在線監(jiān)測系統(tǒng)在城門山銅礦尾礦庫的應(yīng)用

岳慧君，徐 麾，葉建華，趙江鋒

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 研究背景與尾礦庫現(xiàn)狀

隨著智能化礦山建設(shè)熱潮在國內(nèi)礦山的開展，傳統(tǒng)礦業(yè)正從信息化、自動(dòng)化、智能化等高科技領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，如“智能化礦山”、“遠(yuǎn)程采礦”、“遙控機(jī)器人采礦”、“自動(dòng)導(dǎo)向設(shè)備”、“GPS 全球定位調(diào)度系統(tǒng)”、“移動(dòng)巡檢”等方向已經(jīng)在我國逐步建設(shè)發(fā)展。隨著城門山銅礦智能化礦山建設(shè)的深入開展，劉家溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了尾礦庫運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集以及計(jì)算機(jī)軟件的信息化管理，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測信息與礦山生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度和設(shè)備維護(hù)統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)和融合發(fā)展。

尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)是一項(xiàng)目前在國內(nèi)運(yùn)用比較廣泛的監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)是利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)和裝備，實(shí)現(xiàn)對尾礦庫運(yùn)行安全指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)、連續(xù)的采集、傳輸、管理及分析的監(jiān)測技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)能使尾礦庫監(jiān)控人員及時(shí)了解尾礦庫的運(yùn)行狀況和安全現(xiàn)狀，提高事故預(yù)警和應(yīng)急處理能力，確保尾礦庫運(yùn)行安全和庫區(qū)下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全［1]。

城門山銅礦劉家溝尾礦庫位于礦區(qū)東北部，距選礦廠北東方向1.9km處，地處九江縣城門鄉(xiāng)興聯(lián)村，劉家溝尾礦庫與賽湖一堤相隔，建設(shè)于城門山銅礦二期擴(kuò)建工程期間，由攔擋主壩、1#、2#、3#、4#副壩、溢洪道組成，采用一次性建壩形成庫容，配套設(shè)施主要由尾礦庫聯(lián)絡(luò)道、污水處理站及排江泵房、尾礦庫回水管線、排江管線、尾礦庫水提升管線以及尾礦輸送泵房等組成。城門山銅礦劉家溝尾礦庫為尾礦庫等級(jí)為三等，安全監(jiān)測等級(jí)為 II級(jí)［2]。

2 在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 硬件系統(tǒng)

近年來，國內(nèi)外尾礦庫安全事故時(shí)有發(fā)生，我國對尾礦庫安全也日益重視，要求礦山企業(yè)高度重視尾礦庫安全問題，在此背景下，國內(nèi)礦山企業(yè)基本按要求建設(shè)了尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)。隨著在線監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)和新產(chǎn)品為尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)性能的持續(xù)提升提供了技術(shù)保證［6-8]。

城門山銅礦劉家溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容包括：壩體表面位移、壩體內(nèi)部位移、壩體浸潤線、庫水位、降雨量以及視頻。主要監(jiān)測內(nèi)容及布置如下。

（1） 浸潤線監(jiān)測。共布置 12個(gè)浸潤線監(jiān)測點(diǎn)，將振弦式滲壓計(jì)布設(shè)于測壓孔內(nèi)，采用遠(yuǎn)程光纖通信傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器［14]。

振弦式滲壓計(jì)是通過測量測壓管內(nèi)的水壓力信息，再通過換算公式計(jì)算出孔內(nèi)水位，數(shù)據(jù)采集軟件根據(jù)整個(gè)剖面各測壓孔的水位情況繪制出該剖面浸潤線圖形。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，振弦式滲壓計(jì)的可靠性和精確度較高，水位監(jiān)測精度可達(dá)0.02m，能夠滿足尾礦壩體內(nèi)腐蝕性尾礦滲出液的液位在線測量［13]。

（2） 壩體表面變形監(jiān)測。表面位移監(jiān)測采用美國天寶S9型智能全站儀，由于劉家溝尾礦庫壩面朝向賽湖，故將全站儀監(jiān)測房建設(shè)于庫內(nèi)上游地質(zhì)條件穩(wěn)定的制高點(diǎn)，2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)分布于壩軸線兩端穩(wěn)固區(qū)域，表面位移監(jiān)測點(diǎn)分布于主攔擋壩和副壩壩頂，共計(jì)16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，為加強(qiáng)遠(yuǎn)距離測量可靠性，基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)都采用三棱鏡［3]。

所謂的全站儀，即全站型電子測距儀（Electronic Total Station），是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域。本項(xiàng)目選用的Trimble S9型智能全站儀，是為工程自動(dòng)化監(jiān)測等專項(xiàng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，集成了高精度和專業(yè)工程特性，可以把掃描、成像和測圖的功能結(jié)合到一臺(tái)設(shè)備中，并且具有長測程精細(xì)鎖定FineLock和DRHP（高精度）等選項(xiàng)，來滿足遠(yuǎn)距離、高精度等不同的需求［2]，其監(jiān)測測距精度可達(dá)0.8mm+1ppm。

（3） 水位監(jiān)測。庫內(nèi)水位、譚家偃水位以及賽湖水位都采用振弦式水位計(jì)進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)通信采用遠(yuǎn)程光纖專網(wǎng)傳輸方式，監(jiān)測精度0.02m。

（4） 降雨量監(jiān)測。布置在回水泵站值班室屋頂，使用1臺(tái)容柵式雨量計(jì)監(jiān)測降雨量，監(jiān)測精度為0.1mm。

（5） 內(nèi)部位移監(jiān)測。固定測斜儀適用于長期監(jiān)測大壩、筑堤、邊坡、基礎(chǔ)墻等結(jié)構(gòu)的變形，可以用來監(jiān)測壩體水平位移變化。基本原理是使用測斜儀準(zhǔn)確測量被測結(jié)構(gòu)的鉆孔內(nèi)局部傾斜度。儀器安裝于帶標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)槽的測斜管中，通過測量滑輪的傾斜長度以及角度從而計(jì)算出橫向和縱向水平位移［12]。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

（6） 視頻監(jiān)控。系統(tǒng)在尾礦庫主壩、副壩、排尾管線、鳳爪溝、全站儀、污水處理站共布置了 6個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，用于監(jiān)控尾礦庫相關(guān)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 數(shù)據(jù)采集軟件

圖3 發(fā)布軟件界面

主采集設(shè)備采用南京葛南實(shí)業(yè)有限公司制造的MCU32數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接浸潤線、內(nèi)部位移、庫水位、降雨量等監(jiān)測傳感器，在庫區(qū)共布置5臺(tái)采集箱，其中1、2、3號(hào)采集箱位于主攔擋壩，4號(hào)采集箱位于2#副壩，5#采集箱位于污水處理站，各采集箱通過礦調(diào)度室引出的光纖網(wǎng)絡(luò)連接，現(xiàn)場傳感器通過電纜接入采集箱內(nèi)。主攔擋壩及2#副壩共設(shè)置8個(gè)監(jiān)測斷面，共布置浸潤線監(jiān)測孔12個(gè)，內(nèi)部位移監(jiān)測孔4個(gè)（每個(gè)孔內(nèi)四支傳感器），賽湖水位監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)，譚家偃水位監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)，尾礦庫內(nèi)水位監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)，降雨量監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)［12]。

劉家溝尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置了專用的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和遠(yuǎn)程發(fā)布服務(wù)器，分別安裝數(shù)據(jù)采集軟件與遠(yuǎn)程發(fā)布軟件。其中數(shù)據(jù)采集服務(wù)器還安裝有數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)軟件，用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類保存［4]。

2.2 軟件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集軟件采用北京礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的綜合一體化數(shù)據(jù)采集軟件平臺(tái)BMS_Source，兼容多種監(jiān)測類型和設(shè)備，該軟件安裝于數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，能夠設(shè)置系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀、傳感器及監(jiān)測項(xiàng)的配置信息，設(shè)備視圖中配置了5臺(tái)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集箱、1臺(tái)全站儀及其連接傳感器的列表，同時(shí)通過不同的顏色指示表征監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的故障診斷與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。通過該軟件還可以配置現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址以及現(xiàn)場傳感器的率定系數(shù)和初值等信息，在正常情況下，數(shù)據(jù)采集軟件是不需要人工操作的，軟件會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行和采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫，并供發(fā)布軟件顯示調(diào)用［4]。

2.3 監(jiān)測軟件的應(yīng)用

發(fā)布軟件是供監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、查詢和分析使用的軟件系統(tǒng)，該軟件基于B/S架構(gòu)，具備內(nèi)外網(wǎng)發(fā)布的功能，在內(nèi)網(wǎng)中任何一臺(tái)電腦，都可以根據(jù)指定的路徑訪問該發(fā)布系統(tǒng)，而在外網(wǎng)中也可以通過遠(yuǎn)程發(fā)布地址進(jìn)行系統(tǒng)訪問，方便監(jiān)管部門對系統(tǒng)的監(jiān)管和聯(lián)網(wǎng)。使用人員可以通過谷歌瀏覽器方便快捷地瀏覽、查閱、分析實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測報(bào)警信息等，并可進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖表繪制、運(yùn)行態(tài)勢分析等工作。通過過程線繪制功能，直觀了解查閱時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，為尾礦庫運(yùn)行安全狀態(tài)判斷提供即時(shí)、直觀、準(zhǔn)確的判斷依據(jù)［5]。

2.4 監(jiān)測報(bào)警閾值

為使尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)該項(xiàng)技術(shù)能夠更全面地發(fā)揮作用，需要對所有監(jiān)測指標(biāo)建立不同的預(yù)警值，根據(jù)預(yù)警值指導(dǎo)下一步的安全工作，這樣每一項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)，或者說每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警值的建立就顯得很有必要。

系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)報(bào)警模式，黃色報(bào)警為一級(jí)報(bào)警，報(bào)警級(jí)別最低，橙色報(bào)警為二級(jí)報(bào)警，報(bào)警級(jí)別居中，紅色報(bào)警為三級(jí)報(bào)警，報(bào)警級(jí)別最高。根據(jù)尾礦庫運(yùn)行期安全管理經(jīng)驗(yàn)以及當(dāng)前運(yùn)行狀況指標(biāo)初步確定了預(yù)警值，并在后續(xù)使用中不斷優(yōu)化，使其做到精確預(yù)警［11]。

圖4 報(bào)警顯示示例

表1 各監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警值設(shè)定表

通過庫水位、浸潤線、降雨量、內(nèi)部位移、表面位移的黃色、橙色、紅色三級(jí)預(yù)警體系，操作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)尾礦庫異常情況并按照相關(guān)預(yù)案進(jìn)行處理，為尾礦庫安全運(yùn)行提供了保證［9-11]。

3 應(yīng)用效果分析

城門山銅礦尾礦庫自2018年9月份以來，開始進(jìn)行模袋筑壩增加庫容工程，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對模袋施工進(jìn)行了準(zhǔn)確的施工指導(dǎo)。模袋筑壩施工的主要區(qū)域位于攔擋主壩的西側(cè)、副壩沿線以及庫內(nèi)干灘分界線附近，通過觀察歷史數(shù)據(jù)，繪制表面位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)的過程線，可以發(fā)現(xiàn)，模袋施工對壩體穩(wěn)定性的影響在預(yù)定范圍內(nèi)，尾礦庫模袋筑壩的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)設(shè)置合理可行。

以主壩西側(cè)的WY-02和位于2號(hào)副壩的WY-22表面位移監(jiān)測點(diǎn)為例，利用2018年10月-2019年4月的歷史數(shù)據(jù)繪制過程線，結(jié)果表明，模袋筑壩對壩體表面位移產(chǎn)生一定的影響，但累積位移值未超出設(shè)計(jì)單位在模袋筑壩設(shè)計(jì)中的模擬計(jì)算值，更遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)設(shè)的預(yù)警值，壩體整體表面位移在可接受范圍內(nèi)（累積垂直壩軸線變化約1～3mm），證明模袋筑壩方案有效可行，且壩體穩(wěn)定性指標(biāo)未發(fā)生大的變化。

圖5 模袋筑壩期間壩體表面位移過程線

圖6 模袋筑壩期間壩體表面位移過程線

試運(yùn)行結(jié)果表明：

（1）該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能直觀實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)尾礦庫安全運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化監(jiān)測，大大提高了尾礦庫日常監(jiān)測的精度和管理效率，降低尾礦庫管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；

（2） 通過該系統(tǒng)可以隨時(shí)查看尾礦庫運(yùn)行情況，準(zhǔn)確、及時(shí)、全面了解實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，在突發(fā)情況下，可以迅速調(diào)閱一手歷史資料，為指揮應(yīng)急處置和救援提供參考；

（3）系統(tǒng)設(shè)置了各監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)警閥值，可在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警提示信息，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)有效；

（4）系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)繪制的過程線可以用來對尾礦庫安全運(yùn)行狀況進(jìn)行態(tài)勢分析，根據(jù)分析結(jié)果可以評估尾礦庫的安全狀態(tài)和預(yù)測各項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展方向，為尾礦庫安全管理持續(xù)提升提供依據(jù)［4]。

4 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，浮選專家控制系統(tǒng)、自動(dòng)加球機(jī)、移動(dòng)巡檢儀已在城門山銅礦投入使用，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)作為智能化礦山的一個(gè)子項(xiàng)目也涵蓋其中，且運(yùn)行效果良好，但是，尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的適用性和長期可靠性還需要一定的時(shí)間來驗(yàn)證［12]。國內(nèi)智能化礦山專業(yè)技術(shù)人員和管理人員較少，其文化水平較低，可借鑒的管理維護(hù)經(jīng)驗(yàn)較少，對智能化礦山的后期維護(hù)技能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到礦山管理要求，所以，依靠高度智能化技術(shù)的發(fā)展來促進(jìn)智能化礦山的建設(shè)是一條可探索的技術(shù)路線，并可以在一定程度上彌補(bǔ)工作人員的素質(zhì)和管理水平短板。