尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在栗西溝尾礦庫(kù)的應(yīng)用

康建雄，胡文根，李懷智

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714102)

0 前言

尾礦庫(kù)是金屬與非金屬礦山安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是該領(lǐng)域的重大危險(xiǎn)源之一，作為具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，其一旦發(fā)生事故，將會(huì)給下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的損失，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴(yán)重污染，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定也帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響［1］。

尾礦庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)對(duì)于加強(qiáng)尾礦庫(kù)的安全監(jiān)管，把握尾礦庫(kù)的安全現(xiàn)狀，減少尾礦庫(kù)的事故發(fā)生等具有重要意義?！段驳V庫(kù)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中已明確規(guī)定，一等、二等、三等尾礦庫(kù)必須安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

栗西溝尾礦庫(kù)是金堆城鉬業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的主要設(shè)施，也是目前選礦廠尾礦的主要堆存地，又是選礦廠生產(chǎn)用水的重要水源，屬二等尾礦庫(kù)，最終設(shè)計(jì)庫(kù)容1.65 億 m3，最終壩高164.5 m［2］。為了能夠及時(shí)、準(zhǔn)確掌握尾礦庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，為尾礦庫(kù)的生產(chǎn)運(yùn)行和安全管理提供強(qiáng)有力的科學(xué)支持和保障，金堆城鉬業(yè)股份有限公司與中鋼馬鞍山礦山研究院有限公司共同建設(shè)了栗西溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)。

1 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用現(xiàn)代電子、信息、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)、連續(xù)采集、傳輸、管理及分析的監(jiān)測(cè)技術(shù)。系統(tǒng)建立綜合性的監(jiān)管平臺(tái)，依托智能的軟件系統(tǒng)，當(dāng)尾礦庫(kù)監(jiān)控內(nèi)容出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，提醒企業(yè)盡快啟動(dòng)相應(yīng)的處理措施及預(yù)案，保障尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行。

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:(1)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的全面性，包括位移監(jiān)測(cè)、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、降雨量、庫(kù)水位及干灘指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)，如果結(jié)合庫(kù)區(qū)圖像，可做到各數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的無(wú)縫結(jié)合;(2)信息采集時(shí)效性，系統(tǒng)支持主動(dòng)式及應(yīng)答式采集數(shù)據(jù)模式，即保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又保證數(shù)據(jù)的有效性;(3)強(qiáng)大的專家分析系統(tǒng)，專家預(yù)警分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析和解讀各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，做出單項(xiàng)或多項(xiàng)對(duì)比報(bào)警功能，同時(shí)能夠根據(jù)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，綜合分析出壩體的安全運(yùn)行狀況;(4)良好的兼容性及擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或調(diào)整，例如與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商合作可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)短信發(fā)送到管理者。

2 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

栗西溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)三大部分，3個(gè)系統(tǒng)既是一個(gè)有機(jī)整體，又相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行［3］。

圖1 栗西溝尾礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

栗西溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)，包括測(cè)站層的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心站層的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。測(cè)站層由各測(cè)點(diǎn)傳感器、測(cè)量控制裝置和通訊總線等組成。中心站層位于監(jiān)測(cè)管理室內(nèi)，由監(jiān)測(cè)工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、UPS電源設(shè)備等組成。現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榭偩€型，通信協(xié)議為RS－485。

2.1.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括環(huán)境量監(jiān)測(cè)和壩體滲流監(jiān)測(cè)及壩體位移監(jiān)測(cè)，其中滲流監(jiān)測(cè)分為7個(gè)橫斷面，3個(gè)縱斷面共21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分部見(jiàn)圖2;環(huán)境量監(jiān)測(cè)包括庫(kù)水位和降雨量監(jiān)測(cè)，在尾礦庫(kù)回水塔上面安裝了一支雷達(dá)水位計(jì)和一支雨量計(jì);壩體位移監(jiān)測(cè)共設(shè)10個(gè)GPS點(diǎn)，其中GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)9個(gè)，GPS基準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)選在尾礦壩右側(cè)穩(wěn)定山體上，9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照3個(gè)斷面分布在基礎(chǔ)壩、19壩、33壩上。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

智能數(shù)據(jù)采集模塊由微處理器、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、測(cè)量電路、接口電路、電源電路、通訊電路和鍵盤顯示接口組成。數(shù)據(jù)采集模塊分為系統(tǒng)主電路和測(cè)量電路兩部分，主電路包含電源電路、中央微處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路RAM、時(shí)鐘電路、鍵盤顯示接口電路、通訊電路、看門狗電路等;測(cè)量電路包含與傳感器的接口選通電路、控制電路和測(cè)量電路。

圖2 壩體滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2.2 在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集軟件運(yùn)行于Windows環(huán)境，由中央控制裝置(CCU)和測(cè)控裝置(MCU)構(gòu)成，其主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制、管理。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，通訊采用網(wǎng)絡(luò)串口服務(wù)器和無(wú)線網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)與MCU之間的雙向通訊。數(shù)據(jù)采集軟件的功能模塊主要有系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理。采用的測(cè)量方式分為應(yīng)答式和自報(bào)式。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件的功能模塊

2.3 在線監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)

栗西溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)主要用于對(duì)尾礦庫(kù)原始采集數(shù)據(jù)及其他有關(guān)安全監(jiān)測(cè)的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、加工處理和對(duì)外發(fā)布。主要包括系統(tǒng)管理、資料管理、系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢、斷面分析、數(shù)據(jù)分析等7個(gè)功能。本系統(tǒng)能幫助運(yùn)行人員利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和各種安全信息對(duì)尾礦庫(kù)性態(tài)做出初步的分析判斷，為尾礦庫(kù)安全運(yùn)行和管理工作提供高效的現(xiàn)代化手段。

3 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在栗西溝尾礦庫(kù)的應(yīng)用

栗西溝尾礦庫(kù)在實(shí)施尾礦庫(kù)數(shù)字化管理系統(tǒng)前，尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù)如壩體形變位移、庫(kù)水位、浸潤(rùn)線埋深等，均由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)工作量大、受天氣、人工、現(xiàn)場(chǎng)條件等許多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差。同時(shí)，人工監(jiān)測(cè)還存在不能及時(shí)監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，難以及時(shí)掌握尾礦庫(kù)各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)等缺點(diǎn)，這些都將影響尾礦庫(kù)的安全生產(chǎn)和安全管理水平。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用后，可實(shí)時(shí)觀測(cè)到尾礦庫(kù)運(yùn)行參數(shù)，提高尾礦庫(kù)的安全性和管理水平。

3.1 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1.1 滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)

測(cè)壓管數(shù)據(jù)是組成滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的基本數(shù)據(jù)，圖4是測(cè)壓管SJ1－1水位過(guò)程線，反應(yīng)了近一年來(lái)此測(cè)點(diǎn)水位變化情況。圖5是某時(shí)刻監(jiān)測(cè)到3斷面上7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際水位。圖6是某時(shí)刻1斷面浸潤(rùn)線圖。

圖4 測(cè)壓管SJ1－1水位過(guò)程線

圖5 某時(shí)刻3斷面測(cè)壓管水位圖

3.1.2 環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

環(huán)境量監(jiān)測(cè)包括庫(kù)水位和降雨量監(jiān)測(cè)，圖7反映了近一年來(lái)庫(kù)區(qū)水位變化情況，圖8反映了近一年來(lái)庫(kù)區(qū)降雨情況。

3.1.3 壩體位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

壩體位移的大小直接關(guān)系壩體的穩(wěn)定與否，因此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非常重要，圖9反映近一年來(lái)壩體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)WJ1－1位移變化情況。

圖6 某時(shí)刻1斷面浸潤(rùn)線

圖7 庫(kù)區(qū)水位變化過(guò)程線

圖8 庫(kù)區(qū)降雨量過(guò)程線

圖9 壩體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)WJ1－1位移過(guò)程線

3.2 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)對(duì)比

通過(guò)近一年來(lái)的運(yùn)行，自在線監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相比，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)基本能夠吻合，滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與壩體位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目因監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同，參數(shù)略有不同，但都在正常值范圍內(nèi)而環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的參數(shù)兩者是一致的，說(shuō)明在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，可靠度高。

3.2.1 滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)比

選取 2013年 1月 18日第 4、8、19、24道子壩上，在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)與人工監(jiān)測(cè)臨近點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，在同一時(shí)刻，同一道子壩的相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［4］可以很好地吻合。

表1 2013年1月18自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)線數(shù)據(jù)對(duì)比表 m

3.2.2 壩體位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)比

由于人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同的子壩上，所以選取臨近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。從表中可以看出，雖然對(duì)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)［6］來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同，但是同一天的數(shù)據(jù)反映尾礦壩的位移都在合理范圍內(nèi)。

表2 2013年1月18日自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)對(duì)比表 m

3.2.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

尾礦壩人工監(jiān)測(cè)工作量大，受天氣、人工、現(xiàn)場(chǎng)條件等許多因素的影響，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，再者觀測(cè)頻度不夠，觀測(cè)數(shù)據(jù)較為離散，觀測(cè)數(shù)據(jù)精度不足以滿足壩體位移預(yù)測(cè)分析的需要，導(dǎo)致尾礦庫(kù)安全管理存在不確定性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

與人工監(jiān)測(cè)相比，栗西溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:(1)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫(kù)重要運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、計(jì)算、分析，實(shí)時(shí)掌握尾礦庫(kù)整體運(yùn)行的安全狀態(tài)，一旦出現(xiàn)緊急異常情況，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息;(2)從系統(tǒng)中可以直觀顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的歷史變化過(guò)程及當(dāng)前狀態(tài)，為礦區(qū)安全生產(chǎn)管理人員提供簡(jiǎn)單、明了、直觀、有效的信息參考;(3)接入萬(wàn)維網(wǎng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程訪問(wèn)、遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在栗西溝尾礦庫(kù)的應(yīng)用，可以直觀、及時(shí)反映尾礦庫(kù)運(yùn)行的狀態(tài)，不僅保障了栗西溝尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還大大降低了尾礦庫(kù)生產(chǎn)管理人員的工作強(qiáng)度，提高尾礦庫(kù)的管理水平。由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門快速掌握與尾礦庫(kù)安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)的最新動(dòng)態(tài)，有利于及時(shí)掌握尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀況和安全現(xiàn)狀，可以提高尾礦庫(kù)的安全性，保障庫(kù)區(qū)下游及庫(kù)區(qū)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，避免因尾礦庫(kù)事故而造成的環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］周漢民.尾礦庫(kù)建設(shè)與安全管理技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012:1－3.

［2］張培安.降低金堆城栗西尾礦庫(kù)壩體浸潤(rùn)線的技術(shù)［J］.中國(guó)鉬業(yè)，2002，26(3):48 －51.

［3］金堆城鉬業(yè)股份公司.栗西溝尾礦庫(kù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)竣工報(bào)告［R］.華縣:金堆城鉬業(yè)股份公司.2012.

［4］金堆城鉬業(yè)股份公司.栗西溝尾礦庫(kù)2013年浸潤(rùn)線人工監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.華縣:金堆城鉬業(yè)股份公司.2013.

［5］金堆城鉬業(yè)股份公司.栗西溝尾礦庫(kù)2013年壩體位移監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.華縣:金堆城鉬業(yè)股份公司.2013.