极端环境下尾矿库在线监测技术研究

张达，余乐文，杨小聪

（1．北京矿冶研究总院，北京100160；2．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

极端环境下尾矿库在线监测技术研究

张达1，2，余乐文1，2，杨小聪1，2

（1．北京矿冶研究总院，北京100160；2．金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

尾矿库是金属矿山的重要高势能危险源，一旦发生事故，将对矿山乃至下游人民群众的生命财产带来严重威胁。由于尾矿库地处偏远，自然环境恶劣，常处于暴雨、雷电、大风等极端气象条件下，尾矿库在线监测系统的安全性和可靠性受到了严重威胁。为此，针对极端气象条件下的尾矿库安全在线监测需求，重点研发了高可靠性泛在信息采集装置、智能分布式供电技术与装置、混合式自愈Mesh网络通信技术与装备、尾矿库应急指挥手持终端等关键技术和设备，大幅提升了尾矿库安全在线监测系统的工业适应性。

尾矿库；采集基站；分布式供电；Mesh网络

尾矿库是金属矿山的重要高势能危险源，对其进行实时的安全监测是关系到矿山能否安全、高效、健康生产的前提。然而，由于尾矿库地处偏远，自然环境恶劣，常处于暴雨、雷电、大风等极端气象条件下，尾矿库在线监测系统的安全性和可靠性受到了严重威胁［1－2］。另外，越是在极端气象条件下，尾矿库的安全风险越大，对其进行在线监测的必要性和紧迫性也越强，研发一套能够适应极端气象条件的、高可靠性的尾矿库安全在线监测系统的需求十分迫切［3－5］。

针对极端气象条件下金属矿山尾矿库监测实施难度大，容易因气象灾害及其次生灾害导致瘫痪等难题，研发具有自主知识产权的金属矿山尾矿库高可靠性在线监测技术，重点攻克高可靠性泛在信息采集技术与装置、分布式智能供电技术与装置、混合式自愈Mesh网络通信技术与装备、三维展示等核心技术，为我国极端气象条件下的尾矿库安全在线监测提供有效技术手段，进而有效提升我国矿山的安全生产水平。

1 泛在信息采集装置研制

尾矿库在线监测系统主要是实现尾矿库安全运行参数（库水位、位移、浸润线、干滩、渗流量、降雨量等）的实时采集，通过这些具体参数可以反映尾矿库当前的运行状态。但是，在恶劣的环境下，稳定可靠的采集到这些参数就显得非常重要，因此本文开展了高可靠性泛在信息采集装置的研究。

高可靠性泛在信息采集装置主要模块包括电源模块、可充电锂电池、采集主机三部分，辅助装备包括防雷防浪涌模块、高防护封装装备等。其中，采集主机为主要功能模块，包含数据采集模块（含热插拔接口模块）、电池控制模块、通信传输模块（含热插拔接口模块）等子模块，如图1所示。

图1 泛在信息采集装置Fig．1 The ubiquitous information collection device

泛在信息采集装置的通信、供电方式适用范围广，可扩展性强；硬件上选用高可靠性的工业级宽温宽压元器件，电路上有过压过流保护、光耦隔离保护以及高防护等级等设计，可靠性高；装置可连接的传感器种类多，涵盖矿山监测的大部分常规传感器类型，可降低监测系统复杂性和成本。

2 自愈Mesh网络通信技术研究

在尾矿库监控系统中，一旦真正发生险情，传统通信技术搭建的通信线路及设备常常被破坏（如塌方、断电等），造成整个通信网络中断，导致险情数据无法采集，给应急指挥带来不便，因此迫切需要一种可靠的通信技术，能够在部分网络节点出现故障时，仍能够保障其他通信网络的正常运行，给后续抢险救灾指挥调度工作提供参考数据，最大限度地减少灾害损失［6－12］。

为解决尾矿库防灾过程中易出现的通信系统线路中断及通信设备受到破坏等问题，本文基于IEEE 802．11n技术设计了一种具有快速自愈功能的冗余式Mesh网络基站。

Mesh网络基站如图2所示，该基站已实现了在2．4GHz ISM频段内300Mbps和在5．0GHz ISM频段内450Mbps通信速率，并实现了5路千兆以太网及STP冗余环网等主体功能。

图2 智能无线通信基站Fig．2 Intelligent wireless communication base station

当故障发生在通信系统有线侧，能够在20ms之内完成备份通信链路的切换，迅速恢复网络联机，确保各种工业应用网络持续不间断的运作；若有线侧故障为多点并发，依靠传统的主备链路切换不能恢复网络时，自动在100ms内启动无线Mesh网络，通过冗余无线链路实现数据中继，保障可靠通信。

3 分布式智能供电技术与装置

尾矿库在线监测系统所有的监测单元都涉及到系统供电，供电的可靠性决定了系统整体稳定性。本文研制了分布式智能供电技术与装置，可实现供电装置无缝切换和网络化管理，如图3所示。

图3 分布式智能供电装置Fig．3 Distributed intelligent power supply device

当外部供电存在的情况下充电线路既给电池充电又给后级DC－DC模块供电，电池完全处于热备份的状态，能量消耗很小。电池充电线路输出电流检测电阻的前端，及高压端直接连接到DC－DC模块的输入，电流检测电阻的另一端即低电压端连接到电池正端，电池正端通过一个二极管与DC－DC模块的输入连接，电池充电线路、电池及DC－DC模块共地。在外部供电存在的情况下，由于充电线路电流检测电阻前端的输出永远大于电池电压，所以电池充电线路在保持对电池恒流恒压充电的同时提供给后级DC－DC模块输入电压，由于电池与DC－DC模块之间二极管的反向阻止效应，电池不消耗能量，只是处于充电状态。当外部供电消失，随着电池充电线路输出电压的降低，电池输出端的二极管将电池电压引入到DC－DC模块的输入端。电池瞬时给DC－DC模块提供电压，采用超快恢复二极管保证外部供电消失后在输出电压无跌落的情况下电池快速的接入到DC－DC模块的输入，如图4所示。

图4 不间断直流电源电气原理Fig．4 The electrical principle of continuous DC power

智能供电装置设计了故障定位、处理和预警等功能，开发了远程管理平台软件，用于系统各单元配电信息的上位机采集和显示功能，实现不同位置及单元的电源供电信息可以在上位机电源管理平台进行信息显示，方便监控人员对系统配电的管理和故障维护。

4 应急指挥手持终端研制

研制出适用于矿山使用的应急指挥手持终端，该设备携带方便，可以直接扣在人员的腰带上；操作上较为简单，与普通民用手机操作方法相似。在与之配套的网络覆盖下，终端之间，终端与服务器之间可以实现语音通信，同时具有较高的接收灵敏度，保证最大限度地发挥无线网络功能。该终端平均功耗较低，具有较长的待机时间。

应急指挥手持终端支持IEEE802．11a/b/g通信协议，可与无线混合式无线通信基站进行数据、语音通信，一旦发现尾矿库有险情可快速上报，便于尾矿库的可靠调度管理。

5 三维展示技术研究

三维展示模块是根据尾矿库实际情况还原其“真实场景”，并在此基础上进行数据的实时显示、管理、监控以及分析的综合性监控平台。软件平台通过融合多源地理空间数据以及各项监测数据对尾矿库安全运行状态进行监控与分析，从而为尾矿库的安全管理及应急救援提供技术支持和险情决策依据。首先，该软件平台是以尾矿库的三维场景为基础，为此软件平台要具有创建和编辑三维场景的功能，其中三维场景要素包括基本自然要素（三维地形、建筑物、坝体、水面及干滩等）和相关监测内容的监测监控设备，并且具有上述要素的渲染和建模功能；其次，软件数据接口能兼容通用的三维软件的数据格式，并且自有的数据格式可以转换为通用的三维数据格式，方便与通用软件进行数据交换；另外，软件平台具有高效的三维渲染和仿真性能，支持3D立体显示，让用户直观地感受到尾矿库的真实运行状态；然后，尾矿库在线监测设备实时采集信息在该软件平台的三维场景中实时地显示和动态更新，以反映当前尾矿库的运行状态；最后，该软件平台具有强大的数据管理、表达和分析功能，例如监测数据的数据库管理功能、浸润线的表达以及报表等功能。

6 现场应用

研制的尾矿库在线监测技术与装置已在江铜集团银山矿尾矿库安全在线监测系统进行了示范应用，长期应用结果表明，新的尾矿库安全在线监测系统达到了预期效果，为尾矿库的安全运行提供了可靠的技术保障，如图5所示。

图5 尾矿库三维监测平台Fig．5 Three－dimensional monitoring software platform of tailings dam

7 结论

本文针对极端气象条件下金属矿山尾矿库监测系统可靠性和安全性差、容易瘫痪等技术难题，通过研发，在泛在信息采集、无线通信技术与装置、应急指挥终端、分布式供电管理、数据采集与三维展示等方面取得较好效果，主要包括：1）研制出有线无线混合式自愈Mesh网络通信技术及装置，实现了尾矿库光纤环网、固定无线覆盖及移动自组Mesh网络三层复合架构，非常适用于尾矿库库区的全方位无线覆盖及多层次冗余通信服务。

2）研制出分布式智能供电装置，实现了尾矿库安全在线监测系统的分布式智能供电管理。

3）研制出适用于矿山使用的应急指挥手持终端，可在Mesh网络中进行数据、语音通信，实现险情快速上报。

4）研发出尾矿库安全在线监测系统数据采集与三维软件平台，实现了尾矿库安全在线监测信息的采集、存储、传输、展示、报表输出及报警等功能。

综上所述，本文研究成果可以推广应用到各行业监测相关领域中，尤其是矿山的相关监测领域，应用范围广泛。

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［2］袁子清，杨小聪，苏军，等．尾矿库在线监测系统规范化建设研究［J］．现代矿业，2014（5）：127－128．

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［4］张达，张晓朴，杨小聪．尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用［J］．矿冶，2011，20（2）：20－25．

［5］苏军，张达．极端天气条件的尾矿库安全在线监测系统防护技术研究［J］．中国矿业，2014，23（增刊）：190－194．

［6］ZHANG Da，WANG Ligang，YANG Xiaocong．Research on Tailings Pond Online Safety Monitoring System Based on Zigbee Sensor Network［J］．Applied Mechanics and Materials，2014：602－605．

［7］张达，金枫，吕潇，等．一种矿用高性能Wi－Fi基站的设计与实现［J］．有色金属（矿山部分），2014，66（4）：1－4．

［8］王利岗，张达，杨小聪，等．某尾矿库基于Zigbee传感网络的在线监测系统［J］．有色金属工程，2014，4（3）：74－77．

［9］何学文，盛颖飞，曹清梅．基于无线ZigBee的钨矿尾矿库安全监测系统［J］．金属矿山，2014（1）：119－124．

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［11］杨阳，章平，欧阳伟．极端气象下尾矿库监测通信系统的设计［J］．矿业研究与开发，2013，33（5）：99－103．

［12］苏军，王治宇，袁子清，等．光纤光栅（FBG）传感器在尾矿库在线监测中的应用［J］．中国安全生产科学技术，2014，10（7）：65－70．

Study on online monitoring technologies of tailings dam in extreme environments

ZHANG Da1，2，YU Lewen1，2，YANG Xiaocong1，2
（1．Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2．Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

Tailings dam is a kind of high potential energy hazard in nonferrous mine，which may cause serious loss of treasure even life of downstream area once disaster occurs．However，due to the harsh environment，especially rainstorm，lightening stroke，gale，etc．，the reliability and safety of on－line monitoring system is always under threatened．In order to solve the problems of the tailings dam safety monitoring system in harsh environment，aiming at the bottleneck of these systems，we focus on the encapsulation and protection of data acquisition station，intelligent distributed power supplier，mesh access point，multi－source information fusion，portable dispatching pad，which enhanced the industry applicability of tailings dam safety monitoring system．

tailings dam；data acquisition station；distributed power supply system；mesh network

TD76

Α

1671－4172（2015）04－0001－03

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．001

国家高技术研究发展计划（2011AA060405）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAB01B04）

张达（1980－），男，高级工程师，博士，检测技术与自动化装置专业，主要从事矿山安全监测技术研究与应用。