試論尾礦庫安全監測預警系統可靠性評估

張黎黎

（長春工程學院，吉林 長春 130012）

我國也是一個礦業大國，尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的用以堆存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所，是一個具有高勢能的重大危險源，是礦山選礦廠生產必不可少的組成部分，也是維持金屬非金屬礦山正常生產的必要設施，大量尾砂一旦發生泄漏、甚至潰壩，具有高勢能的人造泥石流的重大危險源[1]。

一、簡述尾礦庫安全監測預警系統

1、尾礦庫安全監測預警系統基本構成

它主要包括硬件系統和軟件系統。

其中硬件系統由壩體位移監測設施、浸潤線監測設施、庫水位監測設施和其他監測設施構成。壩體位移監測設施又包括GPS位移監測和全站儀位移監測。尾礦壩GPS位移監測系統由三部分組成，監測點的布置一般選擇2-3個監測剖面，對各個監測點的參數進行計算分析，監測單元跟蹤GPS衛星并實時采集數據，得到預警參數，實時監測尾礦壩壩坡位移。全站儀以自動記錄和顯示讀數，監測點的布置一般選擇4-5個監測剖面，使測角操作簡單化，可避免產生讀數誤差。對各個監測點的參數進行計算分析，提高了測量作業的自動化程度。得到預警參數，便于光信號的傳播和反射；浸潤線的位置對抗滑穩定和滲透穩定極其重要。其中滲壓傳感器采用光纖壓力，應根據《尾礦庫安全技術規程》力求做到使浸潤線不從坡面逸出，根據實際設計安裝到浸潤線以下，根據尾礦庫的具體情況進行確定，幾個滲壓傳感器通過光纜串接起來，必須滿足最小安全干灘長度的要求。確定每個監測的各級預警參數，對于把握壩體穩定狀況具有重要意義。為了實時掌握尾礦庫庫區的情況[2]，庫水位監測點布置在尾礦庫的溢水塔，采用安全超高檢測法檢測尾礦庫防洪能力，以滿足準確清晰把握尾礦庫運行狀況，光纖水位傳感器用水下光纜連接監測主機。根據防洪級別來計算安全超高，一般設2個監測點，得到預警參數。

軟件系統包括監測模塊、計算模塊和評價模塊。監測模塊用于采集監測數據，計算模塊得到各個監測的危險性，將數據存儲在統一的數據庫中。通過數學模型計算得到綜合評價結果，其他模塊一般包括人機界面接觸和環境模塊。

尾礦庫安全監測預警系統優點表現為自動化程度高，監測指標選擇合理，隨時、及時可獲取尾礦庫運行數據，對影響尾礦庫安全生產關鍵技術指標監測，反映尾礦庫安全運行清況，可靠性大，監測成本低、企業負擔輕。監測精度高，精確度都在毫米級，具有預警功能，及時掌握尾礦庫的安全現狀，并對險情進行預測預報，為尾礦庫管理提供科學的依據，保障庫區下游企業正常運轉，實現壩體穩定和防洪安全的自動預警，庫區人民群眾的生命財產安全進一步提高。

2、尾礦庫安全監測預警系統可靠性

尾礦庫安全監測預警系統的可靠性是指產品(或系統)在規定的條件下，在尾礦庫安全監測預警系統使用壽命內，保證其設計的功能、性能的能力，在礦山野外惡劣環境下，具有良好的正常使用性能，能承受工作環境的作用的性能，具有抗老化、抗腐蝕和抗松動的能力，不會影響系統其它部位的正常運行。

具體包括監測值的精確性和及時性，能經受壽命期內的各種外界環境影響，直接雷擊等作用時不會產生嚴重后果，能實現設計所要求的功能和性能指標，對系統的干擾，交通、發電、泄洪和地震等而滿足使用要求，從而使故障易于查找和修復等。

可靠性指標是評價產品的可靠性定量化尺度，可靠度是指產品在規定的時間內完成規定功能的概率，用概率解釋，又叫可靠度分布函數；故障率又稱失效率，故障率愈高，則可靠性愈低，表示工作到某時刻時尚未發生故障的產品。產品的故障形式由多種基本形式混合而成，平均壽命指的是它失效前的工作時間，是指一次故障發生后到下一次故障發生前。

系統是指為完成某一特定功能，系統可靠性框圖，也稱系統邏輯框圖。系統的可靠性取決于元件的可靠性及其結構圖，用方框表示單元功能。串聯系統可靠度等于獨立單元可靠度乘積，其可靠度低于組成該系統的每個單元可靠度，故障率大于組成該系統的每個單元故障率，可靠度取決組成系統的每個單元可靠度；并聯系統可靠度高于系統每個單元的可靠度，故障率低于組成該系統的每個單元故障率，可靠度取決于系統最大可靠度的單元；串聯和并聯系統混合的系統稱為混聯系統。

二、尾礦庫安全監測預警系統可靠性評估模型

1、系統可靠性特點

系統具有系統性、全面性、可操作性和實用性。系統可靠性要從系統的安全出發，都要充分給予考慮，以確保可靠性的全面性。應著眼于設計和使用中可能發生的各種問題，其可靠性研究必須強調可操作性。進行綜合考察和研究，必須要多方設想，周密分析，以提高解決實際問題的能力，必須是建立在認真的調查研究之上，有針對性地做出判斷，提出相應的對策。結合尾礦庫企業的特點、自身條件，針對實踐中可能遇到的各種復雜的情況，充分考慮與系統安全有聯系的各種要素，做到量力而行，使系統可操作。

2、硬件系統可靠性

硬件系統根據其購買產品的不同，可靠性也存在一定程度的不同。模糊可靠性理論利用模糊數基本概念，進行模糊數運算，模糊數的代數運算法則有多種形式。模糊數識別大致有按“最大隸屬原則”歸類和按“擇近原則”歸類。隸屬度函數的確定方法又包括模糊統計法，三分法和專家打分法。

硬件系統產品的可靠性根據產品多樣性和技術局限性不同，根據模糊對稱三角結構元，需要根據硬件系統的運行狀況，采用系統各環節的失效率，對統硬件系統的實地觀測和示例數據分析，根據硬件系統相關設備、設施故障率計算其模糊可靠度。

3、軟件可靠性

是指在規定條件下，軟件程序執行所要求功能的能力。故障樹也稱事故樹，故障樹分析方法是一種描述事故因果關系的有方向的“樹”，是解決復雜系統可靠性的一種有效手段。通過對各種可能造成系統故障的硬件、軟件等相關內容進行分析，是安全系統工程中的重要分析方法之一，并對其危險性進行識別評價，故障概率本身帶有一定的不確定性，確定頂上事件和基本事件，然后畫出故障樹，從要分析的特定事故或故障開始，運用模糊故障樹可靠性的相關理論，適用于定性和定量分析。

故障樹分析的基本程序過程為熟悉系統，調查事故，確定頂上事件，確定目標值，調查原因事件，畫故障樹，事件分析，確定事故發生概率和比較分析。具體地說是詳細了解系統狀態及各種參數，收集事故案例，進行事故統計，對所調查的事故進行全面分析，求解事故發生的概率，調查與事故有關的所有原因事件，按故障樹結構進行簡化，求出頂上事件的發生概率，對于不可維修系統求出頂上事件發生概率即可。故障樹定性定量分析。要進行最小割集和最小徑集的劃分，故障樹定性分析，求頂上事件發生的概率和基本事件的重要度，應用容斥原理中概率計算公式，求出其最小割集和最小徑集。

通過模糊理論，模糊故障樹可靠度分析步驟包括選擇頂事件，將故障樹中的基本事件劃分，進行模糊歸一化處理，利用模糊數學的截集定理進行概率區間確定，計算基本事件的模糊重要度，總結相關結論。

總之，系統可靠性評估模型的建立根據系統可靠性原理給出基本事件的置信區間，由硬件系統和軟件系統兩部分串聯組成，運用故障樹頂上事件概率計算方法，賦予置信區間，建立尾礦庫安全監測預警系統。

三、某某尾礦庫安全監測預警系統可靠性評估應用

基本參數概述。建有兩座初期壩，均為透水堆石壩，尾礦庫等別為初期四等，終期三等。在庫內設三座高度不同的周邊多孔的鋼筋混凝土溢水塔，尾礦壩己堆至208m標高，尾礦庫增容改造后，從220m增加到245m，以保證礦山持續發展。暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候，本地區降雨量年變化率較大，四季分明，干濕冷暖變化明顯，每年降雨多集中在7—8月份，夏季受大陸低壓影響，炎熱多雨。尾礦庫庫區三面環山，東、北、西較高，庫區內工程地質較為簡單，尾礦庫采用塔—管式排洪系統。加高擴容設計情況為主壩尾礦筑壩、預埋水平排滲體、東壩腳壓坡加固、西壩坡加貼坡反濾保護層、適時修建外壩面排水溝、適時在壩外坡建水位觀測孔及位移觀測樁，新建排水系統，開鑿庫內山梁連通溝，尾礦庫增容加高服務年限，劃分尾礦庫等別。

某某尾礦庫安全監測預苦系統的現場布置。壩體位移是災害演化過程的直觀反應指標，后期壩的設計做到使浸潤線不從坡面逸出，通常在溢水塔等重要部位設置水位監測設置；系統由壩面位移GPS監測子系統、浸潤線監測子系統、庫水位監測子系統等組成。

監測實施方案。尾礦壩GPS位移監測系統包括監測單元、數據傳輸和控制單元、數據處理分析及管理單元，安全計算機控制室設置軟件系統預警參數。并進行浸潤線監測、庫水位監測。通過監測數據分析，實現了多個監測點共用一臺接收機，預先通報下游居民進行疏散。

四、結語

為了確保尾礦庫安全生產，尾礦庫安全生產形勢非常重要。通過分析尾礦庫安全監測預警系統，評估尾礦庫安全生產及其安全設施，分析該系統可靠性，對保障人民群眾生命財產安全具有重大的理論和現實意義[4]。

[1]朱開桂.加強科學管理，實現尾礦庫安全生產[J].安徽冶金科技職業學院學報，2007，(11).

[2]李忠奎，廖國禮.尾礦庫潰壩監測預警系統設計研究[J].有色金屬(礦山部分)，2008，(11).

[3]尼早，邱志平.分布參數為模糊變量的結構體系模糊可靠性分析方法及應用[J].航空學報，2009，(30).

[4]田文旗，薛劍光.尾礦庫安全技術與管理[M].煤炭工業出版社，2006.