尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐陽偉，劉忠民

（1.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031；2.南昌航空大學(xué)，江西南昌 330031）

尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐陽偉1，劉忠民2

（1.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031；2.南昌航空大學(xué)，江西南昌 330031）

金屬礦山尾礦庫的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)尾礦庫安全運(yùn)行的保障并不充分,因此建立了適應(yīng)極端氣象的尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),同時(shí)開發(fā)了基于尾礦庫小流域精細(xì)化氣象（降雨）預(yù)報(bào)的“尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)”。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)氣象（降雨）預(yù)報(bào)提前3天對(duì)庫水位進(jìn)行預(yù)測(cè),同時(shí)依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)安全進(jìn)行綜合評(píng)估,當(dāng)不安全因素達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出預(yù)警，并提示應(yīng)急措施。這種融在線監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警為一體的復(fù)合系統(tǒng)能保證尾礦庫的安全運(yùn)行。

尾礦庫;在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);極端氣象;安全預(yù)警系統(tǒng);預(yù)測(cè);評(píng)估

1 尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)的必要性

由于歷史原因，金屬礦山已投入使用的尾礦庫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)落后，許多尾礦庫的安全管理依舊停留在人工階段，缺乏綜合性的安全管理平臺(tái)。建國以來，我國金屬礦山尾礦庫在極端氣象災(zāi)害下共發(fā)生過潰壩68座，損失巨大。進(jìn)入21世紀(jì)以來，受全球氣候變化的影響，極端氣象事件日益增多，尤其是近幾年來，強(qiáng)降雨等極端天氣造成的金屬礦山尾礦庫垮塌災(zāi)害已導(dǎo)致人員死亡數(shù)百余人，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元。

近年來，新修訂的《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》明確提出：“鼓勵(lì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位應(yīng)用尾礦庫在線監(jiān)測(cè)……,一等、二等、三等尾礦庫應(yīng)當(dāng)安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。目前，部分國有大型礦山企業(yè)開始實(shí)施尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-2]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫的重要運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括庫水位、庫區(qū)降雨量、壩體水平和垂直位移、壩體分層沉降和總沉降、壩體浸潤(rùn)線、壩體滲流量、干灘長(zhǎng)度、庫區(qū)視頻監(jiān)測(cè)等）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、計(jì)算和分析。

然而，即使在金屬礦山尾礦庫中安裝了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其對(duì)尾礦庫安全運(yùn)行的保障仍是不充分的。原因在于像尾礦庫這種特小的匯水面積，匯流歷時(shí)很短（在1 h左右），一旦遇到強(qiáng)降雨，在沒有超前預(yù)報(bào)的情況下，就不能為應(yīng)急處理留下充足的時(shí)間。為此，由中國瑞林工程技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)的國家十二五科技支撐計(jì)劃“極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫防災(zāi)技術(shù)研究”課題組在課題示范基地（江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)老尾礦庫）建立了適應(yīng)極端氣象的尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)開發(fā)了基于尾礦庫小流域精細(xì)化氣象（降雨）預(yù)報(bào)“尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)”。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：1）基于尾礦庫區(qū)小流域的精細(xì)化氣象（降雨）預(yù)報(bào)；2）通過氣象超前（降雨）預(yù)報(bào)來模擬出降雨、徑流過程,并結(jié)合庫水位—泄流模型、庫水位—滲流模型,預(yù)測(cè)未來3 d尾礦庫庫水位；3）依據(jù)尾礦庫的重要運(yùn)行數(shù)據(jù)（在線監(jiān)測(cè)的及預(yù)測(cè)的）對(duì)尾礦庫安全進(jìn)行評(píng)估,從系統(tǒng)整體安全角度出發(fā),結(jié)合影響尾礦庫安全的主要因素和綜合管理情況,提出了尾礦庫安全性三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模糊綜合評(píng)價(jià)方法。

示范基地尾礦庫的安全運(yùn)行既實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)重要運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其“尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)”也實(shí)現(xiàn)了根據(jù)氣象（降雨）預(yù)報(bào)提前3天對(duì)庫水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)安全進(jìn)行綜合評(píng)估，當(dāng)不安全因素達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出預(yù)警，并提示應(yīng)急措施。本研究認(rèn)為這種融在線監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警為一體的復(fù)合系統(tǒng)才能真正保證尾礦庫運(yùn)行安全。

2 尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)由多個(gè)單位協(xié)作開發(fā)而成，圖中所示的浸潤(rùn)線計(jì)算、三級(jí)預(yù)警系統(tǒng)分別由南昌大學(xué)和中南大學(xué)開發(fā)，泄流計(jì)算、徑流計(jì)算、潰壩計(jì)算和預(yù)測(cè)庫水位計(jì)算由中國瑞林負(fù)責(zé)開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其中泄流計(jì)算模塊形成庫水位與泄流量的函數(shù)關(guān)系，供預(yù)測(cè)庫水位計(jì)算模塊調(diào)用；徑流計(jì)算模塊根據(jù)江西省氣象局推送到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的未來3天氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出未來3天的一次洪水總量和洪峰流量，供預(yù)測(cè)庫水位模塊調(diào)用；潰壩計(jì)算根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行有關(guān)潰壩的計(jì)算供設(shè)計(jì)人員和用戶參考；預(yù)測(cè)庫水位計(jì)算模塊根據(jù)泄流量與庫水位之間的函數(shù)關(guān)系和計(jì)算出來的一次洪水總量，完成對(duì)庫水位的預(yù)測(cè)計(jì)算，并將預(yù)測(cè)的庫水位和對(duì)應(yīng)的一次洪水總量、洪峰流量信息保存到指定的數(shù)據(jù)庫表格中，供中南大學(xué)負(fù)責(zé)的三級(jí)預(yù)警系統(tǒng)模塊讀取，并最終由中南大學(xué)預(yù)警模塊顯示出預(yù)測(cè)結(jié)果，并在需要時(shí)做出預(yù)警。

2.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),將由中南大學(xué)負(fù)責(zé)提供1臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,其客戶端系統(tǒng)也安裝在這臺(tái)服務(wù)器上,同時(shí)北京礦冶研究總院還將提供1臺(tái)尾礦庫安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，這些服務(wù)器或計(jì)算機(jī)都連接到現(xiàn)場(chǎng)的同一個(gè)LAN（或子網(wǎng)）中。

江西省氣象局需要通過因特網(wǎng)將氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)推送到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。另外，為了遠(yuǎn)程調(diào)試和遠(yuǎn)程維護(hù)的方便，需要通過外網(wǎng)訪問現(xiàn)場(chǎng)的兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)與銀山鉛鋅礦商議，為這兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分別做端口映射[3]，具體將銀山鉛鋅礦的公網(wǎng)IP地址220.176.195.200的1533端口映射到北礦院數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的1433端口，即通過IP地址220.176.195.200的1533端口可以訪問北礦院的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；將220.176.195.200的1633端口映射到中南大學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的1433端口，即通過IP地址220.176.195.200的1633端口可以訪問中南大學(xué)的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

把尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)部分加入到北礦院的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中形成的總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 尾礦壩安全預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偨Y(jié)構(gòu)

2.3 總體界面設(shè)計(jì)

登錄成功后進(jìn)入總體界面，系統(tǒng)總體界面設(shè)計(jì)如圖3所示。通過菜單可以分別執(zhí)行泄流計(jì)算、徑流計(jì)算、潰壩計(jì)算、預(yù)測(cè)庫水位計(jì)算、浸潤(rùn)線計(jì)算和三級(jí)預(yù)警系統(tǒng)功能。

圖3 系統(tǒng)總體界面

3 相關(guān)水工模型的實(shí)現(xiàn)

3.1 泄流量計(jì)算

系統(tǒng)的泄流量計(jì)算部分分為以下模塊：調(diào)整排水井1泄流計(jì)算參數(shù)、調(diào)整排水井2泄流計(jì)算參數(shù)、繪制排水井1各泄流函數(shù)曲線、繪制排水井2各泄流函數(shù)曲線、計(jì)算井1泄流能力數(shù)據(jù)表、計(jì)算井2泄流能力數(shù)據(jù)表。

調(diào)整泄流量參數(shù)模塊的處理流程如圖4。繪制排水井各泄流函數(shù)曲線模塊的大致處理流程見圖5。

圖4 調(diào)整泄流量參數(shù)執(zhí)行流程

圖5 查看泄流量公式及泄流曲線繪制模塊執(zhí)行流程

泄流計(jì)算包括自由泄流模塊（函數(shù)）、孔口泄流模塊（函數(shù)）、半壓力流模塊（函數(shù)）、壓力流模塊（函數(shù)）和最終泄流量計(jì)算模塊，以函數(shù)形式存在，在實(shí)際使用時(shí)調(diào)用本函數(shù)。泄流量計(jì)算模塊體現(xiàn)為一個(gè)函數(shù)，輸入“庫水位”，函數(shù)返回值為單位時(shí)間泄流量，即泄流速率。函數(shù)原型如下：float floodreleaserate (float waterlevel)。

在函數(shù)內(nèi)部，以參數(shù)waterlevel傳入的庫水位值為實(shí)際參數(shù)，分別調(diào)用自由泄流函數(shù)、孔口泄流函數(shù)、半壓力流函數(shù)和壓力流函數(shù)，在對(duì)4種泄流函數(shù)返回值的自動(dòng)比較基礎(chǔ)上，取值最小的函數(shù)返回值作為最終的泄流量計(jì)算函數(shù)值并返回。

3.2 徑流計(jì)算

系統(tǒng)的徑流計(jì)算部分分為2個(gè)模塊：調(diào)整全國通用公式參數(shù)、調(diào)整銀山礦匯流參數(shù)。下文分別根據(jù)全國通用公式和銀山礦匯流公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 調(diào)整全國通用公式參數(shù)模塊

點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單項(xiàng)“調(diào)整全國通用公式參數(shù)”進(jìn)入調(diào)整全國通用公式參數(shù)模塊，界面設(shè)計(jì)見圖6，在界面中嵌入了計(jì)算功能，計(jì)算結(jié)果一并在界面上顯示。

圖6 調(diào)整全國通用公式參數(shù)界面

3.2.2 調(diào)整銀山礦匯流參數(shù)模塊

點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單項(xiàng)“調(diào)整銀山礦匯流參數(shù)”進(jìn)入調(diào)整銀山礦匯流參數(shù)模塊，界面設(shè)計(jì)見圖7，在界面中嵌入了計(jì)算功能，計(jì)算結(jié)果一并在界面上顯示。

圖7 調(diào)整銀山礦匯流參數(shù)界面

3.3 潰壩計(jì)算

系統(tǒng)的潰壩計(jì)算根據(jù)輸入的參數(shù)值，根據(jù)一定計(jì)算模型計(jì)算潰壩最可能的寬度、最大泄流量及估算潰壩泄沙時(shí)間，分別按5種計(jì)算模型計(jì)算潰壩最大下泄距離，根據(jù)壩高計(jì)算距離初期壩距離從0~ 5.0 km7個(gè)距離下的潰壩淤砂厚度，輸出計(jì)算結(jié)果。

點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單項(xiàng) “潰壩計(jì)算”進(jìn)入潰壩計(jì)算模塊，界面設(shè)計(jì)見圖8，在界面中嵌入了計(jì)算功能，計(jì)算結(jié)果一并在界面上顯示。

圖8 潰壩計(jì)算界面

3.4 預(yù)測(cè)庫水位計(jì)算

本部分的輸入之一是來自江西省氣象局的氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，包括1天兩次（8：00時(shí)和20：00時(shí)）的常規(guī)氣象預(yù)報(bào)和極端氣象情況下的更短周期的緊急氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；另一個(gè)是尾礦壩的實(shí)時(shí)庫水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)粒度為1 h，預(yù)報(bào)未來銀山礦地區(qū)72 h的降雨量情況。

根據(jù)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，利用前文的徑流計(jì)算模型計(jì)算出未來3天的一次洪水總量和洪峰流量，再將未來第1天的一次洪水總量以實(shí)時(shí)庫水位為基準(zhǔn)加入到庫中，根據(jù)銀山鉛鋅礦調(diào)洪庫容計(jì)算出第一個(gè)預(yù)測(cè)庫水位，再將第一個(gè)預(yù)測(cè)庫水位經(jīng)過24 h泄流后的庫水位為基準(zhǔn)庫水位，將未來第2天的一次洪水總量加入到庫中，計(jì)算出第二個(gè)預(yù)測(cè)庫水位，再將第二個(gè)預(yù)測(cè)庫水位經(jīng)過24 h泄流后的庫水位為基準(zhǔn)庫水位，將未來第3天的一次洪水總量加入到庫中，計(jì)算出第三個(gè)預(yù)測(cè)庫水位。將三個(gè)預(yù)測(cè)庫水位和對(duì)應(yīng)的一次洪水總量及洪峰流量值寫入到數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表中，供中南大學(xué)負(fù)責(zé)模塊調(diào)用。

3.5 浸潤(rùn)線計(jì)算（滲流分析計(jì)算子系統(tǒng)）基本功能

根據(jù)尾礦壩材料的滲透性，利用數(shù)值分析方法實(shí)時(shí)分析出不同庫水位下尾礦壩滲流場(chǎng)分布。提取出尾礦壩重要位置滲透特性要素（如滲透水頭等）進(jìn)行安全預(yù)報(bào)預(yù)警,完成：1）滲透系數(shù)反演分析研究；2）建立尾礦庫庫水位~滲流模型；3）開發(fā)出可視化的滲流分析前處理及后處理界面?？梢暬疤幚戆粹o具有調(diào)用尾礦壩地質(zhì)斷面、調(diào)洪演算計(jì)算結(jié)果功能；可視化后處理按鈕具有調(diào)用任意位置的壓力水頭、滲流速度、滲透坡降、浸潤(rùn)線高度等能力。

4 尾礦庫安全三級(jí)預(yù)警子系統(tǒng)主要功能

尾礦庫安全三級(jí)預(yù)警子系統(tǒng)主要功能包括：1）參數(shù)監(jiān)測(cè)。利用通訊技術(shù)從現(xiàn)場(chǎng)集散控制系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)壩體穩(wěn)定性二級(jí)指標(biāo)信息，采用列表和曲線的形式對(duì)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并將關(guān)鍵的工況參數(shù)制作成報(bào)表進(jìn)行打印。2）安全評(píng)估。給出尾礦庫安全性三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)的實(shí)時(shí)評(píng)估分?jǐn)?shù)和預(yù)警狀態(tài)，并以此來確定最終的尾礦庫安全評(píng)估分?jǐn)?shù)和預(yù)警等級(jí)。3）預(yù)警預(yù)報(bào)。顯示尾礦庫安全狀態(tài)的預(yù)警等級(jí)、預(yù)警原因、決策方案。4）數(shù)據(jù)庫管理。對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份后可以執(zhí)行查詢、修改、刪除等操作。5）參數(shù)設(shè)置。包括尾礦庫基本信息、算法參數(shù)、隸屬度函數(shù)閾值、二級(jí)指標(biāo)隸屬度函數(shù)。

5 結(jié)語

“尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)”針對(duì)可能超過設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的降雨，由江西省氣象臺(tái)開發(fā)的“極端氣象條件下尾礦庫氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)”提供72 h、24 h、12 h、6 h和3 h的多時(shí)段預(yù)報(bào)降水過程，暴雨預(yù)警時(shí)間>1 h。并且,該系統(tǒng)還通過網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)直接傳輸?shù)秸n題示范單位銀山礦業(yè)選礦中心監(jiān)控室進(jìn)行計(jì)算。目前，“極端氣象條件下尾礦庫氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)”已通過第三方測(cè)試，“尾礦庫安全預(yù)警系統(tǒng)”也已通過第三方檢測(cè),評(píng)測(cè)結(jié)論：“…庫水位預(yù)測(cè)模塊從讀取數(shù)據(jù)庫氣象局降雨量數(shù)據(jù)、計(jì)算庫水位并將最終計(jì)算結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫,經(jīng)三級(jí)預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估并預(yù)警,累計(jì)耗時(shí)約10 min.…”基于氣象暴雨預(yù)警時(shí)間為1 h,實(shí)現(xiàn)了潰壩水位預(yù)警時(shí)間>30 min約束性指標(biāo)[4]。

實(shí)踐證明，本系統(tǒng)與可靠的在線監(jiān)測(cè)系相結(jié)合，可以使尾礦庫運(yùn)行得到及時(shí)的氣象預(yù)警、預(yù)報(bào)，以及安全預(yù)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警，最大限度地減少自然災(zāi)害對(duì)企業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來的損失，有很大市場(chǎng)需求。

參考資料

[1] 陳凱,陸得盛,金楓.極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].礦冶，2014（5）：81-85.

[2] 李文建.極端氣象條件下金屬礦山尾礦庫浸潤(rùn)線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].贛州：江西理工大學(xué),2013.

[3] GB/T 8567-2006,計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范[S].

[4] AQ2030-2010,尾礦庫安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

Design of Security Early-warning System of Tailings Storage

OUYANG Wei1,LIU Zhongmin2
(1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China; 2.Nanchang Hangkong University,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

On-line monitoring system of metal mine tailings storage cannot fully ensure safety operation of tailings storage, therefore,on-line monitoring system of tailings storage for extreme climate should be established,meanwhile,security early-warning system of tailings storage based on watershed fine weather (rainfall)forecast has been developed.Water level of storage can be forecasted three days in advance based on weather(rainfall)forecast,and comprehensive evaluation can be carried out for security based on real-time monitoring data and forecast data,when unsafe factors reach setting value,the system will issue early-warning and present emergency measures.Compound system engaged in on-line monitoring,forecast,evaluation and early-warning can ensure safety operation of tailings storage.

tailings storage;on-line monitoring system;extreme climate;security early-warning system;forecasting;evaluation

TD76

B

1004-4345(2015)03-0011-04

2015-04-20

國家科技支撐計(jì)劃課題（編號(hào)：2012BAK09B04）。

歐陽偉（1955—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)配電及其自動(dòng)化研究工作。