尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 健

（貴州省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，貴州 遵義 563000）

0 引言

對尾礦庫制定安全有效的預(yù)警控制系統(tǒng)是當(dāng)前礦山行業(yè)面臨的重要課題和技術(shù)難題。尾礦庫中尾礦顆粒較細(xì)、壩高不斷變化，與傳統(tǒng)的土石結(jié)構(gòu)相比具有較大的差異，而且各地區(qū)尾礦庫在庫式、筑壩方式等方面也是千差萬別。因此，建立完善的尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 尾礦庫在線安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 位移在線監(jiān)測技術(shù)

位移在線監(jiān)測技術(shù)主要是對尾礦庫的壩體進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的位置又分為壩體表面監(jiān)測和壩體內(nèi)部位移監(jiān)測。在對壩體表面實(shí)施位移監(jiān)測技術(shù)時(shí)可以采用GPS、智能全站儀等設(shè)備，在對基點(diǎn)高程和位置已經(jīng)明確的前提下，對表面標(biāo)點(diǎn)、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取[1]。

1.2 浸潤線在線監(jiān)測技術(shù)

在壩體橫斷面中預(yù)埋一定數(shù)量的測壓管，其中測壓管的預(yù)埋位置要能夠體現(xiàn)出滲流情況以及可能出現(xiàn)滲流異常的位置。然后對測壓管中水位進(jìn)行測量以此來獲取浸潤線的數(shù)據(jù)。

1.3 降雨量在線監(jiān)測技術(shù)

降雨量與尾礦庫的安全性具有緊密的聯(lián)系，因此可以利用容柵式雨量計(jì)儀器對降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)對尾礦庫的安全性進(jìn)行科學(xué)分析。

1.4 干灘在線監(jiān)測技術(shù)

在尾礦庫防洪能力的衡量指標(biāo)中，灘頂標(biāo)高與正常水位、最高洪水位下尾礦庫的干灘距離是最重要的幾項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)前，主要是通過對斷面測量點(diǎn)進(jìn)行有效地選取來獲取干灘高程、測點(diǎn)間距等數(shù)據(jù)，并充分結(jié)合對水庫水位、灘頂?shù)葦?shù)據(jù),再對干灘到尾礦庫的距離進(jìn)行計(jì)算。

1.5 庫水位在線監(jiān)測技術(shù)

在對尾礦庫的防洪能力進(jìn)行監(jiān)測的過程中，由于尾礦庫中必定會(huì)存在很多的尾礦澄清水和自然雨水，這些水位的高低也會(huì)在一定程度上影響尾礦庫的防洪能力。因此，在監(jiān)測過程中要充分利用超聲波液位儀、激光液位儀等儀器對水庫水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 表面水平位移監(jiān)測設(shè)計(jì)

對于位移監(jiān)測控制值的計(jì)算方法，則可以考慮在一定置信區(qū)間內(nèi)建立數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)最不利可能因變量組合，通過對誤差因素進(jìn)行分析從而來確定極限值，同時(shí)以此來作為監(jiān)控指標(biāo)。預(yù)警不但要對監(jiān)測項(xiàng)目的累計(jì)變化量進(jìn)行監(jiān)測，還要對其變化速率進(jìn)行控制，當(dāng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過其中之一時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

2.2 浸潤線監(jiān)測子系統(tǒng)

在尾礦庫壩體內(nèi)部通過鉆鑿鉆孔，將滲壓計(jì)置入其中，系統(tǒng)通過對滲壓計(jì)的壓力進(jìn)行測量并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水頭高度，并根據(jù)滲壓計(jì)的安裝深度以及孔口高程就能夠計(jì)算出尾礦庫壩體的浸潤線高度。滲壓計(jì)的精度決定了浸潤線的測量精度，一般誤差不得超過10mm。

浸潤線高度=滲壓計(jì)安裝深度+滲壓計(jì)測量高度

2.3 庫水位監(jiān)測子系統(tǒng)

通過超聲波探頭對庫水位與水面之間的距離進(jìn)行測量，從而對庫區(qū)水位的高程值進(jìn)行計(jì)算。

2.4 視頻監(jiān)測子系統(tǒng)

在尾礦庫周邊10km范圍內(nèi)，根據(jù)尾礦庫的實(shí)際情況，設(shè)定重點(diǎn)監(jiān)控位置，并安裝高清攝像頭，以光纖作為傳輸介質(zhì)，將監(jiān)控所得的數(shù)據(jù)回傳到安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)上。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫、預(yù)警報(bào)警、用戶管理以及數(shù)據(jù)查詢等模塊，如下圖。

圖 尾礦庫軟件系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警模型結(jié)構(gòu)Fig. Monitoring and early warning model structure of software system of tailings reservoir

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由GPS、激光測距儀、雷達(dá)、雨量計(jì)、內(nèi)部測斜儀、滲壓計(jì)6類傳感器設(shè)備組成，通過TCP/ⅠP協(xié)議對6類傳感器實(shí)時(shí)傳回的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收，包含振弦量、開關(guān)量、電壓量等，并將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)庫中[2]。

3.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過均值濾波、差分等數(shù)學(xué)算法對數(shù)據(jù)采集模塊所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理能夠?qū)?類傳感器的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋[3]。主要是對實(shí)時(shí)位移偏移、實(shí)時(shí)滲流水位、實(shí)時(shí)庫水位、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)雨量測量、實(shí)時(shí)浸潤線、實(shí)時(shí)干灘數(shù)據(jù)等情況進(jìn)行監(jiān)控，并將這些數(shù)據(jù)信息存到數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)中。

3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫由原始數(shù)據(jù)庫和核心數(shù)據(jù)庫2部分組成，主要是承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的功能，原始數(shù)據(jù)庫主要是存儲(chǔ)各個(gè)設(shè)備直接采集的數(shù)據(jù)，比如大壩位移數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)、庫水位數(shù)據(jù)等。而核心數(shù)據(jù)庫其實(shí)質(zhì)是監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，主要是對數(shù)據(jù)庫的訪問請求進(jìn)行處理，從而將各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)終端。

3.4 預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)主要是根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后與預(yù)警值的對比分析，如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過了預(yù)警值，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值級(jí)別在顯示屏幕上以不同的顏色進(jìn)行顯示[4]。同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)預(yù)警值對相應(yīng)級(jí)別的管理人員下發(fā)緊急通知，以此來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

3.5 用戶權(quán)限管理模塊設(shè)計(jì)

在權(quán)限管理中主要分為管理員和訪客2種形式。管理員具有最高的訪問權(quán)限，能夠使用系統(tǒng)的所有功能；而訪客根據(jù)身份信息能夠?qū)ο鄳?yīng)的模塊進(jìn)行訪問和使用。當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對用戶的操作進(jìn)行記錄，以便今后能夠?qū)ο到y(tǒng)的操作進(jìn)行追溯。

3.6 數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊的組成成分較多，有壩體位移、降雨量、庫水位、視頻等，這是最為主要的幾大檢測子系統(tǒng)，通過它們提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能明確了解歷史數(shù)據(jù)、時(shí)程曲線、歷史曲線和傳感器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)等[5]。其中包括日期、變化量、傳感器編號(hào)以及近10周時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，而歷史數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)結(jié)合了2種形式，即表單和曲線圖，方便查詢時(shí)選取明確的起止時(shí)間。

4 結(jié)論與展望

本論文能設(shè)計(jì)一款尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并闡述了尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程。在所設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)中，各個(gè)功能模塊能夠?qū)焖?、降雨量、干灘以及壩體位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行高效收集，并且系統(tǒng)能夠快速分析出歷史數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)掌握尾礦庫大壩的實(shí)際情況。

該尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在經(jīng)過軟件、硬件各方面的優(yōu)化調(diào)試后，目前已經(jīng)交付給本地一尾礦庫企業(yè)進(jìn)行試運(yùn)行，經(jīng)過3個(gè)月時(shí)間驗(yàn)證，預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、全面，視頻畫面清晰、使用便捷，能夠?qū)Υ髩慰赡艽嬖诘娘L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，確保了尾礦庫的安全運(yùn)行。

該系統(tǒng)投入使用后，在很大程度上提升了公司安全管理工作效率，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行總體比較平穩(wěn)，但是系統(tǒng)建設(shè)依舊存在一定的問題，為了確保整套系統(tǒng)更加完善、安全，需從以下3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）加強(qiáng)國內(nèi)核心技術(shù)的研發(fā)，脫離對外來進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，降低系統(tǒng)成本。

（2）尾礦庫在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對于尾礦庫整體安全性缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步建立更加完善和規(guī)范的系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

（3）在該系統(tǒng)投入使用過程中，缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)人才，礦區(qū)內(nèi)人員基礎(chǔ)素質(zhì)有待提升，整體尾礦庫安全監(jiān)測管理水平落后，應(yīng)進(jìn)一步加大人才培養(yǎng)。