一種露天礦平地型尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

閆小樓，丁俊峰

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014080)

當(dāng)前計(jì)算機(jī)及集成自動(dòng)化水平的提升促進(jìn)了各行業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的飛速進(jìn)步，露天礦的開采是我國不可再生資源的有效加工形式，鋼鐵、煤礦等資源的開采加工設(shè)備及技術(shù)是其操作與改進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尾礦的合理處置與高效利用也成為必要的收尾技術(shù)工作。我國的露天礦尾礦庫從地形分布角度可劃分為平地型、山谷型、傍山型、截河型，其安全監(jiān)測的重要性對于企業(yè)及民眾安全應(yīng)當(dāng)引起重視。國內(nèi)外研究調(diào)查顯示，在線監(jiān)測技術(shù)已成為一種應(yīng)用趨勢，涉及無線網(wǎng)絡(luò)、三維視覺、精度控制、跟蹤系列算法等理論支撐，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)控指令準(zhǔn)確、預(yù)警及時(shí)有效等為目標(biāo)，開發(fā)設(shè)計(jì)合理的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，在我國多地區(qū)正在推廣性應(yīng)用。作者擬在理解監(jiān)測原理的基礎(chǔ)上，針對某一露天礦平地型尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)分析。

1 尾礦庫在線監(jiān)測概述

露天礦經(jīng)開采、破碎、磨選、浮選、濃縮等工序后產(chǎn)生的尾礦具有低品位、多元素特性(典型可達(dá)40余種稀有元素)，為有效回收可設(shè)立尾礦庫進(jìn)行堆存，我國尾礦庫管理相關(guān)規(guī)范通過將尾礦壩體高度與尾礦庫庫容相結(jié)合，綜合確定其安全等級，擬研究尾礦庫為平地型上游法環(huán)繞筑壩尾礦庫，有效庫容約為53×106m3，四個(gè)方位最大壩高為25 m，依據(jù)表1平地型尾礦壩(庫)安全等級劃分，可知其屬國家三等尾礦庫。

表1 平地型尾礦壩(庫)安全等級劃分

及時(shí)引入在線監(jiān)測技術(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳防范尾礦潰壩、外泄、排洪系統(tǒng)破損等風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生為目標(biāo)，概述而言，尾礦庫在線監(jiān)測設(shè)計(jì)理念在于全面考慮壩體運(yùn)行的穩(wěn)定性能，從因素影響分析角度入手，通過核心算法建立相應(yīng)的壩體變形預(yù)測模型和關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)，以方法和設(shè)備為主線，確保尾礦庫實(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測的系統(tǒng)化、穩(wěn)定化與實(shí)用化，形成一種現(xiàn)代化安全監(jiān)控決策新平臺管理思維。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測控制模型建立

平地型尾礦庫監(jiān)測主要核心在于尾礦壩指示性參數(shù)監(jiān)測與超出預(yù)警閾值的及時(shí)報(bào)警，搭建符合尾礦庫運(yùn)行實(shí)際的遠(yuǎn)程自動(dòng)安全監(jiān)測系統(tǒng)，須明確獲取參數(shù)項(xiàng)的表征項(xiàng)目。參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸途徑，《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中針對參數(shù)項(xiàng)及實(shí)現(xiàn)功能已作明確要求，按照國家三等庫標(biāo)準(zhǔn)，選擇干灘長度、浸潤線、庫水位等必需監(jiān)測項(xiàng)目；干灘坡度做選擇性監(jiān)測；排泄設(shè)施做分期監(jiān)測。

針對該型尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)本體而言，從數(shù)據(jù)采集顯示中心與數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場兩大模塊構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行簡圖(如圖1所示)，監(jiān)控操作、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等構(gòu)成在線監(jiān)測系統(tǒng)核心，網(wǎng)絡(luò)交換裝置完成數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確交換功能，現(xiàn)場尾礦庫管理方面則通過不同功能性的傳感裝置技術(shù)展開數(shù)據(jù)信息采集與處理，主要包含超聲波水位計(jì)、高清攝像頭、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、測斜儀等儀器設(shè)備。故該監(jiān)控顯示中心與數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場在智能化的通訊系統(tǒng)橋梁下，共同構(gòu)成了一套完備的尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 平地型尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行簡圖Fig.1 Structural and operational sketch of the online monitoring system for flat tailings reservoir

建立尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)理論控制模型，考慮快速實(shí)現(xiàn)反饋尾礦壩(庫)安全運(yùn)行狀況目標(biāo)，確定尾礦礦漿滲流原理為基本模型：

(1)

式中：Q—模型滲流量，m3/s；A—介質(zhì)斷流面積，m2；H1—滲流模型介質(zhì)初始高度，m；H2—滲流模型介質(zhì)滲流一段時(shí)間后高度，m；L—模型滲徑長度，m；v—介質(zhì)斷面滲流速度，m/s；k—介質(zhì)滲流系數(shù)，m/s。

進(jìn)一步考慮尾礦礦漿滲流與壓力的內(nèi)在聯(lián)系，充分利用該尾礦礦漿高濃度特性，將尾礦礦漿流向滲流場與礦漿相互應(yīng)力場融合，形成較為符合實(shí)際運(yùn)行的尾礦庫最佳實(shí)況理論支持。此處給出礦漿壓力場理論模型為：

(2)

式中：K(σij)—監(jiān)控模型選滲透系數(shù)；n2—模型Γ2法線向量；n3—模型Γ3法線向量；Ω—模型設(shè)置滲流區(qū)域；Γ1—模型滲流區(qū)域第一類邊界；Γ2—模型滲流區(qū)域第二類邊界；Γ3—模型滲流區(qū)域第三類邊界；H(x，y，z)—第二類邊界水頭分布；H1(x，y，z)—第一類邊界水頭分布；q(x，y，z)—第二類邊界流量分布。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

運(yùn)行于高寒、大風(fēng)等惡劣氣候條件下的尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，各硬件儀器設(shè)備的安裝須在滿足數(shù)據(jù)傳輸精度的基礎(chǔ)上加裝特定或?qū)Ｓ梅雷o(hù)裝置，確保系統(tǒng)各部件間硬件連接牢靠、數(shù)據(jù)傳輸流暢。系統(tǒng)關(guān)鍵供電裝置結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，可知在智能電池組的供應(yīng)下，配置夜視儀和紅外球機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測、自適應(yīng)多功能性傳感裝置實(shí)現(xiàn)信息無線傳輸、專用匹配測量裝備實(shí)現(xiàn)壩體硬性監(jiān)測指標(biāo)功能等。

圖2 尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)智能供電裝置結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structure composition of intelligent power supply device for the online monitoring system of tailings reservoir

著重考慮數(shù)據(jù)采集與濾波環(huán)節(jié)，將目標(biāo)Kalman濾波算法與離散DE算法相結(jié)合，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪處理，保證濾波精度基礎(chǔ)上，獲取更趨于實(shí)際的尾礦庫各監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)，最大限度降低系統(tǒng)整體運(yùn)作的故障誤報(bào)率，且保證在線監(jiān)測的連續(xù)性，增設(shè)系統(tǒng)供電冗余模塊，主要參數(shù)如表2所示。重要場合及不可預(yù)測場景下運(yùn)行電源無縫切換模式，保證 6%以內(nèi)的系統(tǒng)報(bào)警誤報(bào)率。

表2 在線監(jiān)測系統(tǒng)供電模塊主要參數(shù)設(shè)置

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對該在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行軟件監(jiān)控顯示平臺布局設(shè)計(jì)，形成系統(tǒng)軟件模塊分配與功能實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，定位管理模塊主要由監(jiān)測點(diǎn)圖層、衛(wèi)星GPS監(jiān)測及預(yù)警記錄組成；實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊可隨時(shí)查看輸出采集到的尾礦庫各項(xiàng)參數(shù)曲線/圖像；預(yù)警管理模塊下設(shè)預(yù)警閾值和預(yù)警方式，聯(lián)動(dòng)管理模塊設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測圖像與預(yù)警記錄的對比、判定、發(fā)出聯(lián)動(dòng)指令等系列動(dòng)作。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件程序執(zhí)行流程，選取監(jiān)測干灘長度這一參數(shù)，監(jiān)測機(jī)理上經(jīng)超聲波傳感器測定，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理算法執(zhí)行后與報(bào)警閾值相比較，做出合理的應(yīng)對措施，其他各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)獲取原理類似。此處給出該平地型尾礦庫在線監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理與傳遞執(zhí)行的程序代碼如下：

…

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Public interface ISensor

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