吳煥瑯

（福建三元達(dá)通訊股份有限公司，福州350000）

引 言

尾礦是指金屬或非金屬礦山開采出的礦石，經(jīng)選礦廠選出有價(jià)值的精礦后排放的“廢渣”。這些尾礦數(shù)量大，含有暫時(shí)不能處理的有用或有害成分，若隨意排放，將會(huì)造成資源流失，大面積覆沒農(nóng)田或淤塞河道，污染環(huán)境。尾礦庫(kù)是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所。冶煉廢渣形成的赤泥庫(kù)、發(fā)電廢渣形成的廢渣庫(kù)應(yīng)按尾礦庫(kù)進(jìn)行管理。尾礦庫(kù)是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，存在潰壩危險(xiǎn)，一旦失事，容易造成特大事故。近年來(lái)尾礦庫(kù)事故多發(fā)，引起了國(guó)家的高度重視，具有全天候、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、信息化特點(diǎn)的北斗高精度尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集尾礦庫(kù)安全的技術(shù)指標(biāo)，及時(shí)掌握尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀況、安全現(xiàn)狀，為尾礦庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)與管理決策提供有力支持。北斗尾礦庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站組成如圖1所示。

1 北斗尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

圖1 北斗尾礦庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站組成

北斗尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由北斗高精度定位子系統(tǒng)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等構(gòu)成。北斗高精度定位子系統(tǒng)由北斗基準(zhǔn)站和北斗監(jiān)測(cè)站組成。氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由超聲波物位計(jì)、浸潤(rùn)線、滲壓傳感器、雨量傳感器等組成。

2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及使用傳感器設(shè)備

2.1 壩體表面位移監(jiān)測(cè)

尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩災(zāi)害，壩體位移是災(zāi)害演化過(guò)程的直觀反應(yīng)指標(biāo)，因此，監(jiān)測(cè)壩體形變狀況，可以及時(shí)了解尾礦壩變形率和發(fā)展速度，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)進(jìn)行科學(xué)的應(yīng)急決策，并及時(shí)采取應(yīng)急措施，從而避免災(zāi)害的發(fā)生或者減少災(zāi)害發(fā)生造成的危害。壩體表面位移的監(jiān)測(cè)選用高精度北斗／GPS雙模雙頻定位系統(tǒng)，通過(guò)高精度衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)獲得尾礦庫(kù)壩體的形變特征，包括水平位移和垂直沉降。

2.2 壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)

壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)采用固定式測(cè)斜儀，尾礦庫(kù)壩體的中部和下部共設(shè)置多個(gè)深部?jī)A斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)傾斜角度的變換，計(jì)算出內(nèi)部水平位移的變化。

2.3 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)

尾礦庫(kù)內(nèi)存有大量尾礦漿沉淀水，從尾礦壩壩頂排放尾礦時(shí)，礦漿向庫(kù)內(nèi)流淌的過(guò)程中，礦漿水不斷向下滲透。此外，汛期大量降雨，這些因素在尾礦壩體內(nèi)形成一個(gè)龐大滲流場(chǎng)。再者，尾礦沉積體屬非均值體，排礦部位又需要經(jīng)常調(diào)換，壩體又在不斷增高，而且在尾礦庫(kù)整個(gè)服務(wù)期間內(nèi)，礦源及選礦流程有可能改變，尾礦性能自然也會(huì)變化，這些情況造成尾礦壩滲流場(chǎng)異常復(fù)雜。浸潤(rùn)線即滲流流網(wǎng)的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤(rùn)線的高度直接關(guān)系到壩體穩(wěn)定及安全性狀，因此，對(duì)于浸潤(rùn)線位置的監(jiān)測(cè)是尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)采用振弦式滲壓計(jì)。

2.4 庫(kù)水位監(jiān)測(cè)

尾礦庫(kù)水位監(jiān)測(cè)的目的是根據(jù)其水位的高低判斷該庫(kù)防洪能力是否滿足安全要求。尾礦庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)給出最高水位，并要求在設(shè)計(jì)洪水位（即最高洪水位）時(shí)，要同時(shí)滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的最小安全標(biāo)高和最小安全干灘長(zhǎng)度的要求。因此，對(duì)于庫(kù)水位位置的把握可以直接防止尾礦庫(kù)在汛期由于洪水漫頂潰壩造成事故的發(fā)生，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)在汛期來(lái)臨之前，直觀地了解和掌握尾礦庫(kù)水位是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的汛前限制水位。由此可見，庫(kù)水位的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)也是尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一，庫(kù)水位監(jiān)測(cè)采用超聲波水位計(jì)。

2.5 干灘監(jiān)測(cè)

在定量評(píng)價(jià)尾礦庫(kù)的防洪能力時(shí)，需要測(cè)定灘頂標(biāo)高和設(shè)計(jì)最高洪水位下允許達(dá)到的干灘標(biāo)高，因此，在尾礦庫(kù)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)增加快速并簡(jiǎn)捷的標(biāo)高測(cè)定方法。灘頂標(biāo)高和設(shè)計(jì)最高洪水位下允許達(dá)到的干灘標(biāo)高是尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)需要測(cè)定的指標(biāo)。干灘監(jiān)測(cè)采用激光位移傳感器或者超聲波物位計(jì)。

2.6 降雨量監(jiān)測(cè)

庫(kù)區(qū)降雨量的情況對(duì)于尾礦庫(kù)壩體安全也有著至關(guān)重要的作用，是尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)之一。降雨量監(jiān)測(cè)采用雨量計(jì)。

2.7 視頻監(jiān)測(cè)

在尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了實(shí)時(shí)直觀地掌握尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)的情況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設(shè)置視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備，以滿足準(zhǔn)確、清晰、直觀地把握尾礦庫(kù)運(yùn)行狀況的需要。

3 系統(tǒng)功能

①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。

②直觀顯示各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史變化過(guò)程及當(dāng)前狀態(tài)。

③一旦出現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)能及時(shí)地發(fā)出預(yù)警信息。

④可實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)安全監(jiān)測(cè)信息的多級(jí)共享。

⑤可實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警信息的發(fā)布。

4 高精度北斗尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

4.1 北斗數(shù)據(jù)傳送模塊

尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信框圖如圖2所示。尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信手段采用2G、3G通信網(wǎng)絡(luò)較為方便，但是，尾礦庫(kù)一般處于偏遠(yuǎn)地帶，通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好，尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信有時(shí)也采用有線光纖通信。又因尾礦庫(kù)安全的重要性，在電信、移動(dòng)、聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)應(yīng)保證通信正常，北斗短報(bào)文通信成為尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的備用通信手段。

圖2 尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信框圖［1]

尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)的北斗短報(bào)文通信由北斗短報(bào)文終端、北斗一代系統(tǒng)、監(jiān)控中心北斗短報(bào)文收發(fā)系統(tǒng)等組成。

北斗短報(bào)文終端集成北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)RDSS（Radio Determination Satellite Service）射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等設(shè)計(jì)而成?？赏暾麑?shí)現(xiàn)北斗RDSS收發(fā)信號(hào)、調(diào)制解調(diào)等全部功能。短報(bào)文通信就是采用摩斯信號(hào)代碼進(jìn)行無(wú)線電報(bào)通信，摩斯信號(hào)是將字母和數(shù)字用長(zhǎng)短不同的一組代碼表示，長(zhǎng)信號(hào)用短劃“－”表示，短信號(hào)用點(diǎn)“·”表示。

使用北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)需要向北斗短報(bào)文運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)用戶卡，用戶卡分為“民卡”和“軍卡”，“民卡”、“軍卡”在每次發(fā)送信息量以及每次發(fā)送信息的時(shí)間間隔有所區(qū)別，用戶卡收費(fèi)可以按月收費(fèi)和一次性買斷收費(fèi)。

北斗短報(bào)文相當(dāng)于現(xiàn)在人們平時(shí)用的“短信息”，它可以發(fā)布140個(gè)字的信息，在沒有通信網(wǎng)絡(luò)的海洋、沙漠和野外，也能夠向外界發(fā)布文字信息。由于北斗一代用戶數(shù)的限制，這里發(fā)送短報(bào)文服務(wù)頻度只能達(dá)到20～60s／次［2]。

4.2 北斗高精度天線

尾礦庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)是監(jiān)控尾礦壩的形變量，也就是北斗高精度定位天線相位中心所在位置的形變量，而尾礦庫(kù)往往處在地勢(shì)較低的位置，容易產(chǎn)生多徑干擾。天線的多徑干擾和天線相位中心的穩(wěn)定直接影響到尾礦庫(kù)形變監(jiān)測(cè)的精度。

高精度測(cè)量型天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的重要組成部分，它的性能直接關(guān)系到衛(wèi)星定位接收機(jī)測(cè)量精度，天線的相位中心變化和多徑效應(yīng)是高精度衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)中的主要誤差來(lái)源。北斗雙頻高精度定位天線是采用正方形貼片形式設(shè)計(jì)的一種有源天線，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙頻高精度天線結(jié)構(gòu)示意圖

該天線由輻射單元和低噪聲放大器組成。其中，輻射單元由兩層疊加而成，分別對(duì)應(yīng)于北斗B1、B2兩個(gè)頻段的信號(hào)接收，上層對(duì)應(yīng)B1頻段，它由3部分組成，從上至下依次是：輻射貼片、介質(zhì)基板（基板材料相對(duì)介電常數(shù)為εr、厚度為h1）、金屬接地板。下層對(duì)應(yīng)B2頻段，同樣也由3部分組成分別是：輻射貼片、介質(zhì)基板（基板材相對(duì)介電常數(shù)為εr、厚度為h2）、金屬接地板，兩層之間通過(guò)螺釘安裝。

饋電方式采用背饋，4個(gè)帶帽容性探針穿過(guò)底層貼片過(guò)孔，對(duì)上層貼片B1頻段進(jìn)行饋電，另4個(gè)帶帽容性探針對(duì)底層貼片B2頻段進(jìn)行饋電。通過(guò)在兩貼片的中心加一短路針來(lái)縮減天線的尺寸，短路針和同軸探針之間形成強(qiáng)耦合等效于加載一個(gè)電容，使得天線在低于諧振頻率位置達(dá)到阻抗匹配，從而縮減天線的尺寸［3]。右旋圓極化通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，饋電點(diǎn)信號(hào)相位按照順時(shí)針依次相差90°。這種多點(diǎn)均勻饋電技術(shù)確保了天線單元在工作頻帶內(nèi)具有良好的阻抗帶寬及軸比特性，同時(shí)相位中心更加穩(wěn)定。

根據(jù)微帶天線理論，當(dāng)εr及hi（i＝1，2）己知時(shí)，天線的寬度W影響著微帶天線的輻射方向性、輻射電阻及輸入阻抗，即影響頻帶寬度和輻射效率。另外，天線寬度W的尺寸直接支配著微帶天線的總尺寸，因此如何根據(jù)實(shí)際需求和理論計(jì)算得出最佳的天線尺寸也就至關(guān)重要。在安裝尺寸允許的條件下W選取適當(dāng)?shù)拇笮?duì)頻帶、效率及阻抗匹配都是有利的，但是當(dāng)W尺寸大于如下式給出的W值時(shí)，將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變。

式中：c為光速；fr是諧振頻率［4]。

微帶天線是根據(jù)我國(guó)北斗B1、B2兩個(gè)頻段設(shè)計(jì)出來(lái)，采用4點(diǎn)均勻饋電技術(shù)保證高帶寬、相位中心穩(wěn)定和低軸比，提高了天線的測(cè)量精度。為了使衛(wèi)星接收機(jī)得到更加精確的測(cè)量結(jié)果，在設(shè)計(jì)中增加了對(duì)天線中心的標(biāo)定，保證中心相位更加穩(wěn)定，采用雙頻3D扼流圈技術(shù)抑制多徑干擾。

結(jié) 語(yǔ)

尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施，便于安監(jiān)部門實(shí)時(shí)掌握尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀況和安全現(xiàn)狀，提高尾礦庫(kù)的安全性，保障庫(kù)區(qū)下游企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)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，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

［1] 曹昌龍、紀(jì)勇、戴旭初.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的無(wú)線移動(dòng)視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J] .遙測(cè)遙控，2013，34（4）.

［2] 吳才聰，蘇懷宏，禇天行，等.基于北斗的移動(dòng)應(yīng)急監(jiān)控與指揮技術(shù)［J] .GNSS World，2011（12）：60－63.

［3] 吳多龍，周梓發(fā)，李瑞，等.北斗高精度測(cè)量型天線的研究［J] .電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（5）.

［4] 周梓發(fā).北斗高精度測(cè)量型天線的研究［D] .廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.