安全在線監(jiān)測系統(tǒng)在良礦公司太平尾礦庫應(yīng)用及預(yù)警關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析

付海濤

（新余良山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 新余 338001）

尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)是萬物互聯(lián)技術(shù)在尾礦庫領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測尾礦庫各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)并對超限情況進(jìn)行報(bào)警。本文結(jié)合安全在線監(jiān)測系統(tǒng)在良礦公司太平尾礦庫的應(yīng)用情況，重點(diǎn)介紹了尾礦庫如何實(shí)時(shí)監(jiān)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(jiān)控等指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過在線系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警指標(biāo)和對關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)綜合預(yù)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(qū)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(biāo)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(shè)置一個(gè)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，尾礦庫最終設(shè)計(jì)標(biāo)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(xiàn)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(qū)分為兩條溝谷，呈“V”型分布，尾礦庫設(shè)有左溝、右溝兩套排洪系統(tǒng)，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(guī)范上限1000年一遇進(jìn)行防洪設(shè)計(jì)。庫內(nèi)主要構(gòu)筑物為2級，次要構(gòu)筑物為3級，臨時(shí)構(gòu)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(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

按照國家法律法規(guī)的要求，三等及以上等級的尾礦庫都必須安裝安全在線監(jiān)測系統(tǒng)。太平尾礦庫作為二等庫，安全在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目包括：表面位移、內(nèi)部位移、浸潤線、庫水位、干灘長度、干灘高度、雨量和視頻監(jiān)視，在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集和傳輸、現(xiàn)場監(jiān)控報(bào)警、中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)布四部分組成，實(shí)現(xiàn)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(dòng)化監(jiān)測。

2.1 壩體表面位移監(jiān)測

壩體表面位移采用可以實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測點(diǎn)高精度三維坐標(biāo)的GPS位移在線監(jiān)測系統(tǒng)，其工作原理為：各GPS監(jiān)測點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GPS信號，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GPS數(shù)據(jù)處理軟件AMS實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對比而獲得該監(jiān)測點(diǎn)變化量，同時(shí)分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進(jìn)行報(bào)警，GPS表面位移監(jiān)測的誤差水平為±3mm，高程方向?yàn)椤?mm。

2.2 壩體內(nèi)部位移監(jiān)測

壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測設(shè)施采用固定式單軸測斜儀，首先在尾礦壩設(shè)定位置鉆孔，鉆孔深度到壩體內(nèi)部穩(wěn)定部位，然后在鉆孔中裝入測斜儀傳感器，把最下面點(diǎn)作為固定點(diǎn)，從而監(jiān)測壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傾斜狀態(tài)。該儀器配合測斜管可反復(fù)使用，同時(shí)可方便實(shí)現(xiàn)傾斜測量的自動(dòng)化。內(nèi)部位移監(jiān)測斷面布置在最大壩高斷面附近，每個(gè)監(jiān)測斷面上布設(shè)3條監(jiān)測垂線，監(jiān)測垂線的布置形成縱向監(jiān)測斷面，最下一個(gè)測點(diǎn)置于壩基表面，以兼測壩基的沉降量。

2.3 壩體浸潤線監(jiān)測

壩體浸潤線監(jiān)測采用振弦式滲壓計(jì)，通過在壩體里鉆鑿鉆孔，把滲壓計(jì)放置在鉆孔里（與測壓管結(jié)合使用）。通過測量滲壓計(jì)的壓力，再轉(zhuǎn)化為水頭高度（高程），結(jié)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(jì)的精度，誤差小于10mm。浸潤線高度=安裝儀器高+滲壓計(jì)測量高度[2]。

2.4 庫水位監(jiān)測

采用超聲波液位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測庫水位高程，實(shí)時(shí)監(jiān)測尾礦庫庫內(nèi)、攔水壩上游水位，對尾礦庫防洪蓄洪能力進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測分析。

2.5 干灘監(jiān)測

干灘高程采用超聲波測量法進(jìn)行監(jiān)測，即在設(shè)定的監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)立桿，安裝超聲波液位計(jì)，通過測量物位計(jì)距探灘面的高度來計(jì)算高程。設(shè)2個(gè)干灘監(jiān)測剖面，每個(gè)監(jiān)測剖面設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，安裝立桿的高度與子壩高度相適應(yīng)，并隨壩頂修筑而抬升，灘頂高程監(jiān)測數(shù)據(jù)采用無線傳輸至值班室。

2.6 降雨量監(jiān)測

降雨量監(jiān)測設(shè)備采用容柵式雨量計(jì)，計(jì)量精度高，操作方便，可靠性好，降雨強(qiáng)度范圍大，計(jì)量誤差小。雨量計(jì)共2臺，布置在庫區(qū)開闊的值班室，自動(dòng)獲取雨量數(shù)據(jù)，根據(jù)降雨量的情況預(yù)測庫水位發(fā)展變化趨勢，繪制歷史曲線圖。

2.7 可視化監(jiān)測

在排水井、庫區(qū)、攔洪壩頂、排水隧洞出口等位置設(shè)置200萬像素高清紅外網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，通過現(xiàn)場攝像頭實(shí)時(shí)拍攝并傳輸至控制室的顯示屏上，直觀顯現(xiàn)尾礦庫運(yùn)行等情況。

2.8 系統(tǒng)功能

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)擁有三級架構(gòu)的管理層次，分別是省、市、縣（區(qū)）安監(jiān)局監(jiān)控平臺、集團(tuán)公司監(jiān)控中心平臺和礦山系統(tǒng)監(jiān)控平臺，三個(gè)層次的監(jiān)控體系共同完成對尾礦庫安全生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。

圖1 三級聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

在線監(jiān)測系統(tǒng)包括在線采集和安全監(jiān)測管理分析兩大模塊。數(shù)據(jù)采集軟件將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送到監(jiān)控中心接收并保存至數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析管理軟件自動(dòng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，直接輸出各種監(jiān)測物理量，即可實(shí)時(shí)比較最新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和限制的關(guān)系，如果超限隨即出發(fā)聲光報(bào)警器、短信報(bào)警模塊、網(wǎng)絡(luò)報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)多種方式同時(shí)報(bào)警。通過企業(yè)局域網(wǎng)各管理部門的授權(quán)用戶可以在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)查看尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)信息，使有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)管理人員能夠隨時(shí)隨地查看和關(guān)注尾礦庫的運(yùn)行情況，確保在緊急情況時(shí)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的了解相關(guān)信息，輔助決策。

3 關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析

3.1 位移分析

本次統(tǒng)計(jì)了2020年1月至2020年12月期間堆積壩底部、中部、上部各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其位移變化、沉降大小等波動(dòng)情況進(jìn)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(dòng)情況可見：①堆積壩上部210標(biāo)高測點(diǎn)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?yàn)槎逊e壩上部堆壩時(shí)間最短，壩體自身沉降固結(jié)還未達(dá)完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而堆積壩中和下邊因?yàn)槎褖螘r(shí)間比較長，壩體已經(jīng)趨于穩(wěn)定。②210標(biāo)高測點(diǎn)位移曲線隨時(shí)間均勻上升，呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)固的狀態(tài)，所有監(jiān)測點(diǎn)全年的位移量都較小，尾礦庫整體非常穩(wěn)定。③210標(biāo)高測點(diǎn)5月份波動(dòng)明顯，結(jié)合降雨量情況表明：汛期連續(xù)降雨是導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯著波動(dòng)的主要原因之一，主汛期前后是數(shù)據(jù)波動(dòng)的顯著時(shí)間點(diǎn)，降雨量的大小加速了壩體的活動(dòng)。

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(shí)對應(yīng)的降雨量和172m標(biāo)高浸潤線埋深數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)1353個(gè)運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示浸潤線埋深與降雨量相關(guān)性顯著。

表1 降雨量于浸潤線相關(guān)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(diǎn)至12點(diǎn)對應(yīng)降雨量和庫水位數(shù)據(jù)，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)：①庫區(qū)降雨對庫水位的漲幅影響非常大，是導(dǎo)致庫水位上升的首要原因。②庫水位達(dá)到峰值時(shí)刻要滯后于降雨量達(dá)到峰值的時(shí)刻，滯后時(shí)間約為1h。這與尾礦庫的匯流面積和地表徑流速度等有關(guān)。

圖3 雨量與庫內(nèi)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(guī)律，汛期時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控降雨量大小，通過對降雨量的預(yù)警能夠及時(shí)采取應(yīng)對措施，保證尾礦庫安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過上述介紹及分析，本文得出如下建議：

（1）在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警值的設(shè)置是需要隨著壩體的變化而做出動(dòng)態(tài)的調(diào)整，在監(jiān)測系統(tǒng)建成后，各個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)警值的設(shè)置是針對最新壩高情況下的值，由單位管理人員根據(jù)壩體現(xiàn)狀自行設(shè)置，如果未能及時(shí)調(diào)整，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)將發(fā)揮不出應(yīng)有的作用。

（2）整個(gè)在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)過程中，防雷設(shè)計(jì)的好壞是系統(tǒng)能否平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，特別是鐵礦山尾礦庫庫區(qū)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(yùn)行情況看，絕大多數(shù)傳感器的損壞都是雷擊影響。

綜上所述，尾礦庫運(yùn)行優(yōu)劣直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)安全和人民的財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)前，人們認(rèn)識到尾礦庫運(yùn)行過程中安全管理的重要作用，并在尾礦庫運(yùn)行的過程中制定出了一系列安全管理措施，引進(jìn)了先進(jìn)的在線監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)，希望在監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)的作用下能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)尾礦庫運(yùn)行過程中出現(xiàn)的安全問題，怎么運(yùn)用好這套系統(tǒng)才是能夠在真正意義上做到防患于未然，提升尾礦庫運(yùn)行的安全性和可靠性的關(guān)鍵。