張永明 (北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪銅礦,山西 垣曲 043706)

礦山尾礦庫自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

張永明 (北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪銅礦,山西 垣曲 043706)

對(duì)銅礦峪礦十八河尾礦庫自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，闡述了自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的主要技術(shù)點(diǎn)與取得的效果，并指出了其存在的問題。

安全生產(chǎn)；尾礦庫；自動(dòng)監(jiān)測

1 前言

銅礦峪礦是北方銅業(yè)股份有限公司的主體礦山，目前年處理礦量在400萬t以上，二期工程建成投產(chǎn)后年處理礦量將達(dá)到600萬t。銅礦峪礦十八河尾礦庫，作為Ⅱ級(jí)尾礦庫，承擔(dān)著銅礦峪礦尾礦的儲(chǔ)存與蓄水作用。該礦歷來重視安全生產(chǎn)工作，近幾年不僅加強(qiáng)了安全生產(chǎn)管理制度的建設(shè)，而且為實(shí)現(xiàn)安全化生產(chǎn)，在礦山生產(chǎn)的多項(xiàng)環(huán)節(jié)中采用了一系列新的安全技術(shù)，特別是礦山尾礦庫自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的投入使用，使尾礦庫安全生產(chǎn)管理人員可以及時(shí)直觀地掌握尾礦庫的實(shí)際動(dòng)態(tài)，進(jìn)行安全評(píng)價(jià)、預(yù)警預(yù)報(bào)，為尾礦庫的安全管理提供了有力支持，為確保尾礦庫安全運(yùn)行提供了一個(gè)高新技術(shù)平臺(tái)，使得礦山安全生產(chǎn)的整體水平又邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。

2 十八河尾礦庫概況

北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪礦十八河尾礦庫于1969年開始建設(shè)，1972年4月投入使用。該庫為河谷型尾礦庫，采用上游式堆筑方式筑壩。庫內(nèi)匯水面積6.65km2，尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)采用百年一遇設(shè)計(jì)，千年一遇校核。該庫庫底最低高程486m，設(shè)計(jì)尾礦最終堆積高程570m，總堆積高度84m，總庫容12 000萬m3，有效庫容8 500萬m3，尾礦庫的等級(jí)為Ⅱ級(jí)庫。尾礦庫初期壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程509m，壩高23m，頂寬3m，內(nèi)坡比1∶2.25，外坡比1∶（2.25～2.75）。目前該庫壩體實(shí)際堆積高度74m，壩體長度1 600m，總坡比1∶6，堆積壩縱向坡比0.3%，外坡坡比1∶2，沉積灘平均坡度1∶（100～120）。

2009年以前，該庫只有人工觀測設(shè)施，涉及尾礦安全的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集采用人工方式，浸潤線每周觀測1次，汛期每天1次，位移監(jiān)測點(diǎn)每月監(jiān)測1次。

3 尾礦庫自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

2009年5～12月，由北方銅業(yè)股份有限公司通過招標(biāo)確定北京礦冶研究總院中標(biāo)實(shí)施十八河尾礦庫自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。項(xiàng)目涉及壩體表面位移、庫水位、浸潤線、降雨量、滲流量、濁度、干灘長度、安全高差、視頻、巡線定位等方面的內(nèi)容。項(xiàng)目根據(jù)子壩抬升和東梁導(dǎo)滲施工情況，分兩期進(jìn)行建設(shè)：一期工程包括壩體與東梁位移、降雨量、庫水位、浸潤線、壩體滲流以及安全高差監(jiān)測等建設(shè)工作，于2009年6月正式開工建設(shè)，8月底完工投入使用；二期工程包括干灘長度、視頻、東梁滲流量與濁度監(jiān)測等建設(shè)工作，于子壩抬升和東梁導(dǎo)滲施工完成后開始建設(shè)，于2009年12月中旬完工投入使用，該系統(tǒng)應(yīng)用了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、檢測技術(shù)以及現(xiàn)代通訊技術(shù)，使十八河尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、智能化。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

尾礦庫安全自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與后期數(shù)據(jù)分析發(fā)布與共享系統(tǒng)兩部分組成，其中前部分由現(xiàn)場監(jiān)測站、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、監(jiān)控報(bào)警子系統(tǒng)組成，后部分由數(shù)據(jù)分析發(fā)布與共享系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 尾礦庫自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3.2 監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點(diǎn)布置

（1）18個(gè)壩體浸潤線監(jiān)測點(diǎn)。利用原有的18個(gè)浸潤線觀測井，共布置了3個(gè)觀測橫斷面，每個(gè)斷面6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

（2）7個(gè)壩體位移GPS監(jiān)測點(diǎn)。布置了2個(gè)橫斷面，每個(gè)斷面2個(gè)點(diǎn)；2個(gè)東梁位移GPS監(jiān)測點(diǎn)；1個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)。

（3）1個(gè)庫區(qū)水位監(jiān)測點(diǎn)，布置在篦子溝浮船處的岸邊上；1個(gè)降雨量監(jiān)測點(diǎn)，布置在大院值班室的房頂上。

（4）8個(gè)干灘長度監(jiān)測點(diǎn)。共布置了4個(gè)觀測剖面，每個(gè)剖面2個(gè)點(diǎn)，其中一個(gè)點(diǎn)靠近子壩內(nèi)坡腳位置，另一個(gè)布置在離壩頂150m處的位置。

（5）1個(gè)壩體滲流監(jiān)測點(diǎn)，布置在初期壩的壩坡腳匯水處；2個(gè)東梁滲流量監(jiān)測點(diǎn)，分別布置在東梁導(dǎo)滲工程的兩端匯水處。

（6）1個(gè)井沿高程監(jiān)測點(diǎn)，布置在3#泄洪井上。

（7）2個(gè)東梁濁度監(jiān)測點(diǎn)，與東梁滲流監(jiān)測相對(duì)應(yīng)，分別布置在東梁導(dǎo)滲工程的兩端匯水處。

（8）4個(gè)巡視定位監(jiān)測點(diǎn)，配備4臺(tái)巡視手機(jī)和4臺(tái)巡視軌跡定位器。

（9）6個(gè)視頻監(jiān)測點(diǎn)，分別布置在初期壩1個(gè)、壩頂3個(gè)、泄洪井1個(gè)，以及攔洪壩引水井處1個(gè)。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)遵循下列規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)：AQ2006-2005《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》、SL60-94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》、SL268-2001《大壩自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》、GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.4 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測技術(shù)

3.4.1 GPS位移監(jiān)測技術(shù)

GPS變形監(jiān)測技術(shù)是基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進(jìn)行壩體變形監(jiān)測的，該技術(shù)具有全天候監(jiān)測、抗干擾強(qiáng)、費(fèi)用高等特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用的是進(jìn)口單頻GPS接收機(jī)。

3.4.2 浸潤線監(jiān)測技術(shù)

采用進(jìn)口滲壓計(jì)來監(jiān)測壩體浸潤線的深度。其原理為：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)換為水位(高程)，即可得到壩體的浸潤線高度。滲壓計(jì)與自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀通過電纜連接，采集儀再通過無線方式與現(xiàn)場值班室相連，從而形成整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3.4.3 庫水位監(jiān)測技術(shù)

庫水位采用超聲波測距測量法進(jìn)行監(jiān)測。即在庫岸邊安裝超聲波液位計(jì)，通過測量儀器距庫水面的高度來計(jì)算庫水位高程。

3.4.4 滲流量監(jiān)測技術(shù)

本系統(tǒng)采用進(jìn)口超聲波明渠流量測量技術(shù)，利用排出的水流通過一個(gè)三角形槽口的堰板，通過堰口流出的水量與量水堰水頭高度之間的函數(shù)關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)公式），然后用自動(dòng)遙控方式(超聲波液位傳感器)測量堰上水頭高度就可以得出流量。

3.4.5 干灘在線監(jiān)測技術(shù)

干灘監(jiān)測主要包括干灘長度、灘頂高程、干灘坡度等監(jiān)測內(nèi)容。由于當(dāng)前大多數(shù)檢測方法難以準(zhǔn)確并快速測定灘頂高程和最高洪水位高程，再加上水邊線的界線很不明顯，該處又無法進(jìn)入，通常只能目測，據(jù)此推算出來的總干灘長度和調(diào)洪干灘長度不準(zhǔn)確可信。本系統(tǒng)利用干灘高程關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)和人工測點(diǎn)，采用曲線擬合方式，擬合出整個(gè)干灘面的實(shí)際曲線圖，然后結(jié)合庫水位高程、泄洪井井沿高程，經(jīng)過計(jì)算得出實(shí)際的干灘長度、灘頂高程等值，并可進(jìn)行后續(xù)的最小安全超高、防洪高差、調(diào)洪庫容等計(jì)算。干灘面高程采用進(jìn)口超聲波液位計(jì)進(jìn)行測量，測量原理：在設(shè)定的監(jiān)測點(diǎn)立桿安裝超聲波液位計(jì)，通過測量液位計(jì)距地面的高度來計(jì)算干灘面高程。

3.4.6 濁度監(jiān)測技術(shù)

采用QZ201C型在線濁度監(jiān)測儀，該儀器為散射光濁度儀，是水渾濁度的專用測試儀器，通過測量穿過水散射出來的光強(qiáng)度來衡量水的渾濁度，即散射光強(qiáng)度與液體中顆粒數(shù)成正比。其內(nèi)帶微處理器，雙光束濁度測量儀器，雙A/D轉(zhuǎn)換，其精度和可靠性均很高。

3.4.7 視頻監(jiān)測技術(shù)

采用具有紅外夜視能力的高速球機(jī)進(jìn)行尾礦庫重要構(gòu)筑物和重要位置的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測，視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有水平360°旋轉(zhuǎn)和垂直90°旋轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)錄像、回放等功能。圖像清晰度為500電視線，鏡頭220倍變焦（22倍光學(xué)變焦，10倍數(shù)碼變焦）。

3.4.8 巡視員在線監(jiān)測技術(shù)

本系統(tǒng)采用GSM實(shí)時(shí)定位和可視化在線顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)巡視員的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。在監(jiān)控中心設(shè)置一套短信發(fā)送平臺(tái)，通過主機(jī)控制短信平臺(tái)的信息發(fā)送和接收。巡視員在現(xiàn)場巡查時(shí)，佩帶一臺(tái)定位器和一臺(tái)巡視專用手機(jī)。主機(jī)控制短信平臺(tái)定時(shí)向巡視員的定位器發(fā)送控制短信，定位器收到短信后會(huì)及時(shí)返回一條攜帶巡視員定位信息（經(jīng)緯度）的短信給短信平臺(tái)，通過軟件識(shí)別，監(jiān)控主機(jī)把巡視員的巡視軌跡顯示在專門的巡視定位圖上，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡視員工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。同時(shí)，如果巡視員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場有異常情況時(shí)，可通過佩帶的巡視手機(jī)直接登陸監(jiān)測系統(tǒng)，在系統(tǒng)里的巡視定位欄目里填寫現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題，及時(shí)把現(xiàn)場的情況向上級(jí)匯報(bào)。該技術(shù)解決了目前人工巡視與自動(dòng)化監(jiān)測相脫離的問題，實(shí)現(xiàn)了巡視員巡查過程的可視化在線監(jiān)測，使巡視信息能迅速融入到自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。

4 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 系統(tǒng)效果

（1）系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)壩體位移、浸潤線、降雨量、庫水位、濁度、干灘長度等參數(shù)的自動(dòng)采集，通過這些數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)把握尾礦庫運(yùn)行的安全狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況指導(dǎo)尾礦庫安全管理的日常工作。

（2）系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程查詢和控制功能，可通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)對(duì)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行遙控監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集軟件上的所有功能，并對(duì)數(shù)據(jù)采集軟件中的歷史數(shù)據(jù)有訪問權(quán)限的進(jìn)行查詢。

（3）系統(tǒng)可監(jiān)視運(yùn)行期間壩體的狀態(tài)變化和運(yùn)行情況，在發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，防止事故發(fā)生，以保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行。如浸潤線超過預(yù)先設(shè)置的警戒值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，及時(shí)通知管理人員進(jìn)行校核。

（4）系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算庫區(qū)的調(diào)洪高差、安全高差；系統(tǒng)能綜合歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集的滲流、水位、雨量、形變等數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的過程線分析、滯后時(shí)間分析、沉降分析、橫斷面分析、縱斷面分析等有關(guān)壩體安全分析。

4.2 儀器精度與系統(tǒng)精度

（1）浸潤線監(jiān)測系統(tǒng)精度小于20mm。

（2）2小時(shí)解算時(shí)間內(nèi)，壩體表面變形平面監(jiān)測系統(tǒng)精度小于5mm，垂直監(jiān)測精度小于8mm。

（3）儀器高程精度優(yōu)于5mm，滲流量監(jiān)測精度小于10ml/s。

（4）儀器高程測量精度優(yōu)于5mm，庫水位監(jiān)測系統(tǒng)精度小于20mm。

（5）儀器精度2.5%FS，濁度監(jiān)測系統(tǒng)精度小于20NTU（度）。

（6）儀器高程精度優(yōu)于5mm，干灘長度通過曲線擬合計(jì)算得出，測系統(tǒng)精度小于10m。

（7）儀器高程精度優(yōu)于5mm，安全超高監(jiān)測系統(tǒng)精度小于100mm。

（8）降雨量監(jiān)測系統(tǒng)精度為0.1mm。（9）巡視員定位系統(tǒng)精度小于10m。

5 存在問題

（1）該系統(tǒng)投入使用后存在的一個(gè)主要問題是太陽能電池板的采光面積與蓄電池容量不足。一遇到陰雨天，就會(huì)因?yàn)樘柲茈娫床蛔阍斐烧麄€(gè)系統(tǒng)癱瘓。經(jīng)過多次改進(jìn)，增加太陽能的采光面積及蓄電池的容量，現(xiàn)在這個(gè)問題基本得到解決。

（2）無線網(wǎng)橋的收集信號(hào)范圍窄，只有60°角，各個(gè)無線網(wǎng)橋之間靠串聯(lián)接替?zhèn)鬏斝盘?hào)，一個(gè)無線網(wǎng)橋出問題，與其相關(guān)聯(lián)的傳輸信號(hào)就無法傳輸出去。同時(shí)，個(gè)別無線網(wǎng)橋的耐環(huán)境能力差，曾出現(xiàn)下雨進(jìn)水的現(xiàn)象。

（3）干灘長度誤差大。干灘長度是通過采用超聲波液位計(jì)測量灘面高程間接計(jì)算得到的。一方面，尾礦庫的環(huán)境比較惡劣，粉塵大，采用超聲波液位計(jì)的測量精度達(dá)不到；另一方面，庫區(qū)內(nèi)的坡度不均勻，靠近壩前的坡度大，庫區(qū)內(nèi)的坡度小，如果計(jì)算公式考慮不周全的話，也影響到計(jì)算結(jié)果。

（4）采用GSM實(shí)時(shí)定位和可視化在線顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)巡視員的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測的巡視員在線監(jiān)測技術(shù)過于復(fù)雜，在現(xiàn)場難以實(shí)施。巡視員在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)采用設(shè)相應(yīng)監(jiān)測菜單的巡線專用手機(jī)對(duì)巡視內(nèi)容記錄及發(fā)送，要簡便易行，不可過于復(fù)雜，同時(shí)對(duì)巡視員巡視位置實(shí)時(shí)定位。

（5）滲流量與濁度監(jiān)測儀的監(jiān)測受環(huán)境影響較大，應(yīng)及時(shí)清理明渠中的雜物及淤泥。

6 結(jié)語

十八河尾礦庫自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壩體位移、浸潤線、降雨量、庫水位、濁度、干灘長度等參數(shù)的自動(dòng)采集，并通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)對(duì)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行遙控監(jiān)測，對(duì)數(shù)據(jù)采集軟件中的歷史數(shù)據(jù)有訪問權(quán)限的進(jìn)行查詢；實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫區(qū)主要運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行情況的監(jiān)視；實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)計(jì)算庫區(qū)的調(diào)洪高差、安全高差和有關(guān)壩體安全分析。通過自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的成功應(yīng)用做到了實(shí)時(shí)把握尾礦庫運(yùn)行的安全狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況指導(dǎo)尾礦庫安全管理的日常工作。降低了尾礦庫生產(chǎn)管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了尾礦庫的管理水平。但是，尾礦庫自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于尾礦庫的時(shí)間不長，可以借鑒的成功范例不多，在使用中還存在一些不足之處，需要在以后的工作中進(jìn)一步完善。

Application of automatic monitoring in tailings pond

The automatic monitoring techniques of Shibahe tailings pond of Tongkuangyu mine were summarized.The key technical points of automatic monitoring and obtained results were described,and its problems were pointed out.

safety production;tailings pond;automatic monitoring

1672-609X（2010）06-0011-04

TD76

B

2010-09-08

張永明（1964-），男，山西晉中人，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及機(jī)械能源動(dòng)力設(shè)備管理工作。