1、中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 尾礦庫自動化在線監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦馬糞溝尾礦庫自動化在線監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院1目錄1概述- 1 -1.1系統(tǒng)功能- 2 -1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 3 -2傳感器子系統(tǒng)- 4 -2.1壩體內(nèi)部位移監(jiān)測子系統(tǒng)- 4 -2.1.2壩體內(nèi)部位移監(jiān)測方案- 4 -2.1.2壩體內(nèi)部位移監(jiān)測點布置- 4 -2.1.3系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)- 5 -2.3.4內(nèi)部位移基礎(chǔ)施工- 6 -2.2 沉降位移監(jiān)測系統(tǒng)- 6 -2.2.1沉降位移監(jiān)測方案- 6 -2.2.2沉降位移監(jiān)測是點布置- 7 -2.2.3系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)- 7 -2.2.4內(nèi)部位移基礎(chǔ)施工- 7

2、 -2.3浸潤線監(jiān)測子系統(tǒng)- 8 -2.3.1浸潤線監(jiān)測方案- 8 -2.3.2浸潤線監(jiān)測點布置- 9 -2.3.3系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)- 9 -2.3.4內(nèi)部位移基礎(chǔ)施工- 10 -2.4庫水位監(jiān)測子系統(tǒng)- 10 -2.5干灘監(jiān)測子系統(tǒng)- 10 -2.5.1干灘監(jiān)測方案- 10 -2.5.2干灘監(jiān)測點布置- 11 -2.5.3干灘監(jiān)測通信結(jié)構(gòu)- 11 -2.6雨量監(jiān)測子系統(tǒng)- 11 -2.7庫區(qū)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)- 12 -3在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)- 13 -1概述尾礦庫自動化安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，采用國家“十一五”科技支撐項目“尾礦庫風(fēng)險分級及監(jiān)測、預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究”的核心成果，為尾礦庫的日常管理提供基礎(chǔ)方案和

3、技術(shù)支撐。系統(tǒng)實施完全遵循中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標準AQ2030-2010尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（2011-05-01實施）和AQ2006-2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程的要求。通過本項目的實施可以達到如下目的：（1）為礦山提供尾礦庫生產(chǎn)運行狀況的真實數(shù)據(jù)，對尾礦庫安全隱患提出預(yù)警，以便礦山有針對性地加強尾礦庫安全隱患治理，改善尾礦庫安全運行條件，實現(xiàn)尾礦庫長期安全運行。（2）預(yù)測預(yù)報尾礦庫潰壩災(zāi)害事故，為用戶組織搶險，疏散尾礦庫下游人群贏得時間，減少事故傷亡和財產(chǎn)損失。（3）自動化監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單，數(shù)據(jù)及時有效，避免了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的復(fù)雜操作、人為性及檔案管理繁鎖。（4）系統(tǒng)具有：采集、顯示、

4、存儲、數(shù)據(jù)通信、管理、系統(tǒng)自檢和報警功能。（5）系統(tǒng)具有遠程控制功能，可通過串口利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控計算機進行遠程監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集軟件上的所有功能，并可對數(shù)據(jù)采集軟件中的歷史數(shù)據(jù)進行提取。（6）系統(tǒng)可監(jiān)視運行期間壩體的狀況變化和運行情況。在發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象時及時分析原因，采取措施，防止發(fā)生事故，以保證生產(chǎn)的安全運行。（7）系統(tǒng)可隨時對觀測資料進行分析，開展對壩體運行狀況進行技術(shù)鑒定，總結(jié)運行經(jīng)驗，為改善運行方式和制定安全措施、評價生產(chǎn)狀況提供數(shù)據(jù)。（8）系統(tǒng)可定期進行觀測資料的整編、為以后的設(shè)計、施工、管理提供資料。（9）系統(tǒng)能綜合歷史數(shù)據(jù)和實時采集的滲流、水位、雨量、形變

5、等數(shù)據(jù)，進行相關(guān)過程線分析。（10）系統(tǒng)能根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)計算庫區(qū)的調(diào)洪高差，并做出預(yù)警；能根據(jù)降雨量、庫區(qū)水位等數(shù)據(jù)，對庫區(qū)水位狀態(tài)給出預(yù)警；能根據(jù)實時采集數(shù)據(jù)自動繪出壩體浸潤線并給出相關(guān)數(shù)據(jù)；能對壩體沉降和水平位移狀態(tài)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對形變的發(fā)展做出預(yù)測。1.1系統(tǒng)功能尾礦庫的安全狀況取決于若干基本指標。壩體位移是災(zāi)害演化過程的直觀反應(yīng)指標，因此對于壩體下游坡變形的掌握，可以及時發(fā)現(xiàn)尾礦壩變形、沉降和發(fā)展速度，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)進行科學(xué)的應(yīng)急決策，并及時采取應(yīng)急對策措施，從而避免災(zāi)害的發(fā)生或者減少災(zāi)害發(fā)生造成的危害。浸潤線的位置對抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定極其重要。對于后期壩的設(shè)計

6、都力求做到使浸潤線不從坡面逸出，一旦浸潤線從后期壩坡逸出，極易造成滲透失穩(wěn)，將導(dǎo)致整體垮壩。因此，如發(fā)現(xiàn)有滲水逸出坡面，應(yīng)立即采用貼坡反濾或其它排滲措施以防坡面管涌發(fā)生，絕不允許采取任何堵水措施。此外，為進一步提高滲透穩(wěn)定性，規(guī)定在設(shè)計洪水位時，水邊線離壩頂?shù)木嚯x必須滿足最小安全干灘長度的要求。因此，自動監(jiān)測尾礦壩浸潤線指標對于把握壩體穩(wěn)定狀況具有重要意義。為了掌握降雨量大小，進而開展該降雨量下的調(diào)洪演算，對于防止壩體發(fā)生洪水漫頂破壞也具有重要意義。尾礦庫自動化安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)項目最終選擇壩體位移和沉降、浸潤線、庫水位、干灘、降雨量等指標作為尾礦庫監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標和監(jiān)控范圍。2傳感器子

7、系統(tǒng)2.1壩體內(nèi)部位移監(jiān)測子系統(tǒng)2.1.2壩體內(nèi)部位移監(jiān)測方案尾礦庫形變位移監(jiān)測以內(nèi)部水平位移最為關(guān)鍵，本項目采用固定式測斜儀對壩體內(nèi)部水平位移進行監(jiān)測。配合壩體表層位移監(jiān)測，壩體位移監(jiān)測全部采用固定式測斜儀完成。測斜儀組件如下圖所示：圖2-1 測斜儀組件（單位：mm）測斜儀內(nèi)置傾角傳感器，通過縱向豎直埋設(shè)于觀測管內(nèi)，在壩體內(nèi)部位移發(fā)生時感應(yīng)被測體的內(nèi)部形變，并轉(zhuǎn)換為角度變化。結(jié)合固定式測斜儀的安裝位置和角度變化信息，可以得到壩體內(nèi)部水平位移量。2.1.2壩體內(nèi)部位移監(jiān)測點布置監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)尾礦庫的具體情況，在壩體穩(wěn)定分析和定量風(fēng)險評價的基礎(chǔ)上進行確定。位移觀測點根據(jù)實際工程特點確定，根據(jù)觀

8、測孔布點編號平面圖，在規(guī)劃的三個斷面布置位移觀測孔9個，共計27個監(jiān)測點。觀測孔采用與浸潤線監(jiān)測孔共用的解決方案，在一個監(jiān)測孔沿縱向三個高度排列三個測斜儀圖2-2 監(jiān)測點布置圖2.1.3系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)壩體內(nèi)部位移解決方案為全自動在線監(jiān)測，傳感器組件的信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊（如下圖）轉(zhuǎn)換為標準485總線通信信號，經(jīng)由485鎧裝直埋電纜傳輸至現(xiàn)場值班房數(shù)據(jù)站。數(shù)據(jù)信息經(jīng)由總線以太網(wǎng)服務(wù)器模塊轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號，再通過無線點對點模塊接入系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)，在線監(jiān)測服務(wù)器通過系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)獲取壩體內(nèi)部位移信息。圖2-3 內(nèi)部位移數(shù)據(jù)采集模塊在通信距離較遠時，485總線通信系統(tǒng)一般設(shè)計為菊花型直鏈聯(lián)接，或者短分支的單總線聯(lián)

9、接，一般避免星型聯(lián)接，以防止信號反射干擾，影響通信性能。而本項目因傳感器分布較為分散，而且距離較遠，因此采用了485專用光隔離中繼集線器模塊。光隔集線器模塊能夠有效實現(xiàn)星型485聯(lián)接方案，而且不會帶來負面影響，進一步來說，光隔結(jié)構(gòu)更有利于將傳感器網(wǎng)絡(luò)分區(qū)分塊隔離，避免特殊情況下的全系統(tǒng)癱瘓。2.3.4內(nèi)部位移基礎(chǔ)施工浸潤線監(jiān)測的基礎(chǔ)施工包括觀測孔打孔、下管和保護墩建設(shè)。與壩體內(nèi)部位移設(shè)施的施工相同。2.2 沉降位移監(jiān)測系統(tǒng)2.2.1沉降位移監(jiān)測方案壩體沉降采用靜力水準儀進行測量，靜力水準儀依據(jù)連通器原理，通過測量每個測點容器內(nèi)液面的相對變化來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的豎向變形。靜力水準系統(tǒng)中，所有傳感器的垂直

10、位移均是相對于其中一點的。當已知測點中任意一點的絕對位移時，即可計算出所有測點的絕對位移。可以通過軟件對沉降速率、加速度綜合評估進行險情分析。圖2-4 靜力水準儀2.2.2沉降位移監(jiān)測是點布置壩壩體沉降監(jiān)測在520、510、505水平設(shè)置3個監(jiān)測斷面，每個斷面3個監(jiān)測點位，監(jiān)測點安裝靜力水準儀，且每個監(jiān)測水平設(shè)置一個基準點。共計安裝靜力水準儀12個。（見圖2-2）2.2.3系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)沉降位移解決方案為全自動在線監(jiān)測，傳感器組件的信號為標準485信號，經(jīng)由485鎧裝直埋電纜傳輸至現(xiàn)場值班房數(shù)據(jù)站。數(shù)據(jù)信息經(jīng)由總線以太網(wǎng)服務(wù)器模塊轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號，再通過無線點對點模塊接入系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)，在線監(jiān)測服務(wù)器

11、通過系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)獲取壩體沉降位移信息。2.2.4內(nèi)部位移基礎(chǔ)施工沉降位移監(jiān)測的基礎(chǔ)施工包括基礎(chǔ)墩建設(shè)線纜埋設(shè)。2.3浸潤線監(jiān)測子系統(tǒng)2.3.1浸潤線監(jiān)測方案浸潤線監(jiān)測采用振弦式孔隙水壓力計。振弦式孔隙水壓力計是一種測量地基孔隙水壓力的傳感器，適用于地基內(nèi)不同地質(zhì)層面的孔隙水壓力測量，可進行長期監(jiān)測和自動化測量。滲壓計根據(jù)實際設(shè)計，安裝到浸潤線以下，滲壓傳感器測量到的信號通過485總線線纜沿著固定管傳輸，幾個滲壓傳感器通過線纜串接起來，與營房數(shù)據(jù)站聯(lián)接。浸潤線監(jiān)測示意圖如圖所示。圖2-5滲壓計安裝示意圖圖2-6 滲壓計滲壓傳感器數(shù)據(jù)配合監(jiān)控軟件可實現(xiàn)浸潤線數(shù)據(jù)的繪圖、報表、報警、打印等操作，觀測周

12、期可設(shè)置為數(shù)小時至數(shù)天。2.3.2浸潤線監(jiān)測點布置浸潤線監(jiān)測孔參照壩體人工觀測孔安排，在五個監(jiān)測斷面共設(shè)置27個監(jiān)測孔。沒個監(jiān)測孔布置一個傳感器，共計27個傳感器。圖2-7監(jiān)測孔布置圖2.3.3系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)浸潤線解決方案為全自動在線監(jiān)測，傳感器組件的信號經(jīng)由數(shù)據(jù)盒（如下圖）轉(zhuǎn)換為標準485總線通信信號，經(jīng)由485鎧裝直埋電纜傳輸至現(xiàn)場值班房數(shù)據(jù)站。數(shù)據(jù)信息經(jīng)由總線以太網(wǎng)服務(wù)器模塊轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號，再通過無線點對點模塊接入系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)，在線監(jiān)測服務(wù)器通過系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)獲取壩體浸潤線信息。圖2-8 浸潤線傳感器數(shù)據(jù)采集盒2.3.4內(nèi)部位移基礎(chǔ)施工浸潤線監(jiān)測的基礎(chǔ)施工包括觀測孔打孔、下管和保護墩建設(shè)。與壩體

13、內(nèi)部位移設(shè)施的施工相同。2.4庫水位監(jiān)測子系統(tǒng)將水位計傳感器安裝到溢洪塔上，并將數(shù)據(jù)采集盒塊固定在溢洪塔上，數(shù)據(jù)信息經(jīng)由總線以太網(wǎng)服務(wù)器模塊轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號，再通過無線點對點模塊接入系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)，在線監(jiān)測服務(wù)器通過系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)獲取水位測量信號。2.5干灘監(jiān)測子系統(tǒng)2.5.1干灘監(jiān)測方案利用庫水位監(jiān)測結(jié)果和壩體灘頂標高，結(jié)合數(shù)學(xué)計算方法，在軟件中實現(xiàn)干灘長度的測量和計算，得到干灘長度數(shù)值。項目采用壩內(nèi)沉積灘高程監(jiān)測的方式實現(xiàn)干灘長度和安全超高的監(jiān)測。監(jiān)測點高程測量采用自動激光測距儀。2.5.2干灘監(jiān)測點布置干灘監(jiān)測點設(shè)置根據(jù)壩內(nèi)沉積灘的實際情況確定，選擇能代表最小干灘長度的位置布置監(jiān)測點，沿壩體縱向剖

14、面布置一組（2個）干灘監(jiān)測點，第一點布置在靠近子壩內(nèi)坡坡腳附件，第二點布置在最小干灘長度點位置附件。本項目選擇一條有代表性縱向剖面線，共設(shè)置1組（共2個）監(jiān)測點。2-9干灘監(jiān)測點布置示意圖2.5.3干灘監(jiān)測通信結(jié)構(gòu)干灘監(jiān)測的激光測距儀數(shù)據(jù)信息經(jīng)由總線以太網(wǎng)服務(wù)器模塊轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號，再通過無線點對點模塊接入系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)，在線監(jiān)測服務(wù)器通過系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)獲干灘測量信號。2.6雨量監(jiān)測子系統(tǒng)雨量監(jiān)測采用全自動雨量站系統(tǒng)，將雨量站設(shè)置于尾礦壩值班房外。全自動雨量站系統(tǒng)通過485總線和以太網(wǎng)服務(wù)器模塊接入系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)由無線點對點設(shè)備與調(diào)度室在線監(jiān)測服務(wù)器相連。從在線監(jiān)測服務(wù)器可直接獲取雨量站的雨量信息。2.7庫區(qū)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)尾礦壩項目現(xiàn)場情況，視頻監(jiān)控采用視頻監(jiān)控一體機，布設(shè)在壩面、灘面部位，根據(jù)甲方要求，對溢水井、干灘區(qū)域、排沙口、庫區(qū)水位、壩體全貌、排水口、等部位進行視頻監(jiān)測。（如下圖）圖2-10視頻監(jiān)控3在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)包括值班房房數(shù)據(jù)站、礦調(diào)度室在線監(jiān)測數(shù)據(jù)處理站和系統(tǒng)無線子網(wǎng)絡(luò)。值班房數(shù)據(jù)站集中包括壩體內(nèi)部位移、壩體沉降位移、浸潤線和雨量等傳感器子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將傳感器總線信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，經(jīng)由無線點對點設(shè)備轉(zhuǎn)至系統(tǒng)子