基于GNSS形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在司家營(yíng)北區(qū)尾礦庫(kù)的應(yīng)用

馬東升

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司司家營(yíng)北區(qū)分公司，唐山 灤縣 063700）

安全生產(chǎn)事關(guān)廣大人民群眾的根本利益，事關(guān)改革發(fā)展和穩(wěn)定的大局。當(dāng)前，我國(guó)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù)有壩體內(nèi)外部形變位移、浸潤(rùn)線、干灘長(zhǎng)度、庫(kù)水位等，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式安全監(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。

系統(tǒng)的實(shí)施，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門(mén)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)下游企業(yè)及人民群眾的生命財(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 總體思路

本系統(tǒng)是由庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心、預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)的實(shí)施目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)及預(yù)報(bào)尾礦庫(kù)當(dāng)前存在的問(wèn)題及不足，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門(mén)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，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題預(yù)先處理，提高尾礦庫(kù)的安全性。

2 技術(shù)方案

本系統(tǒng)是在我公司幾個(gè)尾礦庫(kù)建立一套以GNSS為核心技術(shù)的尾礦庫(kù)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括利用GNSS監(jiān)測(cè)終端及各種在線傳感器對(duì)尾礦庫(kù)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)、尾礦庫(kù)控制室與廠區(qū)總調(diào)度室之間的通信子系統(tǒng)、控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、web報(bào)表查詢系統(tǒng)和聲光與短信報(bào)警系統(tǒng)。使企業(yè)能夠逐級(jí)對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，從宏觀上實(shí)時(shí)控制、監(jiān)督、指揮調(diào)度，微觀上實(shí)時(shí)監(jiān)控尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行，以技術(shù)和管理雙方面為抓手，確實(shí)消除尾礦庫(kù)的安全隱患。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：壩體外部形變位移監(jiān)測(cè)、壩體內(nèi)部形變位移監(jiān)測(cè)、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、庫(kù)水位監(jiān)測(cè)、干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)、降雨量監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控。

2.1 尾礦庫(kù)壩體形變位移監(jiān)測(cè)

表面位移測(cè)主要是監(jiān)測(cè)尾礦壩整體及局部位置的水平及垂直位移變化量，即觀測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻的水平及垂直方向的位移。本系統(tǒng)采用三星多頻GNSS監(jiān)測(cè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的GNSS接收機(jī)實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到控制室，控制室服務(wù)器內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，再由數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)獲取的坐標(biāo)進(jìn)行分析，再與原始標(biāo)定坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)得出位移量。

2.2 內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)

內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)通過(guò)測(cè)斜儀來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用測(cè)斜儀的變化量來(lái)測(cè)定壩體內(nèi)部的位移量。

2.3 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)

浸潤(rùn)線作為尾礦壩安全的生命線，其數(shù)據(jù)超標(biāo)直接影響尾礦庫(kù)的安全，故而對(duì)浸潤(rùn)線的監(jiān)測(cè)是尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)的重中之重。浸潤(rùn)線采用滲壓計(jì)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)測(cè)孔內(nèi)的水壓作用在滲壓計(jì)上，將引起傳感器的形變，其形變帶動(dòng)振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變其振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)傳輸至控制室，即可測(cè)出孔內(nèi)水壓的壓力值，進(jìn)而計(jì)算得出浸潤(rùn)線的高度。

2.4 庫(kù)水位監(jiān)測(cè)

對(duì)于庫(kù)水位的監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的反映出庫(kù)區(qū)水位狀況，保證安全監(jiān)管部門(mén)和企業(yè)在汛期來(lái)臨之前，直觀地了解和掌握尾礦庫(kù)內(nèi)庫(kù)水位情況。在庫(kù)內(nèi)排水構(gòu)筑物附近安裝超聲波液位計(jì)，可實(shí)時(shí)測(cè)量出液位計(jì)距庫(kù)水面的高差，高差值加上液位計(jì)安裝高度即為庫(kù)水位高程。

2.5 干灘長(zhǎng)度、灘頂標(biāo)高及特征點(diǎn)監(jiān)測(cè)

干灘長(zhǎng)度、灘頂標(biāo)高、特征點(diǎn)的測(cè)量是由尾礦壩自身的運(yùn)行特點(diǎn)決定的，尾礦庫(kù)隨著尾礦的排放壩體需要一直加高，干灘長(zhǎng)度、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)高是動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)。利用庫(kù)水位監(jiān)測(cè)結(jié)果和壩體灘頂標(biāo)高，結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算方法，在軟件中實(shí)現(xiàn)干灘上3個(gè)點(diǎn)干灘長(zhǎng)度的測(cè)量和計(jì)算，并選擇最短的一個(gè)做為干灘長(zhǎng)度數(shù)值。檢測(cè)采用可移動(dòng)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)的精度為：1mm＋1ppm*D（其中D表示位移觀測(cè)中心與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離，m）

2.6 雨量監(jiān)測(cè)

在汛期，對(duì)雨量的監(jiān)測(cè)也十分重要，它是尾礦庫(kù)在有限的庫(kù)容范圍內(nèi)防洪能力調(diào)節(jié)的原始指標(biāo)。如果雨量過(guò)大、過(guò)急，而調(diào)洪能力有限，則就要采取相應(yīng)措施。使用PH-YL雨量計(jì)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)雨量數(shù)據(jù)。

2.7 視頻巡視監(jiān)測(cè)

為了真實(shí)地觀測(cè)尾礦庫(kù)大壩、庫(kù)區(qū)現(xiàn)狀、庫(kù)區(qū)周邊情況等，安裝了線視頻攝像系統(tǒng)，對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行視頻觀測(cè)。目前網(wǎng)絡(luò)視頻攝像技術(shù)非常成熟，選擇了360旋轉(zhuǎn)、長(zhǎng)距離變焦的高速云臺(tái)攝像系統(tǒng)。

2.8 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主要包含：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。軟件系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)GNSS接收機(jī)、滲壓計(jì)、測(cè)斜儀、雨量計(jì)、物位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備接入系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)各類設(shè)備的數(shù)據(jù)接口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)解算模塊。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GNSS解算軟件，該軟件支持GPSGLONASSBDSA聯(lián)合解算。系統(tǒng)對(duì)采集的各類原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終解算出基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的原始坐標(biāo)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于變形監(jiān)測(cè)中所有基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的原始數(shù)據(jù)，調(diào)用系統(tǒng)的解算軟件接口，生成高精度單歷元變形信息，并將變形信息實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供其他系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要將多系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)以及解算的GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。處理后的數(shù)據(jù)推送至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析運(yùn)算，同時(shí)推送至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁(yè)面進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，另外處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)與應(yīng)用。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。為了應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的各種需求對(duì)于各類監(jiān)測(cè)設(shè)備所得到的原始數(shù)據(jù)、解算結(jié)果數(shù)據(jù)均需要進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是SQL2008。

（5）數(shù)據(jù)查詢模塊。系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)查詢功能，可對(duì)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站、傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等進(jìn)行多種方式的查詢和統(tǒng)計(jì)，可查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、某時(shí)間段數(shù)據(jù)和累積數(shù)據(jù)。

（6）數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊主要是對(duì)監(jiān)測(cè)解算數(shù)據(jù)以圖形化的方式統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，也將解算結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)分析軟件，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析，也能調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)歷史統(tǒng)計(jì)分析。

（7）預(yù)警報(bào)告功能。系統(tǒng)提供了多種現(xiàn)在采用的多種預(yù)警分析方法，有設(shè)置閥值報(bào)警等，從不同的角度來(lái)預(yù)測(cè)尾礦壩的安全性。

2.9 通訊

三個(gè)尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)VPN和公司建立連接，廠區(qū)人員可通過(guò)辦公電腦實(shí)時(shí)查看、監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)各項(xiàng)內(nèi)容，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性。

3 總結(jié)

該系統(tǒng)于2018年6月起在司家營(yíng)北區(qū)礦山分公司投入運(yùn)行，運(yùn)行后利于安全監(jiān)管部門(mén)以及企業(yè)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的掌握尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀況和安全現(xiàn)狀，增加了尾礦庫(kù)的安全性。

尾礦庫(kù)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警是尾礦庫(kù)安全生產(chǎn)管理過(guò)程中頭等重要的工作，尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施后，主要表現(xiàn)在以下幾方面。采用數(shù)字化、信息化的手段檢測(cè)和監(jiān)視日常尾礦庫(kù)狀況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾礦庫(kù)的在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)技術(shù)參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，保證了尾礦庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定、安全。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際工作性態(tài)的反分析，可檢驗(yàn)尾礦庫(kù)的遠(yuǎn)行狀態(tài)。通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)、指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，保障庫(kù)區(qū)下游企業(yè)及人民群眾的生命財(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)庫(kù)區(qū)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境。該系統(tǒng)的逐步實(shí)施和推廣，可以較大提高尾礦庫(kù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，全面提升尾礦庫(kù)安全、生產(chǎn)管理水平，增強(qiáng)政府、社會(huì)、企業(yè)對(duì)于尾礦庫(kù)災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力，制定科學(xué)有效的方法來(lái)預(yù)防尾礦庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)，有效保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境安全。