尾矿库监测简介

马粪沟尾矿库自动化在线监测和预警系统

中全生产科学研究院

1概述

尾矿库自动化安全监测预警系统，采用国家“十一五”科技支撑项目“尾矿库风险分级及监测、预警关键技术研究”的核心成果，为尾矿库的日常管理提供基础方案和技术支撑。系统实施完全遵循中华人民共和全生产行业标准AQ2030-2010《尾矿库安全监测技术规范》（2011-05-01实施）和AQ2006-2005《尾矿库安全技术规程》的要求。通过本项目的实施可以达到如下目的：

（1）为矿山提供尾矿库生产运行状况的真实数据，对尾矿库安全隐患提出预警，以便矿山有针对性地加强尾矿库安全隐患治理，改善尾矿库安全运行条件，实现尾矿库长期安全运行。

（2）预测预报尾矿库溃坝灾害事故，为用户组织抢险，疏散尾矿库下游人群赢得时间，减少事故伤亡和财产损失。

（3）自动化监测系统操作简单，数据及时有效，避免了传统监测手段的复杂操作、人为性及档案管理繁锁。

（4）系统具有：采集、显示、存储、数据通信、管理、系统自检和报警功能。

（5）系统具有远程控制功能，可通过串口利用GSM/GPRS网络或局域网络对监控计算机进行远程监测，实现数据采集软件上的所有功能，并可对数据采集软件中的历史数据进行提取。

（6）系统可监视运行期间坝体的状况变化和运行情况。在发现不正常现象时及时分析原因，采取措施，防止发生事故，以保证生产的安全运行。

（7）系统可随时对观测资料进行分析，开展对坝体运行状况进行技术鉴定，总结运行经验，为改善运行方式和制定安全措施、评价生产状况提供数据。

（8）系统可定期进行观测资料的整编、为以后的设计、施工、管理提供资料。

（9）系统能综合历史数据和实时采集的渗流、水位、雨量、形变等数据，进行相关过程线分析。

（10）系统能根据实时采集的数据计算库区的调洪高差，并做出预警；能根据降雨量、库区水位等数据，对库区水位状态给出预警；能根据实时采集数据自动绘出坝体浸润线并给出相关数据；能对坝体沉降和水平位移状态进行分析，并根据分析结果对形变的发展做出预测。

1.1系统功能

尾矿库的安全状况取决于若干基本指标。坝体位移是灾害演化过程的直观反应指标，因此对于坝体下游坡变形的掌握，可以及时发现尾矿坝变形、沉降和发展速度，有利于安全监管部门和企业进行科学的应急决策，并及时采取应急对策措施，从而避免灾害的发生或者减少灾害发生造成的危害。

浸润线的位置对抗滑稳定和渗透稳定极其重要。对于后期坝的设计都力求做到使浸润线不从坡面逸出，一旦浸润线从后期坝坡逸出，极易造成渗透失稳，将导致整体垮坝。因此，如发现有渗水逸出坡面，应立即采用贴坡反滤或其它排渗措施以防坡面管涌发生，绝不允许采取任何堵水措施。此外，为进一步提高渗透稳定性，规定在设计洪水位时，水边线离坝顶的距离必须满足最小安全干滩长度的要求。因此，自动监测尾矿坝浸润线指标对于把握坝体稳定状况具有重要意义。

为了掌握降雨量大小，进而开展该降雨量下的调洪演算，对于防止坝体发生洪水漫顶破坏也具有重要意义。

尾矿库自动化安全监测预警系统项目最终选择坝体位移和沉降、浸润线、库水位、干滩、降雨量等指标作为尾矿库监测、预警系统的监测指标和监控范围。

2传感器子系统

2.1坝体内部位移监测子系统

2.1.2坝体内部位移监测方案

尾矿库形变位移监测以内部水平位移最为关键，本项目采用固定式测斜仪对坝体内部水平位移进行监测。配合坝体表层位移监测，坝体位移监测全部采用固定式测斜仪完成。测斜仪组件如下图所示：

图2-1 测斜仪组件（单位：mm）

测斜仪内置倾角传感器，通过纵向竖直埋设于观测管内，在坝体内部位移发生时感应被测体的内部形变，并转换为角度变化。结合固定式测斜仪的安装位置和角度变化信息，可以得到坝体内部水平位移量。

2.1.2坝体内部位移监测点布置

监测点的数量根据尾矿库的具体情况，在坝体稳定分析和定量风险评价的基础上进行确定。位移观测点根据实际工程特点确定，根据观测孔布点编号平面图，在规划的三个断面布置位移观测孔9个，共计27个监测点。观测孔采用与浸润线监测孔共用的解决方案，在一个监测孔沿纵向三个高度排列三个测斜仪

图2-2 监测点布置图

2.1.3系统通信结构

坝体内部位移解决方案为全自动在线监测，传感器组件的信号经由数据采集模块（如下图）转换为标准485总线通信信号，经由485铠装直埋电缆传输至现场值班房数据站。数据信息经由总线以太网服务器模块转为以太号，再通过无线点对点模块接入系统子网络，在线监测服务器通过系统子网络获取坝体内部位移信息。

图2-3 内部位移数据采集模块

在通信距离较远时，485总线通信系统一般设计为菊花型直链联接，或者短分支的单总线联接，一般避免星型联接，以防止信号反射干扰，影响通信性能。而本项目因传感器分布较为分散，而且距离较远，因此采用了485专用光隔离中继集线器模块。光隔集线器模块能够有效实现星型485联接方案，而且不会带来负面影响，进一步来说，光隔结构更有利于将传感器网络分区分块隔离，避免特殊情况下的全系统瘫痪。

2.3.4内部位移基础施工

浸润线监测的基础施工包括观测孔打孔、下管和保护墩建设。与坝体内部位移设施的施工相同。

2.2 沉降位移监测系统

2.2.1沉降位移监测方案

坝体沉降采用静力水准仪进行测量，静力水准仪依据连通器原理，通过测量每个测点容器内液面的相对变化来监测结构的竖向变形。静力水准系统中，所有传感器的垂直位移均是相对于其中一点的。当已知测点中任意一点的绝对位移时，即可计算出所有测点的绝对位移。可以通过软件对沉降速率、加速度综合评估进行险情分析。

图2-4 静力水准仪

2.2.2沉降位移监测是点布置

坝坝体沉降监测在520、510、505水平设置3个监测断面，每个断面3个监测点位，监测点安装静力水准仪，且每个监测水平设置一个基准点。共计安装静力水准仪12个。（见图2-2）

2.2.3系统通信结构

沉降位移解决方案为全自动在线监测，传感器组件的信号为标准485信号，经由485铠装直埋电缆传输至现场值班房数据站。数据信息经由总线以太网服务器模块转为以太号，再通过无线点对点模块接入系统子网络，在线监测服务器通过系统子网络获取坝体沉降位移信息。

2.2.4内部位移基础施工

沉降位移监测的基础施工包括基础墩建设线缆埋设。

2.3浸润线监测子系统

2.3.1浸润线监测方案

浸润线监测采用振弦式孔隙水压力计。振弦式孔隙水压力计是一种测量地基孔隙水压力的传感器，适用于地基内不同地质层面的孔隙水压力测量，可进行长期监测和自动化测量。渗压计根据实际设计，安装到浸润线以下，渗压传感器测量到的信号通过485总线线缆沿着固定管传输，几个渗压传感器通过线缆串接起来，与营房数据站联接。浸润线监测示意图如图所示。

图2-5渗压计安装示意图

图2-6 渗压计

渗压传感器数据配合监控软件可实现浸润线数据的绘图、报表、报警、打印等操作，观测周期可设置为数小时至数天。

2.3.2浸润线监测点布置

浸润线监测孔参照坝体人工观测孔安排，在五个监测断面共设置27个监测孔。没个监测孔布置一个传感器，共计27个传感器。

图2-7监测孔布置图

2.3.3系统通信结构

浸润线解决方案为全自动在线监测，传感器组件的信号经由数据盒（如下图）转换为标准485总线通信信号，经由485铠装直埋电缆传输至现场值班房数据站。数据信息经由总线以太网服务器模块转为以太号，再通过无线点对点模块接入系统子网络，在线监测服务器通过系统子网络获取坝体浸润线信息。

图2-8 浸润线传感器数据采集盒

2.3.4内部位移基础施工

浸润线监测的基础施工包括观测孔打孔、下管和保护墩建设。与坝体内部位移设施的施工相同。

2.4库水位监测子系统

将水位计传感器安装到溢洪塔上，并将数据采集盒块固定在溢洪塔上，数据信息经由总线以太网服务器模块转为以太号，再通过无线点对点模块接入系统子网络，在线监测服务器通过系统子网络获取水位测量信号。

2.5干滩监测子系统

2.5.1干滩监测方案

利用库水位监测结果和坝体滩顶标高，结合数学计算方法，在软件中实现干滩长度的测量和计算，得到干滩长度数值。项目采用坝内沉积滩高程监测的方式实现干滩长度和安全超高的监测。监测点高程测量采用自动激光测距仪。

2.5.2干滩监测点布置

干滩监测点设置根据坝内沉积滩的实际情况确定，选择能代表最小干滩长度的位置布置监测点，沿坝体纵向剖面布置一组（2个）干滩监测点，第一点布置在靠近子坝内坡坡脚附件，第二点布置在最小干滩长度点位置附件。本项目选择一条有代表性纵向剖面线，共设置1组（共2个）监测点。

2-9干滩监测点布置示意图

2.5.3干滩监测通信结构

干滩监测的激光测距仪数据信息经由总线以太网服务器模块转为以太号，再通过无线点对点模块接入系统子网络，在线监测服务器通过系统子网络获干滩测量信号。

2.6雨量监测子系统

雨量监测采用全自动雨量站系统，将雨量站设置于尾矿坝值班房外。全自动雨量站系统通过485总线和以太网服务器模块接入系统子网络，在经由无线点对点设备与调度室在线监测服务器相连。从在线监测服务器可直接获取雨量站的雨量信息。

2.7库区视频监控子系统

根据尾矿坝项目现场情况，视频监控采用视频监控一体机，布设在坝面、滩面部位，根据甲方要求，对溢水井、干滩区域、排沙口、库区水位、坝体全貌、排水口、等部位进行视频监测。（如下图）

图2-10视频监控

3在线监测预警系统

在线监测预警系统包括值班房房数据站、矿调度室在线监测数据处理站和系统无线子网络。

值班房数据站集中包括坝体内部位移、坝体沉降位移、浸润线和雨量等传感器子系统数据，将传感器总线信号转换为以太号，经由无线点对点设备转至系统子网络。

系统无线子网络以坝体南侧山顶的无线中继站为中心，以值班房地数据站到调度室线路为主通路，包括值班房数据站、库区视频监控点、库水位监测点、无线中继站、矿调度室数据处理站等几个节点，具体布局结构见图（3-1）。

通过系统无线子网络，所有传感器数据可在子网络内自由传递，与访问站的具体位置无关。进一步，通过设置上层网关，可以将系统子网络接入厂部局域网，实现所有现场数据的互联互通。

在线监测预警系统的具体使用，参见软件说明书。

图3-1  系统无线子网络布局结构