矿山尾矿库自动监测技术的应用

张永明 (北方铜业股份有限公司铜矿峪铜矿,山西 垣曲 043706)

矿山尾矿库自动监测技术的应用

张永明 (北方铜业股份有限公司铜矿峪铜矿,山西 垣曲 043706)

对铜矿峪矿十八河尾矿库自动监测技术进行了总结，阐述了自动监测技术的主要技术点与取得的效果，并指出了其存在的问题。

安全生产；尾矿库；自动监测

1 前言

铜矿峪矿是北方铜业股份有限公司的主体矿山，目前年处理矿量在400万t以上，二期工程建成投产后年处理矿量将达到600万t。铜矿峪矿十八河尾矿库，作为Ⅱ级尾矿库，承担着铜矿峪矿尾矿的储存与蓄水作用。该矿历来重视安全生产工作，近几年不仅加强了安全生产管理制度的建设，而且为实现安全化生产，在矿山生产的多项环节中采用了一系列新的安全技术，特别是矿山尾矿库自动监测系统的投入使用，使尾矿库安全生产管理人员可以及时直观地掌握尾矿库的实际动态，进行安全评价、预警预报，为尾矿库的安全管理提供了有力支持，为确保尾矿库安全运行提供了一个高新技术平台，使得矿山安全生产的整体水平又迈上了一个新的台阶。

2 十八河尾矿库概况

北方铜业股份有限公司铜矿峪矿十八河尾矿库于1969年开始建设，1972年4月投入使用。该库为河谷型尾矿库，采用上游式堆筑方式筑坝。库内汇水面积6.65km2，尾矿库防洪标准采用百年一遇设计，千年一遇校核。该库库底最低高程486m，设计尾矿最终堆积高程570m，总堆积高度84m，总库容12 000万m3，有效库容8 500万m3，尾矿库的等级为Ⅱ级库。尾矿库初期坝为均质土坝，坝顶高程509m，坝高23m，顶宽3m，内坡比1∶2.25，外坡比1∶（2.25～2.75）。目前该库坝体实际堆积高度74m，坝体长度1 600m，总坡比1∶6，堆积坝纵向坡比0.3%，外坡坡比1∶2，沉积滩平均坡度1∶（100～120）。

2009年以前，该库只有人工观测设施，涉及尾矿安全的相关数据的采集采用人工方式，浸润线每周观测1次，汛期每天1次，位移监测点每月监测1次。

3 尾矿库自动监测系统

2009年5～12月，由北方铜业股份有限公司通过招标确定北京矿冶研究总院中标实施十八河尾矿库自动化监测系统。项目涉及坝体表面位移、库水位、浸润线、降雨量、渗流量、浊度、干滩长度、安全高差、视频、巡线定位等方面的内容。项目根据子坝抬升和东梁导渗施工情况，分两期进行建设：一期工程包括坝体与东梁位移、降雨量、库水位、浸润线、坝体渗流以及安全高差监测等建设工作，于2009年6月正式开工建设，8月底完工投入使用；二期工程包括干滩长度、视频、东梁渗流量与浊度监测等建设工作，于子坝抬升和东梁导渗施工完成后开始建设，于2009年12月中旬完工投入使用，该系统应用了计算机软硬件技术、网络技术、检测技术以及现代通讯技术，使十八河尾矿库监测系统实现了自动化、实时化、智能化。

3.1 监测系统构成

尾矿库安全自动化监测系统由现场监测预警系统与后期数据分析发布与共享系统两部分组成，其中前部分由现场监测站、数据处理子系统、数据通讯子系统、监控报警子系统组成，后部分由数据分析发布与共享系统组成，见图1。

图1 尾矿库自动化监测系统构成示意图

3.2 监测内容及监测点布置

（1）18个坝体浸润线监测点。利用原有的18个浸润线观测井，共布置了3个观测横断面，每个断面6个监测点。

（2）7个坝体位移GPS监测点。布置了2个横断面，每个断面2个点；2个东梁位移GPS监测点；1个GPS基准点。

（3）1个库区水位监测点，布置在篦子沟浮船处的岸边上；1个降雨量监测点，布置在大院值班室的房顶上。

（4）8个干滩长度监测点。共布置了4个观测剖面，每个剖面2个点，其中一个点靠近子坝内坡脚位置，另一个布置在离坝顶150m处的位置。

（5）1个坝体渗流监测点，布置在初期坝的坝坡脚汇水处；2个东梁渗流量监测点，分别布置在东梁导渗工程的两端汇水处。

（6）1个井沿高程监测点，布置在3#泄洪井上。

（7）2个东梁浊度监测点，与东梁渗流监测相对应，分别布置在东梁导渗工程的两端汇水处。

（8）4个巡视定位监测点，配备4台巡视手机和4台巡视轨迹定位器。

（9）6个视频监测点，分别布置在初期坝1个、坝顶3个、泄洪井1个，以及拦洪坝引水井处1个。

3.3 监测系统设计的基本依据与标准

系统方案设计遵循下列规范或标准：AQ2006-2005《尾矿库安全技术规程》、SL60-94《土石坝安全监测技术规程》、SL268-2001《大坝自动监测系统设备基本技术条件》、GB50057-94《建筑物防雷设计规范》。

3.4 自动化监测系统的主要监测技术

3.4.1 GPS位移监测技术

GPS变形监测技术是基于全球卫星定位系统来进行坝体变形监测的，该技术具有全天候监测、抗干扰强、费用高等特点，本系统采用的是进口单频GPS接收机。

3.4.2 浸润线监测技术

采用进口渗压计来监测坝体浸润线的深度。其原理为：通过在坝体里钻凿钻孔，把渗压计放置在钻孔里(与测压管结合使用)，通过测量渗压计的压力，再转换为水位(高程)，即可得到坝体的浸润线高度。渗压计与自动数据采集仪通过电缆连接，采集仪再通过无线方式与现场值班室相连，从而形成整个监测网络。

3.4.3 库水位监测技术

库水位采用超声波测距测量法进行监测。即在库岸边安装超声波液位计，通过测量仪器距库水面的高度来计算库水位高程。

3.4.4 渗流量监测技术

本系统采用进口超声波明渠流量测量技术，利用排出的水流通过一个三角形槽口的堰板，通过堰口流出的水量与量水堰水头高度之间的函数关系（经验公式），然后用自动遥控方式(超声波液位传感器)测量堰上水头高度就可以得出流量。

3.4.5 干滩在线监测技术

干滩监测主要包括干滩长度、滩顶高程、干滩坡度等监测内容。由于当前大多数检测方法难以准确并快速测定滩顶高程和最高洪水位高程，再加上水边线的界线很不明显，该处又无法进入，通常只能目测，据此推算出来的总干滩长度和调洪干滩长度不准确可信。本系统利用干滩高程关键监测点和人工测点，采用曲线拟合方式，拟合出整个干滩面的实际曲线图，然后结合库水位高程、泄洪井井沿高程，经过计算得出实际的干滩长度、滩顶高程等值，并可进行后续的最小安全超高、防洪高差、调洪库容等计算。干滩面高程采用进口超声波液位计进行测量，测量原理：在设定的监测点立杆安装超声波液位计，通过测量液位计距地面的高度来计算干滩面高程。

3.4.6 浊度监测技术

采用QZ201C型在线浊度监测仪，该仪器为散射光浊度仪，是水浑浊度的专用测试仪器，通过测量穿过水散射出来的光强度来衡量水的浑浊度，即散射光强度与液体中颗粒数成正比。其内带微处理器，双光束浊度测量仪器，双A/D转换，其精度和可靠性均很高。

3.4.7 视频监测技术

采用具有红外夜视能力的高速球机进行尾矿库重要构筑物和重要位置的实时视频监测，视频监控系统具有水平360°旋转和垂直90°旋转、实时录像、回放等功能。图像清晰度为500电视线，镜头220倍变焦（22倍光学变焦，10倍数码变焦）。

3.4.8 巡视员在线监测技术

本系统采用GSM实时定位和可视化在线显示技术来实现对巡视员的在线实时监测。在监控中心设置一套短信发送平台，通过主机控制短信平台的信息发送和接收。巡视员在现场巡查时，佩带一台定位器和一台巡视专用手机。主机控制短信平台定时向巡视员的定位器发送控制短信，定位器收到短信后会及时返回一条携带巡视员定位信息（经纬度）的短信给短信平台，通过软件识别，监控主机把巡视员的巡视轨迹显示在专门的巡视定位图上，实现对巡视员工作状态的实时在线监控。同时，如果巡视员发现现场有异常情况时，可通过佩带的巡视手机直接登陆监测系统，在系统里的巡视定位栏目里填写现场发现的问题，及时把现场的情况向上级汇报。该技术解决了目前人工巡视与自动化监测相脱离的问题，实现了巡视员巡查过程的可视化在线监测，使巡视信息能迅速融入到自动化监测系统。

4 监测系统应用效果

4.1 系统效果

（1）系统能实现坝体位移、浸润线、降雨量、库水位、浊度、干滩长度等参数的自动采集，通过这些数据能实时把握尾矿库运行的安全状态，并根据监测数据的变化情况指导尾矿库安全管理的日常工作。

（2）系统具有远程查询和控制功能，可通过局域网或互联网对监控主机进行遥控监测，实现数据采集软件上的所有功能，并对数据采集软件中的历史数据有访问权限的进行查询。

（3）系统可监视运行期间坝体的状态变化和运行情况，在发现不正常现象时及时发出报警，防止事故发生，以保证生产的安全运行。如浸润线超过预先设置的警戒值时，系统发出声光报警，及时通知管理人员进行校核。

（4）系统能根据实时采集的数据计算库区的调洪高差、安全高差；系统能综合历史数据和实时采集的渗流、水位、雨量、形变等数据，进行相关参数的过程线分析、滞后时间分析、沉降分析、横断面分析、纵断面分析等有关坝体安全分析。

4.2 仪器精度与系统精度

（1）浸润线监测系统精度小于20mm。

（2）2小时解算时间内，坝体表面变形平面监测系统精度小于5mm，垂直监测精度小于8mm。

（3）仪器高程精度优于5mm，渗流量监测精度小于10ml/s。

（4）仪器高程测量精度优于5mm，库水位监测系统精度小于20mm。

（5）仪器精度2.5%FS，浊度监测系统精度小于20NTU（度）。

（6）仪器高程精度优于5mm，干滩长度通过曲线拟合计算得出，测系统精度小于10m。

（7）仪器高程精度优于5mm，安全超高监测系统精度小于100mm。

（8）降雨量监测系统精度为0.1mm。（9）巡视员定位系统精度小于10m。

5 存在问题

（1）该系统投入使用后存在的一个主要问题是太阳能电池板的采光面积与蓄电池容量不足。一遇到阴雨天，就会因为太阳能电源不足造成整个系统瘫痪。经过多次改进，增加太阳能的采光面积及蓄电池的容量，现在这个问题基本得到解决。

（2）无线网桥的收集信号范围窄，只有60°角，各个无线网桥之间靠串联接替传输信号，一个无线网桥出问题，与其相关联的传输信号就无法传输出去。同时，个别无线网桥的耐环境能力差，曾出现下雨进水的现象。

（3）干滩长度误差大。干滩长度是通过采用超声波液位计测量滩面高程间接计算得到的。一方面，尾矿库的环境比较恶劣，粉尘大，采用超声波液位计的测量精度达不到；另一方面，库区内的坡度不均匀，靠近坝前的坡度大，库区内的坡度小，如果计算公式考虑不周全的话，也影响到计算结果。

（4）采用GSM实时定位和可视化在线显示技术来实现对巡视员的在线实时监测的巡视员在线监测技术过于复杂，在现场难以实施。巡视员在线监测技术应采用设相应监测菜单的巡线专用手机对巡视内容记录及发送，要简便易行，不可过于复杂，同时对巡视员巡视位置实时定位。

（5）渗流量与浊度监测仪的监测受环境影响较大，应及时清理明渠中的杂物及淤泥。

6 结语

十八河尾矿库自动监测技术的成功应用，实现了对坝体位移、浸润线、降雨量、库水位、浊度、干滩长度等参数的自动采集，并通过局域网或互联网对监控主机进行遥控监测，对数据采集软件中的历史数据有访问权限的进行查询；实现了对库区主要运行状态和运行情况的监视；实现了实时计算库区的调洪高差、安全高差和有关坝体安全分析。通过自动监测技术的成功应用做到了实时把握尾矿库运行的安全状态，并根据监测数据的变化情况指导尾矿库安全管理的日常工作。降低了尾矿库生产管理人员的劳动强度，提高了尾矿库的管理水平。但是，尾矿库自动监测技术应用于尾矿库的时间不长，可以借鉴的成功范例不多，在使用中还存在一些不足之处，需要在以后的工作中进一步完善。

Application of automatic monitoring in tailings pond

The automatic monitoring techniques of Shibahe tailings pond of Tongkuangyu mine were summarized.The key technical points of automatic monitoring and obtained results were described,and its problems were pointed out.

safety production;tailings pond;automatic monitoring

1672-609X（2010）06-0011-04

TD76

B

2010-09-08

张永明（1964-），男，山西晋中人，高级工程师，从事机械设计、设备选型及机械能源动力设备管理工作。