尾矿库安全管理系统设计

吴晓云，袁昊东

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西 商洛 726000）

0 引言

尾矿设施是矿山的重大危险源,尾矿坝溃坝时,尾矿往往立即液化,扩大坝的缺口,沿山谷往下游倾泻,其危害程度比水坝溃坝严重得多［1］。 本文设计了一个尾矿库安全管理系统,利用传感器技术和信号传输技术,实现对尾矿库坝体位移、浸润线、库水位、降雨量等参数的有效监测,建立分析预警模型,提升了尾矿库安全保障水平,有效防范和遏制重特大事故发生［2］。

1 尾矿库监测现状

依照我国当前尾矿库监测情况来看,大多尾矿库监测都是人工观测,其精度和准确度并没有完全依靠数据,更多是观测人员的工作经验而定,这让尾矿库的安全管理不尽科学。 数据会因为天气、气候等因素的影响产生较大变化,仅通过人工观测的方式进行监测,难以发现尾矿库存在的安全隐患,严重情况下容易诱发安全事故的发生。

我国尾矿库的管理还处于起步阶段,引入信息化的水平较低,具体表现为:(1)矿山企业受地理位置限制,导致计算机基础设施以及网络建设基础较为薄弱,难以满足矿山安全管理的日常需要。 (2)尾矿库的信息、数据须完整、准确,才能真正实现监测目的,但实际情况很多时候相关数据并不完整,也未能及时录入信息系统,这导致了尾矿库监测信息的不完整,或存在数据的重复采集。 (3)计算机利用率偏低,网络设施、计算机基础设施的未予构建,会使网络信息传递速度较慢,导致有效资源无法及时、准确共享,数据查询不够准确,或查询更加费时费力,无法更好地满足尾矿库的管理需要。 (4)很多尾矿库的办公自动化水平处于较低程度,部分企业的信息采集、录入依然通过手工方式进行,这都容易导致信息采集、查询、统计等环节处于混乱状态,安全管理手段不够先进,直接影响企业尾矿库安全管理质量和标准制定。

2 尾矿库监测内容

2.1 现场概况

千家坪钒矿亮子沟尾矿库为山谷型尾矿库,设计总库容478.38×104m3(有效库容440×104m3)［3］,总坝高142 m,属三等尾矿库,服务年限约8.5 年。 初期坝为透水堆石坝,坝高52 m(标高690 m),上、下游坡比为1 ∶1.8。 堆积坝采用上游式筑坝,高度90 m(标高780 m),690 m 至710 m 堆积坝平均外坡比为1 ∶4,710 m至750 m 堆积坝平均外坡比为1 ∶5,750 m 至780 m堆积坝平均外坡比为1 ∶6,总平均外坡比为1 ∶5.2。 排水系统采用排水井进水—排洪隧洞泄流方式,防洪标准按照100 年一遇,中后期500 年一遇标准设防［3］。 目前子坝标高720 m,初期坝内安装有两个浸润性观测孔,两个位移观测点,值班室房顶安装有雨量计。

2.2 监测点分布情况

尾矿库初级坝标高为690 m,子坝标高为720 m,监测点分布情况如图1 所示,结合尾矿库设计参数和目前尾矿库使用情况,初级坝上目前设置有2 个浸润线观测孔,用于监测尾矿坝的地下水位；初级坝上紧邻浸润线观测孔布设2 个GPS 变形监测点,用于监测坝体沉降变形；4＃井处布设库水位检测点,用于监测库区水位；雨量计位于尾矿库坝面值班室房顶,用于监测雨量［3］。

图1 监测点分布

3 系统组成

系统构成如图2 所示,主要包含:工程资料管理、监测信息管理、安全监测管理、预警信息管理和信息交流管理、系统用户管理［4］。 工作人员可以从不同角度分析各项监测数,登录角色有用户和管理员,管理员通过用户数据库查询或修改用户信息,用户或管理员通过空间数据库查询尾矿库信息。 系统根据数据采集站点设置的采集周期自动采集和分析数据,可随时对尾矿库的监测点进行实时数据采集,主要有坝体位移、浸润线、降雨量、库水位和渗流量等参数,也可随时查询历史数据及分析曲线,若有紧急预警时,系统会通过网络及时反映给管理员,以便企业做出预案［5-6］。

图2 尾矿库安全管理系统

系统集成界面如图3 所示,可以对尾矿库进行分线综合监测、稳定性评价、数据采集基本信息管理、预警业务、在线监测和历史数据查询［7］。 通过坝体位移、浸润线高度、渗流量来监测边坡的稳定性,通过库水位、干滩长度和降雨量监测有无漫顶。

图3 系统集成界面

3.1 工程资料管理

工程资料主要是基本信息管理,包括尾矿库监测工程概况和尾矿库概况。 尾矿库监测工程概况主要有工程承建单位、建设时间、竣工时间；尾矿库概况主要有尾矿库类型、筑坝方式、监测内容等参数［8］。

3.2 监测信息管理

监测信息管理主要包括对尾矿库的浸润线、库水位、表面位移、干滩长度、降雨量等参数的实时监测和分析并形成报表。 每个监测类型都有若干监测点,可以随时监测监测点的数据并进行数据分析［9］。 也可以查看历史数据,在报表管理中查看日报表、月报表和班报表,日报表如图4 所示。

图4 数据监测日报表

3.3 安全监测管理

依照当前尾矿库安全管理需求来看,信息系统的构建还需具备网络化功能,融入Internet 技术,实现信息的快速传递,能结合具体需求进行信息共享和应用,这就需要借助GPRS Modem 实现组网连接和数据通信。 尾矿库安全管理系统所需要具体监测的内容主要包括以下几个方面。

第一,浸润线监测。 需要选取尾矿库坝上最大断面,以及可能发生事故并可能会对下游造成严重危害的断面作为监测剖面,结合设计资料及坝体下游的孔隙水压力变化,选择合适的监测点。

第二,库水位监测。 使用的仪器为自动监测仪,设置场所为库内排水构筑物,监测系统进行布置前,须结合尾矿库的实际情况制定施工方案,并从中选取最佳方案。

第三,干滩标高监测。 尾矿坝会因为填筑而增高,滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高会随着实际情况的变化而变化,让此指标变成动态指标,需要就监测尾矿坝滩顶标高进行定期监测。

第四,坝体位移监测。 能够有效防止坝体位移可能造成的坝体损害,以及因此而产生的严重事故。 主要使用经纬仪,或者使用GPS 自动监测,依照坝的长短选择适当的监测剖面,就监测剖面进行跟进监测。 一般情况下,所选择的坝体为最大坝高处,且地基地形地质会发生较大变化的坝体,并进行监测剖面的设置。

第五,现场情况监测。 尾矿库的关键部位都是安全监测的重要部位,比如溢水塔、坝体下游坡、滩顶放矿处等,设置相应的视频监测,能够跟进监测尾矿库具体运行情况,结合运行情况进行数据收集及实时掌握。

3.4 预警信息管理

系统采用了红色、橙色和黄色预警等级,如图5 所示,当监测数据达到警戒阈值时,就会启动声光报警和短信报警,管理人员第一时间收到消息,尽快做出响应,从而保障尾矿库安全［10］。

图5 预警信息

3.5 信息交流管理

该模块设计主要是信息的及时发布、沟通和交流。可以将相关人员联系起来,对数据、信息有需求的人员能第一时间获得信息提醒,及时提取和应用新数据、新信息。 如果获取的为预警信息,还能进行特别颜色显示(如图5 所示),管理人员能够第一时间将预警信息通过网络予以发布,让相关责任人及时发现、及早解决。 矿山企业能够借助此系统模块发布公告、通知等其他信息,可以进行信息的更新、修改和删除,能够就所发布的信息进行权限设置,结合信息发布需要让不同人员进行信息的浏览。

3.6 系统用户管理

系统用户管理模块主要是匹配和设置管理系统的用户权限,通过日志管理跟进和监测系统运行,查询系统运行过程中出现的错误,监控系统运行状态,发现系统漏洞或错误及时补丁、更正。

此外,系统用户管理模块设计过程中还需结合不同用户的需要进行数据库系统结构设置,用户可以通过系统确定和建立数据模型,调取相应级别的数据表格,结合工作需要设计数据库表,以满足不同部门的表格设计需要。

4 结语

尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源,存在溃坝危险,一旦失事,容易造成重特大事故,通过安全管理系统的构建实现尾矿库的安全监测,才能真正保证尾矿库的安全管理质量,才能实现尾矿库的更好管理。 按照《尾矿库安全监督治理规定》等相关国家标准与规范的要求,本文利用传感器技术、互联网+技术等实现对尾矿库坝体位移、降雨量、浸润线、渗流量等参数的实时采集与分析,便于企业及时掌握尾矿库的相关参数,根据数据分析和预警能及时做出决策,减少事故的发生,使尾矿库的管理更加现代化。