试论尾矿库安全监测预警系统可靠性评估

2014-08-15张黎黎

吉林广播电视大学学报 2014年9期

张黎黎

（长春工程学院，吉林长春 130012）

我国也是一个矿业大国，尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，是一个具有高势能的重大危险源，是矿山选矿厂生产必不可少的组成部分，也是维持金属非金属矿山正常生产的必要设施，大量尾砂一旦发生泄漏、甚至溃坝，具有高势能的人造泥石流的重大危险源[1]。

一、简述尾矿库安全监测预警系统

1、尾矿库安全监测预警系统基本构成

它主要包括硬件系统和软件系统。

其中硬件系统由坝体位移监测设施、浸润线监测设施、库水位监测设施和其他监测设施构成。坝体位移监测设施又包括GPS位移监测和全站仪位移监测。尾矿坝GPS位移监测系统由三部分组成，监测点的布置一般选择2-3个监测剖面，对各个监测点的参数进行计算分析，监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，得到预警参数，实时监测尾矿坝坝坡位移。全站仪以自动记录和显示读数，监测点的布置一般选择4-5个监测剖面，使测角操作简单化，可避免产生读数误差。对各个监测点的参数进行计算分析，提高了测量作业的自动化程度。得到预警参数，便于光信号的传播和反射；浸润线的位置对抗滑稳定和渗透稳定极其重要。其中渗压传感器采用光纤压力，应根据《尾矿库安全技术规程》力求做到使浸润线不从坡面逸出，根据实际设计安装到浸润线以下，根据尾矿库的具体情况进行确定，几个渗压传感器通过光缆串接起来，必须满足最小安全干滩长度的要求。确定每个监测的各级预警参数，对于把握坝体稳定状况具有重要意义。为了实时掌握尾矿库库区的情况[2]，库水位监测点布置在尾矿库的溢水塔，采用安全超高检测法检测尾矿库防洪能力，以满足准确清晰把握尾矿库运行状况，光纤水位传感器用水下光缆连接监测主机。根据防洪级别来计算安全超高，一般设2个监测点，得到预警参数。

软件系统包括监测模块、计算模块和评价模块。监测模块用于采集监测数据，计算模块得到各个监测的危险性，将数据存储在统一的数据库中。通过数学模型计算得到综合评价结果，其他模块一般包括人机界面接触和环境模块。

尾矿库安全监测预警系统优点表现为自动化程度高，监测指标选择合理，随时、及时可获取尾矿库运行数据，对影响尾矿库安全生产关键技术指标监测，反映尾矿库安全运行清况，可靠性大，监测成本低、企业负担轻。监测精度高，精确度都在毫米级，具有预警功能，及时掌握尾矿库的安全现状，并对险情进行预测预报，为尾矿库管理提供科学的依据，保障库区下游企业正常运转，实现坝体稳定和防洪安全的自动预警，库区人民群众的生命财产安全进一步提高。

2、尾矿库安全监测预警系统可靠性

尾矿库安全监测预警系统的可靠性是指产品(或系统)在规定的条件下，在尾矿库安全监测预警系统使用寿命内，保证其设计的功能、性能的能力，在矿山野外恶劣环境下，具有良好的正常使用性能，能承受工作环境的作用的性能，具有抗老化、抗腐蚀和抗松动的能力，不会影响系统其它部位的正常运行。

具体包括监测值的精确性和及时性，能经受寿命期内的各种外界环境影响，直接雷击等作用时不会产生严重后果，能实现设计所要求的功能和性能指标，对系统的干扰，交通、发电、泄洪和地震等而满足使用要求，从而使故障易于查找和修复等。

可靠性指标是评价产品的可靠性定量化尺度，可靠度是指产品在规定的时间内完成规定功能的概率，用概率解释，又叫可靠度分布函数；故障率又称失效率，故障率愈高，则可靠性愈低，表示工作到某时刻时尚未发生故障的产品。产品的故障形式由多种基本形式混合而成，平均寿命指的是它失效前的工作时间，是指一次故障发生后到下一次故障发生前。

系统是指为完成某一特定功能，系统可靠性框图，也称系统逻辑框图。系统的可靠性取决于元件的可靠性及其结构图，用方框表示单元功能。串联系统可靠度等于独立单元可靠度乘积，其可靠度低于组成该系统的每个单元可靠度，故障率大于组成该系统的每个单元故障率，可靠度取决组成系统的每个单元可靠度；并联系统可靠度高于系统每个单元的可靠度，故障率低于组成该系统的每个单元故障率，可靠度取决于系统最大可靠度的单元；串联和并联系统混合的系统称为混联系统。

二、尾矿库安全监测预警系统可靠性评估模型

1、系统可靠性特点

系统具有系统性、全面性、可操作性和实用性。系统可靠性要从系统的安全出发，都要充分给予考虑，以确保可靠性的全面性。应着眼于设计和使用中可能发生的各种问题，其可靠性研究必须强调可操作性。进行综合考察和研究，必须要多方设想，周密分析，以提高解决实际问题的能力，必须是建立在认真的调查研究之上，有针对性地做出判断，提出相应的对策。结合尾矿库企业的特点、自身条件，针对实践中可能遇到的各种复杂的情况，充分考虑与系统安全有联系的各种要素，做到量力而行，使系统可操作。

2、硬件系统可靠性

硬件系统根据其购买产品的不同，可靠性也存在一定程度的不同。模糊可靠性理论利用模糊数基本概念，进行模糊数运算，模糊数的代数运算法则有多种形式。模糊数识别大致有按“最大隶属原则”归类和按“择近原则”归类。隶属度函数的确定方法又包括模糊统计法，三分法和专家打分法。

硬件系统产品的可靠性根据产品多样性和技术局限性不同，根据模糊对称三角结构元，需要根据硬件系统的运行状况，采用系统各环节的失效率，对统硬件系统的实地观测和示例数据分析，根据硬件系统相关设备、设施故障率计算其模糊可靠度。

3、软件可靠性

是指在规定条件下，软件程序执行所要求功能的能力。故障树也称事故树，故障树分析方法是一种描述事故因果关系的有方向的“树”，是解决复杂系统可靠性的一种有效手段。通过对各种可能造成系统故障的硬件、软件等相关内容进行分析，是安全系统工程中的重要分析方法之一，并对其危险性进行识别评价，故障概率本身带有一定的不确定性，确定顶上事件和基本事件，然后画出故障树，从要分析的特定事故或故障开始，运用模糊故障树可靠性的相关理论，适用于定性和定量分析。

故障树分析的基本程序过程为熟悉系统，调查事故，确定顶上事件，确定目标值，调查原因事件，画故障树，事件分析，确定事故发生概率和比较分析。具体地说是详细了解系统状态及各种参数，收集事故案例，进行事故统计，对所调查的事故进行全面分析，求解事故发生的概率，调查与事故有关的所有原因事件，按故障树结构进行简化，求出顶上事件的发生概率，对于不可维修系统求出顶上事件发生概率即可。故障树定性定量分析。要进行最小割集和最小径集的划分，故障树定性分析，求顶上事件发生的概率和基本事件的重要度，应用容斥原理中概率计算公式，求出其最小割集和最小径集。

通过模糊理论，模糊故障树可靠度分析步骤包括选择顶事件，将故障树中的基本事件划分，进行模糊归一化处理，利用模糊数学的截集定理进行概率区间确定，计算基本事件的模糊重要度，总结相关结论。

总之，系统可靠性评估模型的建立根据系统可靠性原理给出基本事件的置信区间，由硬件系统和软件系统两部分串联组成，运用故障树顶上事件概率计算方法，赋予置信区间，建立尾矿库安全监测预警系统。

三、某某尾矿库安全监测预警系统可靠性评估应用

基本参数概述。建有两座初期坝，均为透水堆石坝，尾矿库等别为初期四等，终期三等。在库内设三座高度不同的周边多孔的钢筋混凝土溢水塔，尾矿坝己堆至208m标高，尾矿库增容改造后，从220m增加到245m，以保证矿山持续发展。暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候，本地区降雨量年变化率较大，四季分明，干湿冷暖变化明显，每年降雨多集中在7—8月份，夏季受大陆低压影响，炎热多雨。尾矿库库区三面环山，东、北、西较高，库区内工程地质较为简单，尾矿库采用塔—管式排洪系统。加高扩容设计情况为主坝尾矿筑坝、预埋水平排渗体、东坝脚压坡加固、西坝坡加贴坡反滤保护层、适时修建外坝面排水沟、适时在坝外坡建水位观测孔及位移观测桩，新建排水系统，开凿库内山梁连通沟，尾矿库增容加高服务年限，划分尾矿库等别。

某某尾矿库安全监测预苦系统的现场布置。坝体位移是灾害演化过程的直观反应指标，后期坝的设计做到使浸润线不从坡面逸出，通常在溢水塔等重要部位设置水位监测设置；系统由坝面位移GPS监测子系统、浸润线监测子系统、库水位监测子系统等组成。

监测实施方案。尾矿坝GPS位移监测系统包括监测单元、数据传输和控制单元、数据处理分析及管理单元，安全计算机控制室设置软件系统预警参数。并进行浸润线监测、库水位监测。通过监测数据分析，实现了多个监测点共用一台接收机，预先通报下游居民进行疏散。