尾矿库安全监测预警系统设计

张 健

（贵州省安全生产科学研究院，贵州 遵义 563000）

0 引言

对尾矿库制定安全有效的预警控制系统是当前矿山行业面临的重要课题和技术难题。尾矿库中尾矿颗粒较细、坝高不断变化，与传统的土石结构相比具有较大的差异，而且各地区尾矿库在库式、筑坝方式等方面也是千差万别。因此，建立完善的尾矿库安全监测预警系统具有非常重要的现实意义。

1 尾矿库在线安全监测关键技术分析

1.1 位移在线监测技术

位移在线监测技术主要是对尾矿库的坝体进行监测，根据监测点的位置又分为坝体表面监测和坝体内部位移监测。在对坝体表面实施位移监测技术时可以采用GPS、智能全站仪等设备，在对基点高程和位置已经明确的前提下，对表面标点、位移数据进行获取[1]。

1.2 浸润线在线监测技术

在坝体横断面中预埋一定数量的测压管，其中测压管的预埋位置要能够体现出渗流情况以及可能出现渗流异常的位置。然后对测压管中水位进行测量以此来获取浸润线的数据。

1.3 降雨量在线监测技术

降雨量与尾矿库的安全性具有紧密的联系，因此可以利用容栅式雨量计仪器对降水量数据进行测量，并根据所测量的数据对尾矿库的安全性进行科学分析。

1.4 干滩在线监测技术

在尾矿库防洪能力的衡量指标中，滩顶标高与正常水位、最高洪水位下尾矿库的干滩距离是最重要的几项指标。当前，主要是通过对断面测量点进行有效地选取来获取干滩高程、测点间距等数据，并充分结合对水库水位、滩顶等数据,再对干滩到尾矿库的距离进行计算。

1.5 库水位在线监测技术

在对尾矿库的防洪能力进行监测的过程中，由于尾矿库中必定会存在很多的尾矿澄清水和自然雨水，这些水位的高低也会在一定程度上影响尾矿库的防洪能力。因此，在监测过程中要充分利用超声波液位仪、激光液位仪等仪器对水库水位进行实时监测。

2 硬件系统方案设计

2.1 表面水平位移监测设计

对于位移监测控制值的计算方法，则可以考虑在一定置信区间内建立数学模型，并根据最不利可能因变量组合，通过对误差因素进行分析从而来确定极限值，同时以此来作为监控指标。预警不但要对监测项目的累计变化量进行监测，还要对其变化速率进行控制，当监测的数据超过其中之一时，系统发出警报。

2.2 浸润线监测子系统

在尾矿库坝体内部通过钻凿钻孔，将渗压计置入其中，系统通过对渗压计的压力进行测量并将测量数据转化为水头高度，并根据渗压计的安装深度以及孔口高程就能够计算出尾矿库坝体的浸润线高度。渗压计的精度决定了浸润线的测量精度，一般误差不得超过10mm。

浸润线高度=渗压计安装深度+渗压计测量高度

2.3 库水位监测子系统

通过超声波探头对库水位与水面之间的距离进行测量，从而对库区水位的高程值进行计算。

2.4 视频监测子系统

在尾矿库周边10km范围内，根据尾矿库的实际情况，设定重点监控位置，并安装高清摄像头，以光纤作为传输介质，将监控所得的数据回传到安全监测预警系统上。

3 系统软件方案设计

尾矿库安全监测预警系统软件设计包含：数据采集、数据处理、数据库、预警报警、用户管理以及数据查询等模块，如下图。

图 尾矿库软件系统监测预警模型结构Fig. Monitoring and early warning model structure of software system of tailings reservoir

3.1 数据采集模块设计

数据采集系统由GPS、激光测距仪、雷达、雨量计、内部测斜仪、渗压计6类传感器设备组成，通过TCP/ⅠP协议对6类传感器实时传回的各类数据信息进行接收，包含振弦量、开关量、电压量等，并将接收的数据存储到数据处理器的数据库中[2]。

3.2 数据处理系统设计

通过均值滤波、差分等数学算法对数据采集模块所接收的数据进行处理。数据处理能够对6类传感器的运行状态信息进行实时监测和反馈[3]。主要是对实时位移偏移、实时渗流水位、实时库水位、实时视频监控、实时雨量测量、实时浸润线、实时干滩数据等情况进行监控，并将这些数据信息存到数据显示系统中。

3.3 数据库系统设计

数据库由原始数据库和核心数据库2部分组成，主要是承担数据传输和存储的功能，原始数据库主要是存储各个设备直接采集的数据，比如大坝位移数据、降雨量数据、库水位数据等。而核心数据库其实质是监测数据库，主要是对数据库的访问请求进行处理，从而将各项数据传递到系统终端。

3.4 预警报警系统设计

预警报警系统主要是根据数据处理系统对实时数据进行处理后与预警值的对比分析，如果实时数据超过了预警值，系统就会根据预先设定的预警值级别在显示屏幕上以不同的颜色进行显示[4]。同时系统还会根据预警值对相应级别的管理人员下发紧急通知，以此来实现实时监控的功能。

3.5 用户权限管理模块设计

在权限管理中主要分为管理员和访客2种形式。管理员具有最高的访问权限，能够使用系统的所有功能；而访客根据身份信息能够对相应的模块进行访问和使用。当用户登录系统后，系统会自动对用户的操作进行记录，以便今后能够对系统的操作进行追溯。

3.6 数据查询模块

数据查询模块的组成成分较多，有坝体位移、降雨量、库水位、视频等，这是最为主要的几大检测子系统，通过它们提供的实时数据能明确了解历史数据、时程曲线、历史曲线和传感器当前的运行状态等[5]。其中包括日期、变化量、传感器编号以及近10周时间范围内的数据，而历史数据的呈现结合了2种形式，即表单和曲线图，方便查询时选取明确的起止时间。

4 结论与展望

本论文能设计一款尾矿库安全监测预警系统，并阐述了尾矿库在线监测预警系统的软件开发过程。在所设计完成的系统中，各个功能模块能够对库水位、降雨量、干滩以及坝体位移等数据进行高效收集，并且系统能够快速分析出历史数据，精准掌握尾矿库大坝的实际情况。

该尾矿库在线监测预警系统在经过软件、硬件各方面的优化调试后，目前已经交付给本地一尾矿库企业进行试运行，经过3个月时间验证，预警系统运行稳定，数据更加精准、全面，视频画面清晰、使用便捷，能够对大坝可能存在的风险进行及时预警，确保了尾矿库的安全运行。

该系统投入使用后，在很大程度上提升了公司安全管理工作效率，整个系统运行总体比较平稳，但是系统建设依旧存在一定的问题，为了确保整套系统更加完善、安全，需从以下3个方面进行改进：

（1）加强国内核心技术的研发，脱离对外来进口产品的依赖，降低系统成本。

（2）尾矿库在线监测预警系统对于尾矿库整体安全性缺乏统一标准，还应当进一步建立更加完善和规范的系统评价。

（3）在该系统投入使用过程中，缺乏相应的系统人才，矿区内人员基础素质有待提升，整体尾矿库安全监测管理水平落后，应进一步加大人才培养。