基于GNSS形变监测技术的尾矿库安全在线监测系统在司家营北区尾矿库的应用

马东升

（河钢集团矿业公司司家营北区分公司，唐山 滦县 063700）

安全生产事关广大人民群众的根本利益，事关改革发展和稳定的大局。当前，我国尾矿库安全运行的主要技术参数有坝体内外部形变位移、浸润线、干滩长度、库水位等，传统的监测方式安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。同时，人工监测还存在不能及时监测尾矿库的各项技术参数，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，这些都将影响尾矿库的安全生产和安全管理水平。

系统的实施，便于企业和安全监管部门快速掌握与尾矿库安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握尾矿库的运行状况和安全现状，可以提高尾矿库的安全性，保障库区下游企业及人民群众的生命财产安全，避免因尾矿库事故而造成的环境污染，保护生态环境。

1 总体思路

本系统是由库区监测终端、网络通讯子系统、监测数据处理服务中心、预警发布系统四部分组成。系统的实施目标是发现及预报尾矿库当前存在的问题及不足，便于企业和安全监管部门快速掌握与尾矿库安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握尾矿库的运行状况和安全现状，发现问题预先处理，提高尾矿库的安全性。

2 技术方案

本系统是在我公司几个尾矿库建立一套以GNSS为核心技术的尾矿库在线安全监测系统，包括利用GNSS监测终端及各种在线传感器对尾矿库的实时安全监测、尾矿库控制室与厂区总调度室之间的通信子系统、控制中心计算机系统、web报表查询系统和声光与短信报警系统。使企业能够逐级对尾矿库进行在线监测，从宏观上实时控制、监督、指挥调度，微观上实时监控尾矿库的安全运行，以技术和管理双方面为抓手，确实消除尾矿库的安全隐患。主要监测项目：坝体外部形变位移监测、坝体内部形变位移监测、浸润线监测、库水位监测、干滩长度监测、降雨量监测、视频监控。

2.1 尾矿库坝体形变位移监测

表面位移测主要是监测尾矿坝整体及局部位置的水平及垂直位移变化量，即观测点在某一时刻的水平及垂直方向的位移。本系统采用三星多频GNSS监测。每个监测点与基准点的GNSS接收机实时接收卫星信号，并通过数据通讯网络实时传送到控制室，控制室服务器内的在线监测软件实时差分解算出各监测点三维坐标，再由数据分析软件对获取的坐标进行分析，再与原始标定坐标进行比对得出位移量。

2.2 内部位移监测

内部位移监测通过测斜仪来进行监测，用测斜仪的变化量来测定坝体内部的位移量。

2.3 浸润线监测

浸润线作为尾矿坝安全的生命线，其数据超标直接影响尾矿库的安全，故而对浸润线的监测是尾矿库在线监测的重中之重。浸润线采用渗压计来进行监测，当测孔内的水压作用在渗压计上，将引起传感器的形变，其形变带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变其振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号传输至控制室，即可测出孔内水压的压力值，进而计算得出浸润线的高度。

2.4 库水位监测

对于库水位的监测能够实时准确的反映出库区水位状况，保证安全监管部门和企业在汛期来临之前，直观地了解和掌握尾矿库内库水位情况。在库内排水构筑物附近安装超声波液位计，可实时测量出液位计距库水面的高差，高差值加上液位计安装高度即为库水位高程。

2.5 干滩长度、滩顶标高及特征点监测

干滩长度、滩顶标高、特征点的测量是由尾矿坝自身的运行特点决定的，尾矿库随着尾矿的排放坝体需要一直加高，干滩长度、滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高是动态变化的指标。利用库水位监测结果和坝体滩顶标高，结合数学计算方法，在软件中实现干滩上3个点干滩长度的测量和计算，并选择最短的一个做为干滩长度数值。检测采用可移动特征点进行测量，系统的精度为：1mm＋1ppm*D（其中D表示位移观测中心与监测点间的距离，m）

2.6 雨量监测

在汛期，对雨量的监测也十分重要，它是尾矿库在有限的库容范围内防洪能力调节的原始指标。如果雨量过大、过急，而调洪能力有限，则就要采取相应措施。使用PH-YL雨量计可以实时观测雨量数据。

2.7 视频巡视监测

为了真实地观测尾矿库大坝、库区现状、库区周边情况等，安装了线视频摄像系统，对尾矿库进行视频观测。目前网络视频摄像技术非常成熟，选择了360旋转、长距离变焦的高速云台摄像系统。

2.8 系统功能模块

系统主要包含：数据采集模块、数据解算模块、数据处理模块、数据存储模块、数据查询模块、数据分析模块。

（1）数据采集模块。软件系统通过网络将现场GNSS接收机、渗压计、测斜仪、雨量计、物位计等现场监测设备接入系统，系统通过各类设备的数据接口对现场设备进行数据采集。

（2）数据解算模块。监测系统采用GNSS解算软件，该软件支持GPSGLONASSBDSA联合解算。系统对采集的各类原始数据进行处理，最终解算出基准站和监测站的原始坐标。监测系统基于变形监测中所有基准站和监测站的原始数据，调用系统的解算软件接口，生成高精度单历元变形信息，并将变形信息实时存入数据库，供其他系统进行调用。

（3）数据处理模块。监测系统需要将多系统采集的传感器数据以及解算的GNSS接收机数据进行计算处理。处理后的数据推送至数据分析系统进行分析运算，同时推送至实时数据页面进行数据展示，另外处理后的数据进入数据存储模块进行存储与应用。

（4）数据存储模块。为了应对实际应用中的各种需求对于各类监测设备所得到的原始数据、解算结果数据均需要进行保存。数据库采用的是SQL2008。

（5）数据查询模块。系统具有统计查询功能，可对基准站、监测站、传感器采集的实时数据、历史数据、报警信息等进行多种方式的查询和统计，可查询实时数据、某时间段数据和累积数据。

（6）数据分析模块。数据分析模块主要是对监测解算数据以图形化的方式统计分析，数据在存储到数据库的同时，也将解算结果传输给数据分析软件，以实现实时的数据分析，也能调用数据库中历史数据实现历史统计分析。

（7）预警报告功能。系统提供了多种现在采用的多种预警分析方法，有设置阀值报警等，从不同的角度来预测尾矿坝的安全性。

2.9 通讯

三个尾矿库安全在线监测系统数据通过VPN和公司建立连接，厂区人员可通过办公电脑实时查看、监测尾矿库各项内容，保证数据的实时性，准确性。

3 总结

该系统于2018年6月起在司家营北区矿山分公司投入运行，运行后利于安全监管部门以及企业能够实时、准确的掌握尾矿库的运行状况和安全现状，增加了尾矿库的安全性。

尾矿库各项参数的实时监测及预警是尾矿库安全生产管理过程中头等重要的工作，尾矿库安全在线监测系统实施后，主要表现在以下几方面。采用数字化、信息化的手段检测和监视日常尾矿库状况，实现了对尾矿库的在线监测。通过对尾矿库技术参数的在线监测，保证了尾矿库长期运行的稳定、安全。通过在线监测数据进行实际工作性态的反分析，可检验尾矿库的远行状态。通过对尾矿库各项数据、指标的监测，保障库区下游企业及人民群众的生命财产安全，避免因尾矿库事故而造成的环境污染，保护库区周围的生态环境。该系统的逐步实施和推广，可以较大提高尾矿库各项数据监测的实时性及准确性，全面提升尾矿库安全、生产管理水平，增强政府、社会、企业对于尾矿库灾害的预警响应能力，制定科学有效的方法来预防尾矿库风险，有效保障人民的生命财产安全和生态环境安全。