李小軍，蘇 軍，王治宇

（1．北京礦冶研究總院，北京102600；2．金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102600）

近年來，我國尾礦庫安全事故時有發(fā)生，不僅給人民生命財產(chǎn)造成重大損失，而且對周圍環(huán)境安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1］。例如2008年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司（鐵礦）發(fā)生了特別重大尾礦庫潰壩事故［2］，造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷和巨大財產(chǎn)損失，造成了極為嚴(yán)重的環(huán)境污染和惡劣的社會影響。現(xiàn)階段，尾礦庫安全環(huán)保形勢依然嚴(yán)峻，隱患及問題依然十分突出。

據(jù)統(tǒng)計，全國12273座尾礦庫中，庫容在100萬m3以上的三等庫3148座，約占尾礦庫總數(shù)的25．6%，這些尾礦庫根據(jù)國家要求在2013年之前完成了尾礦庫在線監(jiān)測工程，經(jīng)過幾年的運行，目前尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的問題，例如位移監(jiān)測不到位、供電不穩(wěn)定、受雷擊影響［3－6］等，對于這些問題，礦山企業(yè)應(yīng)落實整改，使在線監(jiān)測系統(tǒng)恢復(fù)正常，運用尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)尾礦庫潛在危險的提前預(yù)警，迅速知曉和快速高效應(yīng)對，為礦山企業(yè)提供幫助。

小打鵝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)完成截至目前已有5年時間，在線監(jiān)測系統(tǒng)存在位移監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、庫水位監(jiān)測不正常、雷暴天氣下在線監(jiān)測系統(tǒng)不能正常工作，針對這些問題需要對原有的在線監(jiān)測系統(tǒng)進行改造，本文針對是在線監(jiān)測系統(tǒng)改造的設(shè)計。

1 工程概況

小打鵝尾礦庫位于南北走向的狹長溝谷小打鵝溝內(nèi)，西、北、東三面環(huán)山，地勢北高南低。庫區(qū)高差約125．00m，谷底縱坡度8～10°，溝谷為“V”型溝谷，溝內(nèi)植被極為稀少，兩側(cè)谷坡基巖裸露，易形成泥石流。庫區(qū)地貌上屬中高山構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌形態(tài)，氣候?qū)賴鴥?nèi)中亞熱帶西部半濕潤氣候區(qū)，受季節(jié)性降雨影響。尾礦庫設(shè)計總壩高187．5m，尾礦庫設(shè)計等別為三等庫。

根據(jù)《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（AQ2030－2010）要求，三等尾礦庫應(yīng)監(jiān)測位移、浸潤線、干灘、庫水位、降水量，必要時還應(yīng)監(jiān)測孔隙水壓力、滲透水量、混濁度［7］。按規(guī)范要求2010年已建成了的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，目前存在的問題如下所示。

1）原尾礦庫在線監(jiān)測工程只監(jiān)測了內(nèi)部位移，而且是單向的，未能直觀反映尾礦庫壩體水平和豎直方向變形。

2）干灘長度監(jiān)測采用的是高分辨率攝像機，在白天監(jiān)測干灘效果好，但在黑夜監(jiān)測效果不能滿足要求。

3）數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。內(nèi)部位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸采用的是電纜，原系統(tǒng)線路強電與傳輸?shù)男盘?～20mA電流信號線路共用一個線槽，傳輸過程中干擾較大，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。監(jiān)測主機與浸潤線監(jiān)測之間的通信采用RS485協(xié)議通信，敷設(shè)方式混亂，主要為：架空、直埋及混合方式。敷設(shè)線路較長，線路與強電線路混合，容易產(chǎn)生電磁，影響傳輸?shù)姆€(wěn)定，致使浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

庫水位監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸采用無線電臺傳輸，庫水位監(jiān)測傳感器安裝于排水井附近，在極端條件下存在電臺傳輸不穩(wěn)定或不正常工作情況，不能傳輸數(shù)據(jù)，不能及時了解尾礦庫水位情況。

4）防雷問題。防雷接地系統(tǒng)中接地達不到規(guī)范要求，或防雷設(shè)備老化，影響在線監(jiān)測系統(tǒng)工作。尾礦庫地處雷電多發(fā)區(qū)，在線監(jiān)測系統(tǒng)受雷擊影響大，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，2014年5月中旬，尾礦庫初期壩壩頂和堆積壩的攝像機多次受到不同程度的雷擊，破壞了供電模塊，嚴(yán)重影響了視頻監(jiān)控效果。

5）尾礦庫在線監(jiān)測數(shù)據(jù)展示效果差，監(jiān)測數(shù)據(jù)未分類較混亂；監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲比較分散，致使數(shù)據(jù)檢查、修正和相應(yīng)模塊設(shè)置等不能同步。

2 改造系統(tǒng)功能要求

根據(jù)原有監(jiān)測系統(tǒng)的實際運行情況，以保證尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行為目標(biāo)，對原有尾礦庫在線監(jiān)測進行改造設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：①監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集功能；②現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和遠程通信功能；③數(shù)據(jù)存儲及處理分析功能；④防雷及抗干擾功能。

系統(tǒng)實現(xiàn)功能的要求：①測量周期為1分鐘至30天，可調(diào)；②監(jiān)控中心環(huán)境溫度保持在20℃至30℃，濕度保持不大于85%；③系統(tǒng)工作電壓為220（1±10%）V；④系統(tǒng)故障率不大于5%；⑤防雷電感應(yīng)不小于1000V；⑥采集裝置測量范圍滿足被測對象有效工作范圍的要求。

3 系統(tǒng)改造設(shè)計

3．1 位移監(jiān)測改造設(shè)計

位移監(jiān)測采用智能全站儀技術(shù)。小打鵝尾礦庫地處溝壑地區(qū)，但庫區(qū)整個地形起伏不大，通視條件好，滿足智能全站儀監(jiān)測條件。智能全站儀能自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息。

依據(jù)規(guī)范要求，設(shè)計3個斷面，每個斷面上設(shè)置3個監(jiān)測點，另在庫區(qū)外穩(wěn)定山體上設(shè)置2個基準(zhǔn)點，智能全站儀安裝于框架結(jié)構(gòu)的觀測房內(nèi)，供電以220vAC為主，兼以采用太陽能供電為輔，通信采用光纖通信。

3．2 浸潤線監(jiān)測改造設(shè)計

改造設(shè)計主要是通信線路的改造，浸潤線通信的信號主要是4～20mA的電流信號，原系統(tǒng)采用的是架空，根據(jù)現(xiàn)場實際條件和現(xiàn)場應(yīng)用條件，采用地埋的方式通信。

3．3 干灘監(jiān)測改造設(shè)計

干灘監(jiān)測改造設(shè)計主要監(jiān)測干灘長度和安全超高。干灘長度主要通過測量干灘高程，結(jié)合庫水位高程，再通過人工定期測量干灘的坡度，經(jīng)過推理計算的方式求得。干灘長度與安全超高監(jiān)測計算的基本原理如圖1所示。首先確定監(jiān)測剖面，在監(jiān)測剖面的壩內(nèi)沉積灘上布置2個灘面高程監(jiān)測點，其中監(jiān)測點1一般布置在靠近子壩內(nèi)坡坡腳附近，監(jiān)測點2一般布置在最小干灘長度附近，對于本項目的三等庫，規(guī)范規(guī)定最小干灘長度為70m，即，監(jiān)測點2可布置在距灘頂70m的位置（圖1中點3的位置）。干灘監(jiān)測點的高程采用立桿架設(shè)超聲波液位計的方式進行觀測，通過在線監(jiān)測得到它們的高程，結(jié)合人工定期測定的干灘坡度i，就可計算得到干灘長度。

安全超高為灘頂高程與設(shè)計洪水位之間的高差：即圖中1點和3點的高程之差：ΔH＝H1－H3，通過計算安全超高結(jié)合規(guī)范和設(shè)計可判定是否漫壩。

干灘長度：L＝ΔH／i。

圖1 干灘長度與安全超高的監(jiān)測與計算原理示意圖

3．4 通信系統(tǒng)改造設(shè)計

通信設(shè)計包括壩體監(jiān)測點設(shè)備通信和尾礦庫值班室與公司監(jiān)控中心之間的通信，前者保證采集端數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)轿驳V庫值班室，實時監(jiān)測尾礦庫各個運行指標(biāo)，后者實現(xiàn)尾礦庫實時狀態(tài)實時跟蹤和了解。

壩體監(jiān)測點通信改造設(shè)計以有線通信為主，浸潤線監(jiān)測設(shè)備滲壓計與采集分站采用屏蔽四芯電纜通信，采用modbus通信協(xié)議；干灘監(jiān)測物位計與采集分站采用屏蔽四芯電纜通信；庫水位監(jiān)測液位計與采集分站采用屏蔽四芯電纜通信。通信電纜直埋于400mm×700mm電纜溝。分站與值班室通信采用光纜通信。

尾礦庫值班室與公司監(jiān)控中心采用有線與無線通信，形成環(huán)網(wǎng)冗余。

3．5 防雷系統(tǒng)改造設(shè)計

雷電閃擊后產(chǎn)生的直擊過電壓和感應(yīng)過電流是造成在線監(jiān)測系統(tǒng)損壞的主要原因，避免雷擊的措施是加裝避雷設(shè)施和做好接地，安裝在野外的基站等設(shè)備的安裝位置應(yīng)避免突出，設(shè)備的金屬外殼或金屬保護箱要可靠接地。

3．5．1 接地網(wǎng)制作

利用現(xiàn)場自然水體，設(shè)計3個接地網(wǎng)：一是在值班室附近制作一個防雷接地網(wǎng)，該地網(wǎng)最后通過扁鐵連至壩底的接地網(wǎng)，主要保護壩體附近設(shè)備的防雷安全，包括雨量、主機、全站儀、視頻等；二是利用壩底回水泵站制作一個防雷接地網(wǎng)，主要保護視頻，同時也作為值班室接地網(wǎng)的等電位降阻地網(wǎng)；三是利用排水井附近的水體制作一個防雷接地網(wǎng)，保護該處的視頻與庫水位監(jiān)測設(shè)備。

3．5．2 各監(jiān)測點接地方式

1）接地網(wǎng)制作完成后，各監(jiān)測點分站的防護箱及監(jiān)測設(shè)備要求規(guī)范接地，引下線采用16mm2以上銅芯接地線或熱鍍鋅圓鋼、扁鋼等。

2）監(jiān)測分站的防護箱內(nèi)設(shè)備通過匯流排統(tǒng)一接地。

3）接地點采用焊接方式，并做防腐處理。

3．5．3 浪涌保護器（SPD）配置

尾礦庫值班室要求在系統(tǒng)電源接入位置配置一級浪涌保護器，系統(tǒng)設(shè)備接入前配置二級電源浪涌保護器。

所有信號采集設(shè)備、弱電控制設(shè)備需要配置與設(shè)備規(guī)格相匹配的的浪涌保護器。

3．6 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件改造設(shè)計

為實現(xiàn)尾礦庫運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和展示獨立，在尾礦庫值班室設(shè)置2臺服務(wù)器，1臺安裝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)采集軟件，作為系統(tǒng)采集服務(wù)器，1臺安裝管理發(fā)布軟件和視頻監(jiān)控軟件，作為系統(tǒng)發(fā)布和視頻監(jiān)控服務(wù)器。

3．6．1 數(shù)據(jù)管理和發(fā)布功能

系統(tǒng)管理軟件平臺同時基于C／S和B／S結(jié)構(gòu)開發(fā)，同時兼顧數(shù)據(jù)本地管理和遠程發(fā)布功能。

3．6．2 綜合預(yù)警功能

系統(tǒng)開發(fā)多層次預(yù)警功能：軟件界面三級預(yù)警；報警信息保存和查詢功能。

軟件界面三級預(yù)警：各種監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置三級預(yù)警功能，供管理人員設(shè)置使用。監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值后，系統(tǒng)界面彈出報警信息，變色閃動，以引起操作人員注意。

報警信息保存和查詢功能：每條報警信息自動存入數(shù)據(jù)庫，以便于管理。系統(tǒng)支持log記錄查詢，從而方便地進行故障排查。

4 結(jié) 論

本文以小打鵝在線監(jiān)測系統(tǒng)為設(shè)計對象，通過實地現(xiàn)場調(diào)研，分別對位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、干灘監(jiān)測、通信系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)進行分項設(shè)計，解決了以下問題。

1）在線監(jiān)測系統(tǒng)癱瘓或不工作的尾礦庫必須進行恢復(fù)，必須滿足規(guī)范要求，以確保尾礦庫運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和了解。

2）通過位移改造設(shè)計和優(yōu)化，實現(xiàn)了壩體主要特征點水平和豎直向的位移監(jiān)測，實現(xiàn)了位移監(jiān)測三級報警聯(lián)動，同時結(jié)合在線監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線分析可定性預(yù)測尾礦庫壩體位移變化趨勢。

3）通過干灘監(jiān)測改造設(shè)計實現(xiàn)了尾礦庫安全超高監(jiān)測，能預(yù)測尾礦庫漫壩的風(fēng)險；干灘長度監(jiān)測指導(dǎo)尾礦庫放礦管理。

4）通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計改造、數(shù)據(jù)展示等實現(xiàn)了尾礦庫運行狀態(tài)全天候?qū)崟r掌握了解，滿足了尾礦庫在線監(jiān)測規(guī)范要求。

5）通過防雷改造設(shè)計保證了監(jiān)測系統(tǒng)的健壯性，提高了監(jiān)測系統(tǒng)抗風(fēng)險的能力。

小打鵝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)中存在問題的改造，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析與報警聯(lián)動，防雷系統(tǒng)改造又增加了系統(tǒng)的可靠性，對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)改造設(shè)計具有一定的借鑒意義。

［1］ 李青石，李庶林，陳際經(jīng)．試論尾礦庫安全監(jiān)測的現(xiàn)狀及前景［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2011，22（1）：99－106．

［2］ 李全明，陳寺宏，王云海．尾礦壩堆壩材料非線性力學(xué)特性試驗研究及數(shù)學(xué)模型擬合［J］．安全與環(huán)境學(xué)報，2009，9（5）：132－135．

［3］ 李春民，王云海，張興凱．礦山安全監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)框架研究［J］．金屬礦山，2009（12）：126－130．

［4］ 王銳，吳建華．大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的問題及解決方案［J］．科學(xué)之友，2007（9）：23－25．

［5］ 李雷，張國祥．大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)防雷和接地技術(shù)初探［J］．大壩觀測與土工測試，2000，24（1）：4－7．

［6］ 方衛(wèi)華．大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的防雷研究［J］．水力發(fā)電，2001（2）：54－56．

［7］ 田文旗．我國尾礦庫現(xiàn)狀及安全對策的建議［C］／／中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會．2010年中國礦山安全管理與技術(shù)裝備大會論文集．大連：中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會，2010：59－65．