小打鹅尾矿库在线监测系统改造设计

李小军，苏 军，王治宇

（1．北京矿冶研究总院，北京102600；2．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102600）

近年来，我国尾矿库安全事故时有发生，不仅给人民生命财产造成重大损失，而且对周围环境安全构成了严重威胁［1］。例如2008年9月8日，山西省襄汾县新塔矿业有限公司（铁矿）发生了特别重大尾矿库溃坝事故［2］，造成277人死亡、4人失踪、33人受伤和巨大财产损失，造成了极为严重的环境污染和恶劣的社会影响。现阶段，尾矿库安全环保形势依然严峻，隐患及问题依然十分突出。

据统计，全国12273座尾矿库中，库容在100万m3以上的三等库3148座，约占尾矿库总数的25．6%，这些尾矿库根据国家要求在2013年之前完成了尾矿库在线监测工程，经过几年的运行，目前尾矿库在线监测系统存在一定的问题，例如位移监测不到位、供电不稳定、受雷击影响［3－6］等，对于这些问题，矿山企业应落实整改，使在线监测系统恢复正常，运用尾矿库在线监测系统，实现尾矿库潜在危险的提前预警，迅速知晓和快速高效应对，为矿山企业提供帮助。

小打鹅尾矿库在线监测系统建设完成截至目前已有5年时间，在线监测系统存在位移监测数据不准、库水位监测不正常、雷暴天气下在线监测系统不能正常工作，针对这些问题需要对原有的在线监测系统进行改造，本文针对是在线监测系统改造的设计。

1 工程概况

小打鹅尾矿库位于南北走向的狭长沟谷小打鹅沟内，西、北、东三面环山，地势北高南低。库区高差约125．00m，谷底纵坡度8～10°，沟谷为“V”型沟谷，沟内植被极为稀少，两侧谷坡基岩裸露，易形成泥石流。库区地貌上属中高山构造侵蚀剥蚀地貌形态，气候属国内中亚热带西部半湿润气候区，受季节性降雨影响。尾矿库设计总坝高187．5m，尾矿库设计等别为三等库。

根据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030－2010）要求，三等尾矿库应监测位移、浸润线、干滩、库水位、降水量，必要时还应监测孔隙水压力、渗透水量、混浊度［7］。按规范要求2010年已建成了的尾矿库在线监测系统，目前存在的问题如下所示。

1）原尾矿库在线监测工程只监测了内部位移，而且是单向的，未能直观反映尾矿库坝体水平和竖直方向变形。

2）干滩长度监测采用的是高分辨率摄像机，在白天监测干滩效果好，但在黑夜监测效果不能满足要求。

3）数据传输不稳定。内部位移监测的数据传输采用的是电缆，原系统线路强电与传输的信号4～20mA电流信号线路共用一个线槽，传输过程中干扰较大，影响监测数据的准确性。监测主机与浸润线监测之间的通信采用RS485协议通信，敷设方式混乱，主要为：架空、直埋及混合方式。敷设线路较长，线路与强电线路混合，容易产生电磁，影响传输的稳定，致使浸润线监测数据不准确。

库水位监测的数据传输采用无线电台传输，库水位监测传感器安装于排水井附近，在极端条件下存在电台传输不稳定或不正常工作情况，不能传输数据，不能及时了解尾矿库水位情况。

4）防雷问题。防雷接地系统中接地达不到规范要求，或防雷设备老化，影响在线监测系统工作。尾矿库地处雷电多发区，在线监测系统受雷击影响大，根据现场调研，2014年5月中旬，尾矿库初期坝坝顶和堆积坝的摄像机多次受到不同程度的雷击，破坏了供电模块，严重影响了视频监控效果。

5）尾矿库在线监测数据展示效果差，监测数据未分类较混乱；监测数据的存储比较分散，致使数据检查、修正和相应模块设置等不能同步。

2 改造系统功能要求

根据原有监测系统的实际运行情况，以保证尾矿库在线监测系统正常稳定运行为目标，对原有尾矿库在线监测进行改造设计，系统实现如下功能：①监测数据自动采集功能；②现场网络数据通信和远程通信功能；③数据存储及处理分析功能；④防雷及抗干扰功能。

系统实现功能的要求：①测量周期为1分钟至30天，可调；②监控中心环境温度保持在20℃至30℃，湿度保持不大于85%；③系统工作电压为220（1±10%）V；④系统故障率不大于5%；⑤防雷电感应不小于1000V；⑥采集装置测量范围满足被测对象有效工作范围的要求。

3 系统改造设计

3．1 位移监测改造设计

位移监测采用智能全站仪技术。小打鹅尾矿库地处沟壑地区，但库区整个地形起伏不大，通视条件好，满足智能全站仪监测条件。智能全站仪能自动搜索、跟踪、辨识和精确找准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息。

依据规范要求，设计3个断面，每个断面上设置3个监测点，另在库区外稳定山体上设置2个基准点，智能全站仪安装于框架结构的观测房内，供电以220vAC为主，兼以采用太阳能供电为辅，通信采用光纤通信。

3．2 浸润线监测改造设计

改造设计主要是通信线路的改造，浸润线通信的信号主要是4～20mA的电流信号，原系统采用的是架空，根据现场实际条件和现场应用条件，采用地埋的方式通信。

3．3 干滩监测改造设计

干滩监测改造设计主要监测干滩长度和安全超高。干滩长度主要通过测量干滩高程，结合库水位高程，再通过人工定期测量干滩的坡度，经过推理计算的方式求得。干滩长度与安全超高监测计算的基本原理如图1所示。首先确定监测剖面，在监测剖面的坝内沉积滩上布置2个滩面高程监测点，其中监测点1一般布置在靠近子坝内坡坡脚附近，监测点2一般布置在最小干滩长度附近，对于本项目的三等库，规范规定最小干滩长度为70m，即，监测点2可布置在距滩顶70m的位置（图1中点3的位置）。干滩监测点的高程采用立杆架设超声波液位计的方式进行观测，通过在线监测得到它们的高程，结合人工定期测定的干滩坡度i，就可计算得到干滩长度。

安全超高为滩顶高程与设计洪水位之间的高差：即图中1点和3点的高程之差：ΔH＝H1－H3，通过计算安全超高结合规范和设计可判定是否漫坝。

干滩长度：L＝ΔH／i。

图1 干滩长度与安全超高的监测与计算原理示意图

3．4 通信系统改造设计

通信设计包括坝体监测点设备通信和尾矿库值班室与公司监控中心之间的通信，前者保证采集端数据正常传输到尾矿库值班室，实时监测尾矿库各个运行指标，后者实现尾矿库实时状态实时跟踪和了解。

坝体监测点通信改造设计以有线通信为主，浸润线监测设备渗压计与采集分站采用屏蔽四芯电缆通信，采用modbus通信协议；干滩监测物位计与采集分站采用屏蔽四芯电缆通信；库水位监测液位计与采集分站采用屏蔽四芯电缆通信。通信电缆直埋于400mm×700mm电缆沟。分站与值班室通信采用光缆通信。

尾矿库值班室与公司监控中心采用有线与无线通信，形成环网冗余。

3．5 防雷系统改造设计

雷电闪击后产生的直击过电压和感应过电流是造成在线监测系统损坏的主要原因，避免雷击的措施是加装避雷设施和做好接地，安装在野外的基站等设备的安装位置应避免突出，设备的金属外壳或金属保护箱要可靠接地。

3．5．1 接地网制作

利用现场自然水体，设计3个接地网：一是在值班室附近制作一个防雷接地网，该地网最后通过扁铁连至坝底的接地网，主要保护坝体附近设备的防雷安全，包括雨量、主机、全站仪、视频等；二是利用坝底回水泵站制作一个防雷接地网，主要保护视频，同时也作为值班室接地网的等电位降阻地网；三是利用排水井附近的水体制作一个防雷接地网，保护该处的视频与库水位监测设备。

3．5．2 各监测点接地方式

1）接地网制作完成后，各监测点分站的防护箱及监测设备要求规范接地，引下线采用16mm2以上铜芯接地线或热镀锌圆钢、扁钢等。

2）监测分站的防护箱内设备通过汇流排统一接地。

3）接地点采用焊接方式，并做防腐处理。

3．5．3 浪涌保护器（SPD）配置

尾矿库值班室要求在系统电源接入位置配置一级浪涌保护器，系统设备接入前配置二级电源浪涌保护器。

所有信号采集设备、弱电控制设备需要配置与设备规格相匹配的的浪涌保护器。

3．6 在线监测系统软件改造设计

为实现尾矿库运行状态数据采集和展示独立，在尾矿库值班室设置2台服务器，1台安装尾矿库在线监测系统采集软件，作为系统采集服务器，1台安装管理发布软件和视频监控软件，作为系统发布和视频监控服务器。

3．6．1 数据管理和发布功能

系统管理软件平台同时基于C／S和B／S结构开发，同时兼顾数据本地管理和远程发布功能。

3．6．2 综合预警功能

系统开发多层次预警功能：软件界面三级预警；报警信息保存和查询功能。

软件界面三级预警：各种监测数据设置三级预警功能，供管理人员设置使用。监测数据超过预警阈值后，系统界面弹出报警信息，变色闪动，以引起操作人员注意。

报警信息保存和查询功能：每条报警信息自动存入数据库，以便于管理。系统支持log记录查询，从而方便地进行故障排查。

4 结 论

本文以小打鹅在线监测系统为设计对象，通过实地现场调研，分别对位移监测、浸润线监测、干滩监测、通信系统、防雷系统进行分项设计，解决了以下问题。

1）在线监测系统瘫痪或不工作的尾矿库必须进行恢复，必须满足规范要求，以确保尾矿库运行状态的实时监测和了解。

2）通过位移改造设计和优化，实现了坝体主要特征点水平和竖直向的位移监测，实现了位移监测三级报警联动，同时结合在线监测数据过程线分析可定性预测尾矿库坝体位移变化趋势。

3）通过干滩监测改造设计实现了尾矿库安全超高监测，能预测尾矿库漫坝的风险；干滩长度监测指导尾矿库放矿管理。

4）通过数据传输设计改造、数据展示等实现了尾矿库运行状态全天候实时掌握了解，满足了尾矿库在线监测规范要求。

5）通过防雷改造设计保证了监测系统的健壮性，提高了监测系统抗风险的能力。

小打鹅尾矿库在线监测系统中存在问题的改造，实现了监测数据实时分析与报警联动，防雷系统改造又增加了系统的可靠性，对尾矿库在线监测系统改造设计具有一定的借鉴意义。

［1］ 李青石，李庶林，陈际经．试论尾矿库安全监测的现状及前景［J］．中国地质灾害与防治学报，2011，22（1）：99－106．

［2］ 李全明，陈寺宏，王云海．尾矿坝堆坝材料非线性力学特性试验研究及数学模型拟合［J］．安全与环境学报，2009，9（5）：132－135．

［3］ 李春民，王云海，张兴凯．矿山安全监测数据挖掘系统框架研究［J］．金属矿山，2009（12）：126－130．

［4］ 王锐，吴建华．大坝自动化监测系统建设的问题及解决方案［J］．科学之友，2007（9）：23－25．

［5］ 李雷，张国祥．大坝安全监测系统防雷和接地技术初探［J］．大坝观测与土工测试，2000，24（1）：4－7．

［6］ 方卫华．大坝安全监测自动化系统的防雷研究［J］．水力发电，2001（2）：54－56．

［7］ 田文旗．我国尾矿库现状及安全对策的建议［C］／／中国有色金属学会采矿学术委员会．2010年中国矿山安全管理与技术装备大会论文集．大连：中国有色金属学会采矿学术委员会，2010：59－65．