尾矿库在线自动监测系统解决预案

29/29尾矿库在线自动监测系统解决方案TOC\o"1-3"\h\u一.需求分析： 2二、方案设计 5（一）监测指标选择 5（二）监测系统设计 71．浸润线监测 72．库水位监测 74．坝体位移监测 85、视频监测 8（三）某尾矿库安全监测系统设计方案 8三、运营/治理 10（一）设备安装 10（二）运营治理 11四、产品映射 14五、标准支持 15六、标准化程度 17七、效果分析 17一.需求分析：安全生产事关宽敞人民群众的全然利益，事关改革进展和稳定的大局。我国在确立了“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产差不多方针和“安全进展”的指导原则后，从安全法制、安全责任、安全投入、安全科技和安全文化等方面入手，强化安全监管工作。但受我国现时期生产力进展水平较低、企业安全生产基础薄弱、从业人员安全意识不强、安全法制不健全等因素的阻碍，我国安全生产形势依旧严峻，工矿商贸领域安全生产重特大事故时有发生，特不是近年来尾矿库事故多发，已引起了国家的高度重视。金属与非金属矿山是工业生产的高危行业，其事故发生起数和死亡人数在全国工业安全生产领域占较大的比重。尾矿库是金属与非金属矿山安全生产的重要环节，也是该领域的重大危险源之一，作为具有高势能的人造泥石流危险源，其一旦发生事故，将会给下游人民生命财产安全造成巨大损失，给当地环境造成严峻污染，给当地的经济进展和社会稳定也带来严峻的负面阻碍。通过50多年进展，我国已成为世界矿业大国，目前全国有金属非金属矿山92071座，其中金属矿山8239座，非金属矿山83832座，冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业的矿山都有尾矿设施。经初步统计，全国有尾矿库7610座，总库容约5×109m3,堆存尾矿约5.5×109t。其中正常运行的约有4800座，占63％，危库、险库和危险性较大的病库约有2810座，占37％。我国作为进展中国家，经济比较落后，从安全上看，尾矿库还存在以下不利因素：一是筑坝尾矿粒度细。由于筑坝的尾矿粒度细，细尾矿的力学强度低、透水性差、不易固结，造成坝体稳定性较差；二是上游法筑坝多。我国目前85％的尾矿库采纳上游法筑坝，较下游法和中线法筑坝的坝体稳定性差；三是尾矿库安全设计标准较低。我国作为进展中国家，尾矿库防洪、抗震及坝体稳定等建设标准与发达国家相比相对偏低；四是小型库多。我国矿山规模小，四等库及四等库以下的小型尾矿库占90％以上；五是受地震威胁大。我国是多地震国家，尾矿库防震抗震是重要问题；六是失事后果严峻。我国人口众多，尾矿库难以避开居民区和重要工业、交通设施，一旦失事，损失巨大。美国克拉克大学公害评定小组的研究表明，尾矿库事故的危害，在世界93种事故、公害的隐患中，名列第18位。它仅次于核武器爆炸、DDT、神经毒气、核辐射以及其它13种灾难，而比航空失事、火灾等其它60种灾难严峻，直接造成百人以上死亡的尾矿库事故已不鲜见。如1972年2月26日，美国布法罗尼河矿尾矿坝溃坝，造成125人死亡，4000人无家可归；1985年7月中旬，意大利东北部的普瑞皮尔尾矿库溃坝，造成250人死亡。我国尾矿库历史上曾发生过多起重特大事故，给人民生命财产安全造成了重大损失。如：1962年9月25日，云锡公司火古都尾矿库溃坝，造成171人死亡、92人受伤，受灾人口13970人；1994年7月13日，湖北大冶有色金属公司龙角山尾矿库溃坝，造成30死亡；2000年10月18日，广西南丹宏图选厂尾矿库垮塌，造成28人死亡、56人受伤。近年来，尾矿库垮坝造成人员伤亡和有毒污染物下泄的事故屡有发生，给人民群众生命财产安全造成重大损失，对环境安全构成重要威胁。据初步统计，自2005年以来，全国发生尾矿库溃坝等重特大事故17起、死亡41人，重伤1人，轻伤28人，给人民群众生命财产和环境安全带来严峻损失。其中：2006年4月30日陕西镇安尾矿库溃坝，造成17人死亡、5人受伤。尾矿库的安全监测关于加强尾矿库的安全监管，把握尾矿库的安全现状，减少尾矿库的事故发生等具有重要意义。当前，我国尾矿库安全运行的要紧技术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期用传统仪器到现场进行测量，安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的阻碍，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，这些都将阻碍尾矿库的安全生产和安全治理水平。我国安全生产市场急需尾矿库溃坝灾难的实时、连续监测的技术和产品。尾矿库自动化安全监测系统的实施，便于企业和安全监管部门快速掌握与尾矿库安全紧密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，能够提高尾矿库的安全性，保障库区下游企业正常运转及库区人民群众的生命财产安全，幸免因尾矿库事故而造成的环境污染，爱护生态环境。水利工程和高边坡工程的监测技术进展较快。从20世纪50年代开始，在我国大坝、高边坡变形监测领域开始研究和使用人工变形监测系统，其中应用经纬仪、水准仪等监测仪器监测坝体变形的监测方法有视准线法、引张线法、前方交会法、坝面水准测量法以及连通管法等。20世纪70年代末，以传感器为基础的大坝自动化变形监测系统开始应用于葛洲坝水利枢纽、新丰江水利工程等坝体位移的监测中。20世纪90年代开始了大坝及高边坡的GPS自动化变形监测系统的研究，GPS技术差不多应用于三峡工程、黄河小浪底水利枢纽工程、浙江天荒坪抽水蓄能电站、湖北清江隔河岩水利工程、龙羊峡水库近岸等大坝或高边坡的变形监测。目前，多传感器数据融合的大坝变形自动监测技术、监测系统的自动化、网络化和信息化技术是大坝和高边坡工程监测领域的研究进展趋势。当前尾矿库较为落后的安全监测技术和监测手段，不能满足包括企业自身在内的全社会关于提高尾矿库治理水平和安全状况的迫切需要。目前，我国尾矿库的监测技术还处于起步时期。尾矿库的管涌流土、地震液化等坝体内部致灾因素引起坝坡失稳的预警技术差不多属于空白，其监测、预警技术的研究成果较少。特不指出的是，我国尾矿库数量多、分布广，因此尾矿库自动化安全监测系统的设施实施是面向我国尾矿库安全的重大需求，具有良好的应用前景。二、方案设计（一）监测指标选择尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，水位相对比较稳定；同时，从尾矿坝坝顶排放尾矿时，矿浆向库内流淌的过程中，矿浆水不断向下渗透；此外，汛期大量降雨。这些因素在尾矿坝体内形成一个庞大渗流场。再者，尾矿沉积体属非均值体，排矿部位又需要经常调换；坝体又在不断增高；况且在尾矿库整个服务期间内，矿源及选矿流程有可能改变，尾矿性能自然也会变化。这确实是尾矿坝渗流场异常复杂的缘故。浸润线即渗流流网的自由水面线，是尾矿坝安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，因此，关于浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一。如图1所示，图中孔隙水压力为0的线即为尾矿坝的浸润线。图1某尾矿坝孔隙水压力分布图（单位:kPa）尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，库水位监测的目的是依照其水位的高低可推断该库防洪能力是否满足安全要求。具体地讲：一个完善的设计在设计文本中会给出防洪所需的调洪水深，并要求在设计洪水位（即最高洪水位）时，要同时满足设计规定的最小安全超高和最小安全干滩长度的要求。因此，关于库水位位置的把握能够直接防止尾矿库在汛期幸免洪水漫顶溃坝事故的发生，有利于安全监管部门和企业在汛期来临之前，直观地了解和掌握库水位是否达到了设计要求的汛前限制水位。由此可见，库水位的连续动态监测也是尾矿库安全监测的重要内容之一。图2给出了安全滩长监测法的示意图。图2安全滩长检测法如图2所示，设现状库水位为Hs，先在沉积滩上用皮尺量出[Lg]，并插上标杆a，用仪器测出a点地面标高Ha，当Ht=Ha–Hs≥[Ht]时，即认为安全滩长满足设计要求。否则，不满足。同理，也有安全超高检测法。尾矿库发生溃坝灾难，坝体位移是灾难演化过程的直观反应指标，因此关于坝体下游坡变形的掌握，能够及时发觉尾矿坝变形率和进展速度，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，从而幸免灾难的发生或者减少灾难发生造成的危害。图3给出了尾矿库尾矿坝的典型变形矢量图，从图中可知坝体下游坡发生向下和偏向下游的变形。图3尾矿坝典型变形矢量图在定量评价尾矿库的防洪能力时，需要测定滩顶标高和设计最高洪水位下同意达到的干滩标高，当前的检测方法较难准确并快速测定这两个指标，问题在于水边线的界线专门不明显，该处又无法进人，通常只能目测。据此推算出来的总干滩长度和调洪干滩长度自然也是极不可信的。因此，在尾矿库安全自动化监测系统中，应增加快速并简捷的标高测定方法。因此，滩顶标高和设计最高洪水位下同意达到的干滩标高，是尾矿库安全监测需要测定的指标。此外，在尾矿库安全监测系统中，为了实时掌握尾矿库库区的情况和运行状况，通常在溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设置，以满足准确清晰把握尾矿库运行状况的需要。综上所述，金属非金属矿山尾矿库安全监测系统监测指标包括：浸润线；库水位；滩面标高；坝体位移；视频图像。（二）监测系统设计1．浸润线监测一般选择尾矿库坝上最大断面或者一旦发生事故将对下游造成重大危害的断面为监测剖面。大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面。每个监测剖面应至少设置5个监测点，并应依照设计资料中坝体下游坡处的孔隙水压力变化梯度灵活选择监测点。尾矿坝坝坡浸润线监测仪器分两类。一类埋设测压管，人工现场实测；另一类是埋设特制传感器，进行半自动或自动观测。浸润线监测仪器埋设位置的选择，应依照《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。在作坝体抗滑稳定分析时，设计规范规定浸润线须按正常运行和洪水运行两种工况分不给出。设计时所给出的浸润线位置应是监测仪器埋设深度的最重要的依据。2．库水位监测一般在库内排水构筑物上设置自动监测仪，将所测信号传给室内接收机处理得到库水位。既准确，又适时。需要指出的是，库内排水构筑物一般位于尾矿库内，排水构筑物周边为尾矿澄清水，因此需要在监测系统布置前，针对特定尾矿库的实际情况，灵活选择施工方案。3．干滩标高监测干滩标高的测量不同于其它点标高的测量，这是由尾矿坝自身的运行特点决定的，随着尾矿坝的不断填筑加高，滩顶标高和设计最高洪水位下同意达到的干滩标高是两个动态变化的指标，因此，不能在某一位置架设牢固的不能移动的标高监测设备。采纳移动GPS，定期监测尾矿坝滩顶标高和设计最高洪水位下同意达到的干滩标高。该方法灵活简便、具有较高精度、利于位置变化。4．坝体位移监测正是由于过去对尾矿坝坝体位移监测认识不足，尾矿坝位移监测手段不多。坝体变形计算至今尚未纳入设计规范。关于较大的尾矿坝，设计仅在坝体表面设置位移观测桩。具体监测手段要紧有人工用经纬仪监测和GPS自动监测两种。依照坝的长短至少选择2～3个监测剖面。一般在最大坝高处、地基地形地质变化较大处均应布置监测剖面。每个剖面上依照坝的高矮，在坝坡表面从上到下均匀设置4～6个监测点。最下面一个点应设置在坝脚外5～10m范围内的地面上，以用于监测尾矿坝发生整体滑动的可能性。5、视频监测在尾矿库安全监测系统中，为了实时掌握尾矿库库区的情况和运行状况，通常在溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设置，以满足准确清晰把握尾矿库运行状况的需要。（三）某尾矿库安全监测系统设计方案某尾矿库初期坝坝顶标高为163.5m（东坝坝高为20m，西坝坝高为24.2m）。后期坝坝顶标高为220m。后期坝采纳上游式尾矿筑坝。最终总库容为1350万m3。2008年1月子坝坝顶标高为201m，沉积滩顶标高约为198m。目前总坝高为58.7m，总库容不到1000万m3，暂属四等尾矿库。当沉积滩顶标高达到199.3m时，就升为三等尾矿库。该尾矿库安全监测系统监测设计方案为：1、库水位监测1）监测部位：尾矿库溢水塔上。2）监测仪器：电子水位传感器（无线传输）。3）仪器数量：1个。2、滩顶和滩面标高监测1）监测部位：在东坝和西坝的沉积滩面上各选三条垂直于子坝的直线，直线间距为100m。在每条线的滩顶和距滩顶70m处各设一个滩面标高两个点均为监测点。2）监测仪器：小旗和移动GPS，定期检查小旗标高，并输入软件。3）仪器数量：移动GPS一台，小旗12杆。3、浸润线监测1）监测部位：选择了（位于钻孔ZK13以东3～5m处）、Q2（位于钻孔ZK01以东3～5m处）、Q3（位于钻孔ZK23以东3～5m处）、Q4（位于钻孔ZK31以东3～5m处）。在Q1、Q3剖面的第一、三、五期子坝顶各布设两个浸润线观测点（两点间距0.5m），每个点埋设1个传感器。第一期子坝顶两个传感器的埋深分不为6m和10m（自孔口地面算起）；第三期子坝顶两个传感器的埋深分不为8m和13m；第五期子坝顶两个传感器的埋深分不为8m和15m。在Q2、Q4剖面的第三、五期子坝顶各布设1个浸润线观测点，每个点埋设1个传感器。第三期子坝顶两个传感器的埋深分不为13m；第五期子坝顶两个传感器的埋深分不为15m。2）监测仪器：振弦式孔压传感器、光纤渗压传感器。3）仪器数量：振弦式孔压传感器（10个），光纤渗压传感器（6个）。4、位移GPS监测1）监测部位：在东坝最大坝高剖面G1和西坝最大坝高剖面G2的坝坡上各布设4个监测点。4个监测点的位置分不设在坝脚、第一、三、五期子坝顶上。2）监测仪器：GPS3）仪器数量：一个基站、八个测点。5、坝内位移监测1）监测部位：ZK53、ZK15、ZK24、ZK32以东3～5m，每个断面3个位移监测点。2）监测仪器：测斜仪＋测斜管。3）仪器数量：SINCO测斜仪一台，测斜管若干长度。7、可视化监测在溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监测设置，通过现场摄像头实时拍摄并快速传输至操纵室的显示屏幕上，能够直观地显现尾矿库生产放矿及筑坝运行等情况。图4某尾矿库安全监测系统结构图图5某尾矿库安全监测系统安装图三、运营/治理（一）设备安装在尾矿库安全监测系统安装时，应注意以下问题：1．安装的仪器设备的安全问题。尾矿库一般处在高山峡谷等人员稀少的场地，且尾矿库占地面积较大，因此，仪器设备的防盗问题是面临的安全问题之一。因此，传感器、摄像头及GPS等设备应安装稳固，均应在安全过程中考虑防盗问题，GPS接收机应放置在水泥墩内，幸免因为设备主机被盗，导致系统无法正常工作。2．购买的GPS等设备应该有避雷装置。GPS设备靠接收星历信号来准确测定坝体变形状况，GPS天线应尽量选择轭流圈天线，尽可能保证雷雨天气的设备安全。3．安装位置应考虑尾矿坝填筑过程高程变化。尾矿库的运行期为尾矿坝不断升高、储存尾砂库容不断增大的过程，与水利工程不同，其坝顶高程随着生产运行期的进展不断变化。此外，关于上游式尾矿坝来讲，其坝轴线还要不断向库内前移（如图6所示）。因此，GPS、孔压传感器等设备的埋设位置应能够满足尾矿库整个运行期安全监测和安全治理的需要，应针对整个运行期综合考虑。图6上游式尾矿坝筑坝方式图4．应注意浸润线监测仪器埋设位置。尾矿坝总在不断加高，尾矿坝浸润线还受降雨和放矿水的阻碍，其深度在一定范围内经常变动。现有的观测设施只能测出进水孔处的水头或孔隙压力。从流网图可知：只有当某个深度的水头与该深度的高程相等时，或者讲当某个深度的孔隙压力接近于零时，该深度才是浸润线的位置。监测仪器埋深了，测得的浸润线比实际浸润线低；仪器埋浅了，测不到浸润线。浸润线的位置应依照设计资料综合考虑。（二）运营治理基于金属非金属矿山尾矿库安全监测系统，在尾矿库的运行过程中，除了应及时掌握各种监测技术指标的最新数据外，还要有尾矿库安全与否的预警技术和响应方法。本系统认为，应结合尾矿库定量安全评价方法，通过对尾矿库运行期的安全评价和监测指标数据安全度分析后，能够建立尾矿库运营治理的预警技术和响应方法。1．浸润线指标的预警方法通过尾矿坝现状的勘察和资料分析，掌握特定尾矿坝的沉积规律、材料分区及概化方法、堆坝材料的物理力学特性指标，通过渗流验算及分析，掌握汛期设计资料同意的最高浸润线高程。该指标即时浸润线监测指标的预警及响应标准。其中，渗流验算的计算方法如下所示：渗流分析的差不多方程为：式中，[K]为透水系数矩阵；{H}为总水头向量；[M]为单元储水量矩阵；{Q}为流量向量；t为时刻。关于等不不高的尾矿库，还能够依据国家标准《构筑物抗震设计规范》中有关尾矿坝浸润线高度的预警指标进行预警。2．防洪能力的预警方法防洪能力的预警是幸免汛期发生尾矿库漫顶溃坝事故的最有效方法。通过调洪验算得到当前库水位下，设计最高洪水位下尾矿库需要的调洪水深，即能够掌握当前干滩长度是否满足调洪水深的要求。3．坝体位移的预警方法通过尾矿坝当前运行现状的有限元强度折减法坝坡稳定性分析，能够近似得到发生极限滑动情况时，坝体一定深度及表面的变形情况，并结合尾矿坝位移监测趋势及变形率的定性推断，能够准确把握尾矿库因受力情况发生位移趋势及变化速率，从而及时预警并采取响应措施，疏散下游群众，并采取积极措施加固坝坡，幸免因坝坡失稳发生溃坝的严峻危害。其中，强度折减法计算坝体位移量的计算方法如下所示：图7坝坡有限元网格示意图图7为一坝坡的有限元网格示意图，假定A点为某一单元的一个高斯点，以下关于点的应力分析均以A点为例。设尾矿的抗剪强度指标为c和?，则土的抗剪强度为：假设尾矿的抗剪强度以某一折减系数F按下式进行折减：当折减系数较小时，尾矿的抗剪强度较高，整个坝坡差不多处于弹性状态。然后逐渐增加折减系数，则尾矿的抗剪强度逐渐降低，坝坡中处于弹性的范围会相应减少。如关于A点，当折减系数增加到某一较大的值时，会不再处于弹性状态，其摩尔－库仑强度包线会下移至与应力摩尔圆相交。当折减系数接着增加，尾矿的抗剪强度进一步减小，坝坡的塑性区会进一步增大；当折减系数增加到某一数值时，塑性区形成连通的区域，尾矿沿该剪切面发生不收敛的塑性剪切变形。现在认为坝坡发生破坏，强度折减系数即认为是坝坡的整体安全系数；滑裂面的位置可依照位移增量等值线或最大剪应变增量等值线的疏密来确定，也可依照破坏区域的范围来推断。基于刚体极限平衡理论的坝坡稳定分析方法已相当成熟且广泛应用于尾矿坝在内的边坡稳定分析中。然而，该法在处理荷载条件和边界条件复杂的边坡时常遇到困难。基于强度折减的有限元法，能够处理复杂荷载和边界条件，算法先进，能够更为准确地分析尾矿坝的坝坡稳定性，为尾矿库安全监测位移指标的预警提供依据。4．注重与日常巡检工作结合尾矿库安全监测系统的实施，能够使治理者在主操纵室内能够及时把握尾矿库的最新动态和监测指标信息，然而，尾矿库安全监测系统不能完全代替尾矿库日常巡检工作，应与日常巡检结合，通过监测指标和日常巡检结合的比对，能够更为科学的掌握尾矿库的安全状况和运行特点。四、产品映射1．孔压传感器的技术要求1）准确度高，灵敏度高，稳定性好，体积小，重量轻，直接频率输出，激励电路封装在水密壳体内。2）测量范围：0.1、0.2、0.3、0.6、1.0、3.0、6.0、10.0、MPa（对应于10-1000m水深）。3）准确度：±0.5%FS。4）可直接用于江河、湖泊、海水的深度和液体压力的测量，也可用作剖面系统的深度传感器。2．GPS设备的技术要求1）GPS接收机及其配套设备，要求包括从数据采集、集中传输、解算处理、显示和记录及避雷和防盗等安全爱护设施的全部设备。2）精度要求，水平：3mm+0.5ppm,垂直：5mm+0.5ppm；上述精度指标要求有国家光电检测中心等权威机构的检测结果，并具有权威机构颁发的证书。3）解算软件上有各个GPS接收机的独立监控模块，通过解算软件，能够在计算机中实时显示具有上述精度的各个GPS接收机的坐标和位移量，并能够实时记录在文本文件中。4）GPS接收机天线为轭流圈天线。5）具有避雷设施及其它安全爱护措施。五、标准支持在尾矿库安全领域，技术标准要紧参照《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）。该标准有关尾矿库安全监测系统的规定包括以下内容：1．4级以上尾矿坝应设置坝体位移和坝体浸润线观测设施。必要时还宜设置孔隙水压力、渗透水量及其浑浊度的观测设施。2．做好日常巡检和定期观测，并进行及时、全面的记录。发觉安全隐患时，应及时处理并向企业主管领导报告。3．尾矿库运行期间应加强浸润线观测，注意坝体浸润线埋深及其出逸点的变化情况和分布状态，严格按设计要求操纵。4．尾矿库滩顶高程的检测，应沿坝（摊）顶方向布置测点进行实测，其测量误差应小于20mm。当滩顶一端高一端低时，应在低标高段选较低处检测1～3个点；当滩顶高低相同时，应选较低处许多于3个点；其他情况，每100m坝长选较低处检测1～2点，但总数许多于3个点。5．依照尾矿库防洪能力和尾矿坝坝体稳定性确定，分为危库、险库、病库、正常库四个等级。除正常库外，前三类从文字上看，只是程度有所不同。尾矿库安全度定义紧紧依靠尾矿库安全监测系统中设定的监测指标来评判。例如，危库是指安全没有保障，随时可能发生垮坝事故的尾矿库，危库必须停止生产并采取应急措施，危库定义见图8。图8尾矿库安全度中危库的定义尾矿库安全度中同时满足图9四个工况的尾矿库为正常库。图9尾矿库安全度中正常库的定义综上所述，尾矿库安全监测系统能够紧扣我国现行尾矿库安全技术标准，具有较大的有用意义和价值。六、标准化程度尾矿库安全监测系统监测的浸润线、库水位、滩面标高、坝体位移、视频图像，均能够为尾矿库日常安全治理及尾矿库安全运行服务。我国尾矿库中85%以上为上游式尾矿坝筑坝，该系统关于上游式筑坝的尾矿库具有良好的应用前景，今后监测系统若能与不同等不尾矿库相结合，上升到安全技术标准，能够全面提