簡述尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

1、尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基本構(gòu)成

它主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

其中硬件系統(tǒng)由壩體位移監(jiān)測設(shè)施、浸潤線監(jiān)測設(shè)施、庫水位監(jiān)測設(shè)施和其他監(jiān)測設(shè)施構(gòu)成。壩體位移監(jiān)測設(shè)施又包括GPS位移監(jiān)測和全站儀位移監(jiān)測。尾礦壩GPS位移監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成，監(jiān)測點的布置一般選擇2-3個監(jiān)測剖面，對各個監(jiān)測點的參數(shù)進行計算分析，監(jiān)測單元跟蹤GPS衛(wèi)星并實時采集數(shù)據(jù)，得到預(yù)警參數(shù)，實時監(jiān)測尾礦壩壩坡位移。全站儀以自動記錄和顯示讀數(shù)，監(jiān)測點的布置一般選擇4-5個監(jiān)測剖面，使測角操作簡單化，可避免產(chǎn)生讀數(shù)誤差。對各個監(jiān)測點的參數(shù)進行計算分析，提高了測量作業(yè)的自動化程度。得到預(yù)警參數(shù)，便于光信號的傳播和反射；浸潤線的位置對抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定極其重要。其中滲壓傳感器采用光纖壓力，應(yīng)根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》力求做到使浸潤線不從坡面逸出，根據(jù)實際設(shè)計安裝到浸潤線以下，根據(jù)尾礦庫的具體情況進行確定，幾個滲壓傳感器通過光纜串接起來，必須滿足最小安全干灘長度的要求。確定每個監(jiān)測的各級預(yù)警參數(shù)，對于把握壩體穩(wěn)定狀況具有重要意義。為了實時掌握尾礦庫庫區(qū)的情況[2]，庫水位監(jiān)測點布置在尾礦庫的溢水塔，采用安全超高檢測法檢測尾礦庫防洪能力，以滿足準(zhǔn)確清晰把握尾礦庫運行狀況，光纖水位傳感器用水下光纜連接監(jiān)測主機。根據(jù)防洪級別來計算安全超高，一般設(shè)2個監(jiān)測點，得到預(yù)警參數(shù)。

軟件系統(tǒng)包括監(jiān)測模塊、計算模塊和評價模塊。監(jiān)測模塊用于采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算模塊得到各個監(jiān)測的危險性，將數(shù)據(jù)存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中。通過數(shù)學(xué)模型計算得到綜合評價結(jié)果，其他模塊一般包括人機界面接觸和環(huán)境模塊。

尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)點表現(xiàn)為自動化程度高，監(jiān)測指標(biāo)選擇合理，隨時、及時可獲取尾礦庫運行數(shù)據(jù)，對影響尾礦庫安全生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)監(jiān)測，反映尾礦庫安全運行清況，可靠性大，監(jiān)測成本低、企業(yè)負(fù)擔(dān)輕。監(jiān)測精度高，精確度都在毫米級，具有預(yù)警功能，及時掌握尾礦庫的安全現(xiàn)狀，并對險情進行預(yù)測預(yù)報，為尾礦庫管理提供科學(xué)的依據(jù)，保障庫區(qū)下游企業(yè)正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)壩體穩(wěn)定和防洪安全的自動預(yù)警，庫區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全進一步提高。

2、尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可靠性

尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的可靠性是指產(chǎn)品(或系統(tǒng))在規(guī)定的條件下，在尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，保證其設(shè)計的功能、性能的能力，在礦山野外惡劣環(huán)境下，具有良好的正常使用性能，能承受工作環(huán)境的作用的性能，具有抗老化、抗腐蝕和抗松動的能力，不會影響系統(tǒng)其它部位的正常運行。

具體包括監(jiān)測值的精確性和及時性，能經(jīng)受壽命期內(nèi)的各種外界環(huán)境影響，直接雷擊等作用時不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果，能實現(xiàn)設(shè)計所要求的功能和性能指標(biāo)，對系統(tǒng)的干擾，交通、發(fā)電、泄洪和地震等而滿足使用要求，從而使故障易于查找和修復(fù)等。

可靠性指標(biāo)是評價產(chǎn)品的可靠性定量化尺度，可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，用概率解釋，又叫可靠度分布函數(shù)；故障率又稱失效率，故障率愈高，則可靠性愈低，表示工作到某時刻時尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品。產(chǎn)品的故障形式由多種基本形式混合而成，平均壽命指的是它失效前的工作時間，是指一次故障發(fā)生后到下一次故障發(fā)生前。

系統(tǒng)是指為完成某一特定功能，系統(tǒng)可靠性框圖，也稱系統(tǒng)邏輯框圖。系統(tǒng)的可靠性取決于元件的可靠性及其結(jié)構(gòu)圖，用方框表示單元功能。串聯(lián)系統(tǒng)可靠度等于獨立單元可靠度乘積，其可靠度低于組成該系統(tǒng)的每個單元可靠度，故障率大于組成該系統(tǒng)的每個單元故障率，可靠度取決組成系統(tǒng)的每個單元可靠度；并聯(lián)系統(tǒng)可靠度高于系統(tǒng)每個單元的可靠度，故障率低于組成該系統(tǒng)的每個單元故障率，可靠度取決于系統(tǒng)最大可靠度的單元；串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)混合的系統(tǒng)稱為混聯(lián)系統(tǒng)。

二、尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可靠性評估模型

1、系統(tǒng)可靠性特點

系統(tǒng)具有系統(tǒng)性、全面性、可操作性和實用性。系統(tǒng)可靠性要從系統(tǒng)的安全出發(fā)，都要充分給予考慮，以確?？煽啃缘娜嫘?。應(yīng)著眼于設(shè)計和使用中可能發(fā)生的各種問題，其可靠性研究必須強調(diào)可操作性。進行綜合考察和研究，必須要多方設(shè)想，周密分析，以提高解決實際問題的能力，必須是建立在認(rèn)真的調(diào)查研究之上，有針對性地做出判斷，提出相應(yīng)的對策。結(jié)合尾礦庫企業(yè)的特點、自身條件，針對實踐中可能遇到的各種復(fù)雜的情況，充分考慮與系統(tǒng)安全有聯(lián)系的各種要素，做到量力而行，使系統(tǒng)可操作。

2、硬件系統(tǒng)可靠性

硬件系統(tǒng)根據(jù)其購買產(chǎn)品的不同，可靠性也存在一定程度的不同。模糊可靠性理論利用模糊數(shù)基本概念，進行模糊數(shù)運算，模糊數(shù)的代數(shù)運算法則有多種形式。模糊數(shù)識別大致有按“最大隸屬原則”歸類和按“擇近原則”歸類。隸屬度函數(shù)的確定方法又包括模糊統(tǒng)計法，三分法和專家打分法。

硬件系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性根據(jù)產(chǎn)品多樣性和技術(shù)局限性不同，根據(jù)模糊對稱三角結(jié)構(gòu)元，需要根據(jù)硬件系統(tǒng)的運行狀況，采用系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的失效率，對統(tǒng)硬件系統(tǒng)的實地觀測和示例數(shù)據(jù)分析，根據(jù)硬件系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備、設(shè)施故障率計算其模糊可靠度。

3、軟件可靠性

是指在規(guī)定條件下，軟件程序執(zhí)行所要求功能的能力。故障樹也稱事故樹，故障樹分析方法是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的“樹”，是解決復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的一種有效手段。通過對各種可能造成系統(tǒng)故障的硬件、軟件等相關(guān)內(nèi)容進行分析，是安全系統(tǒng)工程中的重要分析方法之一，并對其危險性進行識別評價，故障概率本身帶有一定的不確定性，確定頂上事件和基本事件，然后畫出故障樹，從要分析的特定事故或故障開始，運用模糊故障樹可靠性的相關(guān)理論，適用于定性和定量分析。

故障樹分析的基本程序過程為熟悉系統(tǒng)，調(diào)查事故，確定頂上事件，確定目標(biāo)值，調(diào)查原因事件，畫故障樹，事件分析，確定事故發(fā)生概率和比較分析。具體地說是詳細(xì)了解系統(tǒng)狀態(tài)及各種參數(shù)，收集事故案例，進行事故統(tǒng)計，對所調(diào)查的事故進行全面分析，求解事故發(fā)生的概率，調(diào)查與事故有關(guān)的所有原因事件，按故障樹結(jié)構(gòu)進行簡化，求出頂上事件的發(fā)生概率，對于不可維修系統(tǒng)求出頂上事件發(fā)生概率即可。故障樹定性定量分析。要進行最小割集和最小徑集的劃分，故障樹定性分析，求頂上事件發(fā)生的概率和基本事件的重要度，應(yīng)用容斥原理中概率計算公式，求出其最小割集和最小徑集。

通過模糊理論，模糊故障樹可靠度分析步驟包括選擇頂事件，將故障樹中的基本事件劃分，進行模糊歸一化處理，利用模糊數(shù)學(xué)的截集定理進行概率區(qū)間確定，計算基本事件的模糊重要度，總結(jié)相關(guān)結(jié)論。

總之，系統(tǒng)可靠性評估模型的建立根據(jù)系統(tǒng)可靠性原理給出基本事件的置信區(qū)間，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分串聯(lián)組成，運用故障樹頂上事件概率計算方法，賦予置信區(qū)間，建立尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

三、某某尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可靠性評估應(yīng)用

基本參數(shù)概述。建有兩座初期壩，均為透水堆石壩，尾礦庫等別為初期四等，終期三等。在庫內(nèi)設(shè)三座高度不同的周邊多孔的鋼筋混凝土溢水塔，尾礦壩己堆至208m標(biāo)高，尾礦庫增容改造后，從220m增加到245m，以保證礦山持續(xù)發(fā)展。暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候，本地區(qū)降雨量年變化率較大，四季分明，干濕冷暖變化明顯，每年降雨多集中在7—8月份，夏季受大陸低壓影響，炎熱多雨。尾礦庫庫區(qū)三面環(huán)山，東、北、西較高，庫區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)較為簡單，尾礦庫采用塔—管式排洪系統(tǒng)。加高擴容設(shè)計情況為主壩尾礦筑壩、預(yù)埋水平排滲體、東壩腳壓坡加固、西壩坡加貼坡反濾保護層、適時修建外壩面排水溝、適時在壩外坡建水位觀測孔及位移觀測樁，新建排水系統(tǒng)，開鑿庫內(nèi)山梁連通溝，尾礦庫增容加高服務(wù)年限，劃分尾礦庫等別。

某某尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)苦系統(tǒng)的現(xiàn)場布置。壩體位移是災(zāi)害演化過程的直觀反應(yīng)指標(biāo)，后期壩的設(shè)計做到使浸潤線不從坡面逸出，通常在溢水塔等重要部位設(shè)置水位監(jiān)測設(shè)置；系統(tǒng)由壩面位移GPS監(jiān)測子系統(tǒng)、浸潤線監(jiān)測子系統(tǒng)、庫水位監(jiān)測子系統(tǒng)等組成。

監(jiān)測實施方案。尾礦壩GPS位移監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)傳輸和控制單元、數(shù)據(jù)處理分析及管理單元，安全計算機控制室設(shè)置軟件系統(tǒng)預(yù)警參數(shù)。并進行浸潤線監(jiān)測、庫水位監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了多個監(jiān)測點共用一臺接收機，預(yù)先通報下游居民進行疏散。

四、結(jié)語

為了確保尾礦庫安全生產(chǎn)，尾礦庫安全生產(chǎn)形勢非常重要。通過分析尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，評估尾礦庫安全生產(chǎn)及其安全設(shè)施，分析該系統(tǒng)可靠性，對保障人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重大的理論和現(xiàn)實意義[4]。

[1]朱開桂.加強科學(xué)管理，實現(xiàn)尾礦庫安全生產(chǎn)[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007，(11).

[2]李忠奎，廖國禮.尾礦庫潰壩監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計研究[J].有色金屬(礦山部分)，2008，(11).

[3]尼早，邱志平.分布參數(shù)為模糊變量的結(jié)構(gòu)體系模糊可靠性分析方法及應(yīng)用[J].航空學(xué)報，2009，(30).

[4]田文旗，薛劍光.尾礦庫安全技術(shù)與管理[M].煤炭工業(yè)出版社，2006.