尾礦庫安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳曉云，袁昊東

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西 商洛 726000）

0 引言

尾礦設(shè)施是礦山的重大危險(xiǎn)源,尾礦壩潰壩時(shí),尾礦往往立即液化,擴(kuò)大壩的缺口,沿山谷往下游傾瀉,其危害程度比水壩潰壩嚴(yán)重得多［1］。 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)尾礦庫安全管理系統(tǒng),利用傳感器技術(shù)和信號(hào)傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫壩體位移、浸潤(rùn)線、庫水位、降雨量等參數(shù)的有效監(jiān)測(cè),建立分析預(yù)警模型,提升了尾礦庫安全保障水平,有效防范和遏制重特大事故發(fā)生［2］。

1 尾礦庫監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

依照我國當(dāng)前尾礦庫監(jiān)測(cè)情況來看,大多尾礦庫監(jiān)測(cè)都是人工觀測(cè),其精度和準(zhǔn)確度并沒有完全依靠數(shù)據(jù),更多是觀測(cè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)而定,這讓尾礦庫的安全管理不盡科學(xué)。 數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)樘鞖?、氣候等因素的影響產(chǎn)生較大變化,僅通過人工觀測(cè)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè),難以發(fā)現(xiàn)尾礦庫存在的安全隱患,嚴(yán)重情況下容易誘發(fā)安全事故的發(fā)生。

我國尾礦庫的管理還處于起步階段,引入信息化的水平較低,具體表現(xiàn)為:(1)礦山企業(yè)受地理位置限制,導(dǎo)致計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基礎(chǔ)較為薄弱,難以滿足礦山安全管理的日常需要。 (2)尾礦庫的信息、數(shù)據(jù)須完整、準(zhǔn)確,才能真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目的,但實(shí)際情況很多時(shí)候相關(guān)數(shù)據(jù)并不完整,也未能及時(shí)錄入信息系統(tǒng),這導(dǎo)致了尾礦庫監(jiān)測(cè)信息的不完整,或存在數(shù)據(jù)的重復(fù)采集。 (3)計(jì)算機(jī)利用率偏低,網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的未予構(gòu)建,會(huì)使網(wǎng)絡(luò)信息傳遞速度較慢,導(dǎo)致有效資源無法及時(shí)、準(zhǔn)確共享,數(shù)據(jù)查詢不夠準(zhǔn)確,或查詢更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力,無法更好地滿足尾礦庫的管理需要。 (4)很多尾礦庫的辦公自動(dòng)化水平處于較低程度,部分企業(yè)的信息采集、錄入依然通過手工方式進(jìn)行,這都容易導(dǎo)致信息采集、查詢、統(tǒng)計(jì)等環(huán)節(jié)處于混亂狀態(tài),安全管理手段不夠先進(jìn),直接影響企業(yè)尾礦庫安全管理質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)制定。

2 尾礦庫監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

千家坪釩礦亮子溝尾礦庫為山谷型尾礦庫,設(shè)計(jì)總庫容478.38×104m3(有效庫容440×104m3)［3］,總壩高142 m,屬三等尾礦庫,服務(wù)年限約8.5 年。 初期壩為透水堆石壩,壩高52 m(標(biāo)高690 m),上、下游坡比為1 ∶1.8。 堆積壩采用上游式筑壩,高度90 m(標(biāo)高780 m),690 m 至710 m 堆積壩平均外坡比為1 ∶4,710 m至750 m 堆積壩平均外坡比為1 ∶5,750 m 至780 m堆積壩平均外坡比為1 ∶6,總平均外坡比為1 ∶5.2。 排水系統(tǒng)采用排水井進(jìn)水—排洪隧洞泄流方式,防洪標(biāo)準(zhǔn)按照100 年一遇,中后期500 年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防［3］。 目前子壩標(biāo)高720 m,初期壩內(nèi)安裝有兩個(gè)浸潤(rùn)性觀測(cè)孔,兩個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn),值班室房頂安裝有雨量計(jì)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況

尾礦庫初級(jí)壩標(biāo)高為690 m,子壩標(biāo)高為720 m,監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況如圖1 所示,結(jié)合尾礦庫設(shè)計(jì)參數(shù)和目前尾礦庫使用情況,初級(jí)壩上目前設(shè)置有2 個(gè)浸潤(rùn)線觀測(cè)孔,用于監(jiān)測(cè)尾礦壩的地下水位；初級(jí)壩上緊鄰浸潤(rùn)線觀測(cè)孔布設(shè)2 個(gè)GPS 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),用于監(jiān)測(cè)壩體沉降變形；4＃井處布設(shè)庫水位檢測(cè)點(diǎn),用于監(jiān)測(cè)庫區(qū)水位；雨量計(jì)位于尾礦庫壩面值班室房頂,用于監(jiān)測(cè)雨量［3］。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示,主要包含:工程資料管理、監(jiān)測(cè)信息管理、安全監(jiān)測(cè)管理、預(yù)警信息管理和信息交流管理、系統(tǒng)用戶管理［4］。 工作人員可以從不同角度分析各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù),登錄角色有用戶和管理員,管理員通過用戶數(shù)據(jù)庫查詢或修改用戶信息,用戶或管理員通過空間數(shù)據(jù)庫查詢尾礦庫信息。 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)設(shè)置的采集周期自動(dòng)采集和分析數(shù)據(jù),可隨時(shí)對(duì)尾礦庫的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,主要有壩體位移、浸潤(rùn)線、降雨量、庫水位和滲流量等參數(shù),也可隨時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)及分析曲線,若有緊急預(yù)警時(shí),系統(tǒng)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)反映給管理員,以便企業(yè)做出預(yù)案［5-6］。

圖2 尾礦庫安全管理系統(tǒng)

系統(tǒng)集成界面如圖3 所示,可以對(duì)尾礦庫進(jìn)行分線綜合監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)采集基本信息管理、預(yù)警業(yè)務(wù)、在線監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)查詢［7］。 通過壩體位移、浸潤(rùn)線高度、滲流量來監(jiān)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性,通過庫水位、干灘長(zhǎng)度和降雨量監(jiān)測(cè)有無漫頂。

圖3 系統(tǒng)集成界面

3.1 工程資料管理

工程資料主要是基本信息管理,包括尾礦庫監(jiān)測(cè)工程概況和尾礦庫概況。 尾礦庫監(jiān)測(cè)工程概況主要有工程承建單位、建設(shè)時(shí)間、竣工時(shí)間；尾礦庫概況主要有尾礦庫類型、筑壩方式、監(jiān)測(cè)內(nèi)容等參數(shù)［8］。

3.2 監(jiān)測(cè)信息管理

監(jiān)測(cè)信息管理主要包括對(duì)尾礦庫的浸潤(rùn)線、庫水位、表面位移、干灘長(zhǎng)度、降雨量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析并形成報(bào)表。 每個(gè)監(jiān)測(cè)類型都有若干監(jiān)測(cè)點(diǎn),可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［9］。 也可以查看歷史數(shù)據(jù),在報(bào)表管理中查看日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和班報(bào)表,日?qǐng)?bào)表如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)表

3.3 安全監(jiān)測(cè)管理

依照當(dāng)前尾礦庫安全管理需求來看,信息系統(tǒng)的構(gòu)建還需具備網(wǎng)絡(luò)化功能,融入Internet 技術(shù),實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞,能結(jié)合具體需求進(jìn)行信息共享和應(yīng)用,這就需要借助GPRS Modem 實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)通信。 尾礦庫安全管理系統(tǒng)所需要具體監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

第一,浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)。 需要選取尾礦庫壩上最大斷面,以及可能發(fā)生事故并可能會(huì)對(duì)下游造成嚴(yán)重危害的斷面作為監(jiān)測(cè)剖面,結(jié)合設(shè)計(jì)資料及壩體下游的孔隙水壓力變化,選擇合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

第二,庫水位監(jiān)測(cè)。 使用的儀器為自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀,設(shè)置場(chǎng)所為庫內(nèi)排水構(gòu)筑物,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行布置前,須結(jié)合尾礦庫的實(shí)際情況制定施工方案,并從中選取最佳方案。

第三,干灘標(biāo)高監(jiān)測(cè)。 尾礦壩會(huì)因?yàn)樘钪龈?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)高會(huì)隨著實(shí)際情況的變化而變化,讓此指標(biāo)變成動(dòng)態(tài)指標(biāo),需要就監(jiān)測(cè)尾礦壩灘頂標(biāo)高進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

第四,壩體位移監(jiān)測(cè)。 能夠有效防止壩體位移可能造成的壩體損害,以及因此而產(chǎn)生的嚴(yán)重事故。 主要使用經(jīng)緯儀,或者使用GPS 自動(dòng)監(jiān)測(cè),依照壩的長(zhǎng)短選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)剖面,就監(jiān)測(cè)剖面進(jìn)行跟進(jìn)監(jiān)測(cè)。 一般情況下,所選擇的壩體為最大壩高處,且地基地形地質(zhì)會(huì)發(fā)生較大變化的壩體,并進(jìn)行監(jiān)測(cè)剖面的設(shè)置。

第五,現(xiàn)場(chǎng)情況監(jiān)測(cè)。 尾礦庫的關(guān)鍵部位都是安全監(jiān)測(cè)的重要部位,比如溢水塔、壩體下游坡、灘頂放礦處等,設(shè)置相應(yīng)的視頻監(jiān)測(cè),能夠跟進(jìn)監(jiān)測(cè)尾礦庫具體運(yùn)行情況,結(jié)合運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及實(shí)時(shí)掌握。

3.4 預(yù)警信息管理

系統(tǒng)采用了紅色、橙色和黃色預(yù)警等級(jí),如圖5 所示,當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到警戒閾值時(shí),就會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警和短信報(bào)警,管理人員第一時(shí)間收到消息,盡快做出響應(yīng),從而保障尾礦庫安全［10］。

圖5 預(yù)警信息

3.5 信息交流管理

該模塊設(shè)計(jì)主要是信息的及時(shí)發(fā)布、溝通和交流。可以將相關(guān)人員聯(lián)系起來,對(duì)數(shù)據(jù)、信息有需求的人員能第一時(shí)間獲得信息提醒,及時(shí)提取和應(yīng)用新數(shù)據(jù)、新信息。 如果獲取的為預(yù)警信息,還能進(jìn)行特別顏色顯示(如圖5 所示),管理人員能夠第一時(shí)間將預(yù)警信息通過網(wǎng)絡(luò)予以發(fā)布,讓相關(guān)責(zé)任人及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及早解決。 礦山企業(yè)能夠借助此系統(tǒng)模塊發(fā)布公告、通知等其他信息,可以進(jìn)行信息的更新、修改和刪除,能夠就所發(fā)布的信息進(jìn)行權(quán)限設(shè)置,結(jié)合信息發(fā)布需要讓不同人員進(jìn)行信息的瀏覽。

3.6 系統(tǒng)用戶管理

系統(tǒng)用戶管理模塊主要是匹配和設(shè)置管理系統(tǒng)的用戶權(quán)限,通過日志管理跟進(jìn)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行,查詢系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤,監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏洞或錯(cuò)誤及時(shí)補(bǔ)丁、更正。

此外,系統(tǒng)用戶管理模塊設(shè)計(jì)過程中還需結(jié)合不同用戶的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置,用戶可以通過系統(tǒng)確定和建立數(shù)據(jù)模型,調(diào)取相應(yīng)級(jí)別的數(shù)據(jù)表格,結(jié)合工作需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫表,以滿足不同部門的表格設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)語

尾礦庫是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源,存在潰壩危險(xiǎn),一旦失事,容易造成重特大事故,通過安全管理系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)尾礦庫的安全監(jiān)測(cè),才能真正保證尾礦庫的安全管理質(zhì)量,才能實(shí)現(xiàn)尾礦庫的更好管理。 按照《尾礦庫安全監(jiān)督治理規(guī)定》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求,本文利用傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫壩體位移、降雨量、浸潤(rùn)線、滲流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與分析,便于企業(yè)及時(shí)掌握尾礦庫的相關(guān)參數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)分析和預(yù)警能及時(shí)做出決策,減少事故的發(fā)生,使尾礦庫的管理更加現(xiàn)代化。