左曉輝　梁　升　趙景渤

(首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)

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某大型尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

左曉輝梁升趙景渤

(首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)

摘要首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦兩個尾礦庫庫區(qū)面積大、需監(jiān)測的點位多，人工監(jiān)測存在工作量大、精度和實時性差的缺點。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)尾礦庫壩體浸潤線、位移和庫區(qū)降雨量、尾礦庫水位等安全運行技術(shù)參數(shù)的實時在線監(jiān)測；對尾礦庫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)防雷進行設(shè)計，實現(xiàn)基站數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與機房的通訊，最大程度地降低雷擊對系統(tǒng)的損壞；建立尾礦庫安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為各級管理員提供簡便、有效的信息參考。該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用后，可實現(xiàn)尾礦庫運行安全技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)的實時在線統(tǒng)計上傳，自動化、信息化水平較高，方便管理人員準(zhǔn)確掌握尾礦庫運行的安全狀況和穩(wěn)定程度，實現(xiàn)管理過程透明化，提高了尾礦庫的安全管理水平。該大型尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，可為其他尾礦庫提供參考。

關(guān)鍵詞尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)參數(shù)自動采集

國家與礦山企業(yè)對尾礦庫安全重視程度不斷提高，《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》也要求三等以上尾礦庫必須安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。尾礦庫運行的安全技術(shù)參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映尾礦庫的安全狀況和穩(wěn)定程度。因此，通過自動化、信息化等手段快速、準(zhǔn)確掌握尾礦庫運行參數(shù)十分必要，也是體現(xiàn)尾礦庫管理水平高低的一個重要標(biāo)志。

首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦現(xiàn)有新水、尹莊兩個尾礦庫，庫區(qū)面積大，需要監(jiān)測的點位多。長期以來基本采用人工監(jiān)測，工作量大、精度差，難以做到準(zhǔn)確、及時地監(jiān)測尾礦庫運行狀況。因此，必須建立一套尾礦庫安全自動監(jiān)測系統(tǒng)，對尾礦庫安全穩(wěn)定性影響較大的參數(shù)進行自動監(jiān)測。同時構(gòu)建科學(xué)的信息平臺，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)的實時在線檢測和歷史查詢，并實施安全預(yù)警，當(dāng)技術(shù)參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)時實現(xiàn)報警。對尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究，可促進尾礦庫在線監(jiān)測管理系統(tǒng)正規(guī)化、專業(yè)化，有助于提高尾礦庫管理水平。

1在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1壩體浸潤線在線監(jiān)測

尾礦壩的浸潤線是尾礦庫的生命線，也是評價尾礦庫穩(wěn)定狀況的一項重要指標(biāo)。由于浸潤線監(jiān)測主要是監(jiān)測壩體滲水的高度，一般監(jiān)測儀器無法準(zhǔn)確測量浸潤線的高度。浸潤線在線采集設(shè)備主要為振弦式滲壓計和數(shù)據(jù)采集器，通過在壩體鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里(共用常規(guī)浸潤線觀測井)，通過數(shù)據(jù)采集器測量滲壓計的壓力，再轉(zhuǎn)化為水頭高度，結(jié)合安裝深度以及孔口高程即可得到壩體的浸潤線高度(高程)。浸潤線單孔高度為安裝儀器高與滲壓計測量高度之和，測量精度取決于滲壓計的精度，一般誤差小于10 mm。處于同一斷面的各個浸潤線單孔高度的擬合曲線，即為浸潤線[1]。

在尹莊主、副壩設(shè)立三條浸潤線在線觀測點，共布置20個測點。新水庫設(shè)立兩條浸潤線在線觀測點，共布置5個測點。壩體剖面浸潤線監(jiān)測點結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1　壩體剖面浸潤線監(jiān)測點結(jié)構(gòu)示意

1.2壩體位移在線監(jiān)測

采用基于GPS技術(shù)的壩體形變監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測壩體位移的微小變形。原理是接收機天線實時接收GPS信號，并通過以太網(wǎng)傳輸實時發(fā)送到控制中心，經(jīng)過核心解算軟件HCMonitor基于GPS差分方法的計算獲得各點實時三維坐標(biāo)，從而反映位移的微量變化。為了提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)共設(shè)計3個GPS基站，16個GPS在線監(jiān)測點位，合理分布于庫區(qū)，實時監(jiān)測庫區(qū)的位移變化監(jiān)測。系統(tǒng)監(jiān)測精度為水平3 mm，高程5 mm，大大提高了壩體安全性和可控性。

1.3降雨量監(jiān)測

降雨量大小會影響入庫水量，因此是調(diào)節(jié)蓄庫水位的重要指標(biāo)，也是尾礦庫特別是汛期尾礦庫安全的重要考察對象之一。降雨量監(jiān)測點布置在距尾礦庫較近的尾礦車間院內(nèi)，位置開闊且避風(fēng)。雨量監(jiān)測裝置選用翻斗式遙測雨量計，精度為0.2 mm，結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、可靠性較高。工作原理是當(dāng)雨水通過漏斗進入機械穩(wěn)態(tài)組件構(gòu)成的翻斗內(nèi)，達(dá)到一定量時，引起翻斗翻轉(zhuǎn)并產(chǎn)生一個脈沖信號。將產(chǎn)生的脈沖信號接入PLC系統(tǒng)，對其進行累計，并將累計結(jié)果通過以太網(wǎng)由上位機分別按照每10 min、每小時、每日上傳到服務(wù)器，計算出降雨量。雨量采集系統(tǒng)的工作示意見圖2。

圖2　雨量采集系統(tǒng)的工作示意

1.4尾礦庫水位在線監(jiān)測系統(tǒng)

尾礦庫水位是反應(yīng)尾礦庫安全穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)之一。及時掌握庫水位的高程，可推算干灘長度、調(diào)洪高差以及實時庫容，為尾礦庫水位狀態(tài)及其預(yù)警預(yù)報提供最直接、最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

尾礦庫水位采用超聲波測量法測量。超聲波液位計安裝在尾礦庫內(nèi)水位比較平穩(wěn)的位置，可實時測量儀器距庫水面的高差，其與事先已測定的儀器高程之和即為庫水位高程。系統(tǒng)使用PLC系統(tǒng)采集超聲波液位計的測量值，通過光纖將采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。為了保證測量精度，選用高程為10 m的超聲波液位計，設(shè)備測量精度為15 mm，滿足20 mm的精度要求。

2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及防雷系統(tǒng)設(shè)計

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集采取分布式結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活，同時減少了布線量，降低了故障率。在各數(shù)據(jù)采集設(shè)備(數(shù)采儀)的干線上，只分布供電電纜和通訊光纜。通訊網(wǎng)絡(luò)采用光纜多機通訊方式(RS485-光纖轉(zhuǎn)換器)。即使某臺終端設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會影響到整個通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的正常運行。通訊網(wǎng)絡(luò)采取“即插即用”的鏈接方式，可實時增加或減少數(shù)采儀數(shù)量，方便后續(xù)系統(tǒng)的擴充。

主干網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式，通過TCP/IP傳輸控制協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通訊[3]。在尾礦庫車間建立數(shù)據(jù)服務(wù)器的機房用來存放現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，由機房敷設(shè)3條光纖分別實現(xiàn)新水庫位移基站數(shù)據(jù)、新水庫在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和尹莊庫在線監(jiān)測數(shù)據(jù)到機房的通訊。水廠尾礦庫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　水廠尾礦庫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2硬件系統(tǒng)的防雷設(shè)計

系統(tǒng)的防雷設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作。尾礦庫多處在野外山林中，雨季時容易受到雷電攻擊，損壞現(xiàn)場設(shè)備。因此硬件系統(tǒng)的防雷非常重要。

為保證硬件系統(tǒng)在雷雨季節(jié)能夠正常運行，在防雷設(shè)計中采取以下具體措施：

(1)機房內(nèi)設(shè)備的供電電源采取三級防雷保護。

(2)設(shè)備間內(nèi)的機柜采取等電位接地，柜內(nèi)設(shè)備的外殼與機柜可靠連接?，F(xiàn)場設(shè)備供電處均加裝電源防雷模塊。

(3)布線采取地下埋設(shè)方式。采用電纜地下埋設(shè)方式布線，雷擊概率要比架空線方式降低70%左右，是預(yù)防雷擊的重要手段之一。

(4)尾礦庫現(xiàn)場的浸潤線監(jiān)測點、位移監(jiān)測點均安裝金屬防護箱，在設(shè)備旁加裝避雷針，并將金屬箱接到防雷地網(wǎng)上，對內(nèi)部的傳感器、數(shù)采儀進行保護和屏蔽，可有效減少設(shè)備端的雷擊概率。

(5)數(shù)采儀采用模塊化結(jié)構(gòu)，防雷模塊內(nèi)部設(shè)置有多重防雷保護措施，供電端、通訊端設(shè)快速響應(yīng)的氣體放電防雷管、光電隔離、瞬態(tài)抑制電路等多項措施，保護核心部件及連接儀器。

(6)通訊干線采用光纜布線，支線網(wǎng)線端加裝網(wǎng)絡(luò)防雷器。

將以上措施與機房位置已有的防雷網(wǎng)聯(lián)合，可使系統(tǒng)因雷擊造成的損壞降至最低。

3尾礦庫安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

尾礦庫安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)是尾礦庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的核心，是基于數(shù)據(jù)庫局域網(wǎng)絡(luò)下開放的一個軟件平臺，要求采用B/S結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。它包含三大功能模塊，一是數(shù)據(jù)的采集、解析與故障診斷；二是數(shù)據(jù)查詢與分析；三是豐富的報警功能[4]。

3.1數(shù)據(jù)的采集與存儲

現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收端，經(jīng)工程化處理后，與監(jiān)測時間一起存儲于服務(wù)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。人工采集的數(shù)據(jù)直接在人機界面窗口由鍵盤輸入存儲。數(shù)據(jù)采集存儲示意見圖4。

圖4　數(shù)據(jù)采集存儲示意

3.2操作環(huán)境及數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)以WindowsXP系統(tǒng)為操作平臺，用c#4.0編程語言和.Net 框架、ASP.NET Web Application 服務(wù)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的所需功能。

3.3軟件功能設(shè)計

3.3.1系統(tǒng)組成

在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，總體模塊劃分見表1。

表1　系統(tǒng)功能模塊劃分

通過以上功能，可實現(xiàn)尾礦庫重要運行數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、計算、分析，包括尾礦庫水位、降雨量、排滲水流量、壩體位移、壩體浸潤線以及尾礦庫干灘長度等的在線監(jiān)測。管理人員可通過公司局域網(wǎng)實時掌握尾礦庫整體運行的安全狀態(tài)。

3.3.2系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)界面一目了然，層次分明，可直觀顯示各項監(jiān)測、監(jiān)控信息的歷史變化過程及當(dāng)前狀態(tài)，為各級管理人員提供簡單、明了、直觀、有效的信息參考。

(1)庫區(qū)簡介。對尾礦庫的基本情況做一個簡要的介紹，包括庫容、壩高、等級等信息，使初次使用此系統(tǒng)的人員對尾礦庫有一個初步的了解。

(2)實時數(shù)據(jù)。顯示尾礦庫水位、浸潤線、位移、排滲量這幾個重要參數(shù)的最新數(shù)據(jù)值，并使用圖形曲線說明，使尾礦庫參數(shù)直觀明了。

(3)歷史數(shù)據(jù)。對一定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行查詢，在查詢過程中，對于一些有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的參數(shù)進行判斷，超出正常范圍就用紅色字體顯示，達(dá)到報警目的。

3.4報警值的設(shè)置、顯示與記錄

系統(tǒng)包含豐富的報警信息，一旦出現(xiàn)緊急異常情況如庫水位超過調(diào)洪保障水位、干灘長度小于最小干灘長度等，系統(tǒng)都會給出明確的預(yù)警提示，并自動記錄相關(guān)的報警信息，如報警內(nèi)容、報警時間、報警級別等，形成記錄報表。用戶可以通過局域網(wǎng)隨時查詢報警信息，了解歷史報警信息。

3.5系統(tǒng)安全性設(shè)計

尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是尾礦庫安全與否的數(shù)字化體現(xiàn)，其安全性尤其重要。系統(tǒng)采用“角色+密碼+特殊用戶”的方式控制系統(tǒng)使用用戶。登錄時，系統(tǒng)通過驗證控件來確認(rèn)用戶是否為合法用戶，是否有足夠權(quán)限操作此系統(tǒng)，以保證信息安全。系統(tǒng)用戶登錄密碼采用加密方式，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性提供深一層的保護[5]。

4系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)應(yīng)用后，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示尾礦庫壩體位移偏移量在0.005 m內(nèi)，滿足國標(biāo)0.03 m的要求；壩體浸潤線埋深最大為50 m，最小為7.65 m，滿足國標(biāo)6～8 m的要求；實現(xiàn)了尾礦庫區(qū)域降雨量的自動監(jiān)測統(tǒng)計上傳，保證了數(shù)據(jù)的真實性，方便技術(shù)人員進行雨情分析，提前采取防范措施。

5結(jié)論

(1)設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)尾礦庫壩體浸潤線、位移和庫區(qū)降雨量、尾礦庫水位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測，保證尾礦庫的安全穩(wěn)定運行。采用多個GPS基站的方式進行位移解算，大大提高了系統(tǒng)監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。

(2)監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采用數(shù)采儀進行，某臺終端設(shè)備出現(xiàn)故障不會影響整個通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的正常運行；通訊網(wǎng)絡(luò)采用光纜多機通訊方式，其主干網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式，通過TCP/IP傳輸控制協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通訊；多種防雷措施并用，提高系統(tǒng)防雷等級，保證整個監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)建立了尾礦庫安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使各級管理人員都能及時了解當(dāng)前尾礦庫的運行狀態(tài)，實現(xiàn)管理過程透明化。尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立，能應(yīng)用信息化手段對尾礦庫進行管理，實現(xiàn)尾礦庫安全工藝數(shù)據(jù)自動采集，保證數(shù)據(jù)的真實性和實時性，提高尾礦庫管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1]周漢民.尾礦庫閉庫設(shè)計施工及驗收[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]廖伙木.尾礦壩的穩(wěn)定性分析[J].安全與健康，2011(15)：42-43.

[3]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[4]馬軍.精通ASP.NET2.0網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]王珊，陳 紅.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

(收稿日期2015-11-30)

左曉輝(1978—)，男，工程師，064404 河北省遷安市濱河村。