尾矿库安全监测系统

由作者于 2022年06月30日

1.概述
　　尾矿库是指指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。
尾矿库的类型

　　尾矿库是指指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。

1、山谷型尾矿库
　　山谷型尾矿库是在山谷谷口处筑坝形成的尾矿库。它的特点是初期坝相对较短，坝体工程量较小，后期尾矿堆坝相对较易管理维护，当堆坝较高时，可获得较大的库容；库区纵深较长，尾矿水澄清距离及干滩长度易满足设计要求；但汇水面积较大时，排洪设施工程量相对较大。我国现有的大、中型尾矿库大多属于这种类型。

2、傍山型尾矿库
　　傍山型尾矿库是在山坡脚下依山筑坝所围成的尾矿库。它的特点是初期坝相对较长,初期坝和后期尾矿堆坝工程量较大；由于库区纵深较短，尾矿水澄清距离及干滩长度受到限制，后期坝堆的高度一般不太高，故库容较小；汇水面积虽小，但调洪能力较低，排洪设施的进水构筑物较大；由于尾矿水的澄清条件和防洪控制条件较差，管理、维护相对比较复杂。国内低山丘陵地区中小矿山常选用这种类型尾矿库。

3、平地型尾矿库
　　平地型尾矿库是在平缓地形周边筑坝围成的尾矿库。其特点是初期坝和后期尾矿堆坝工程量大，维护管理比较麻烦；由于周边堆坝，库区面积越来越小，尾矿沉积滩坡度越来越缓，因而澄清距离、干滩长度以及调洪能力都随之减少，堆坝高度受到限制，一般不高；但汇水面积小，排水构筑物相对较小；国内平原或沙漠戈壁地区常采用这类尾矿库。

4、截河型尾矿库
　　截河型尾矿库是截取一段河床，在其上、下游两端分别筑坝形成的尾矿库。有的在宽浅式河床上留出一定的流水宽度，三面筑坝围成尾矿库，也属此类。它的特点是不占农田；库区汇水面积不太大，但尾矿库上游的汇水面积通常很大，库内和库上游都要设置排水系统，配置较复杂，规模庞大。这种类型的尾矿库维护管理比较复杂，国内采用的不多。

1-2放矿方式
（1）上游法筑坝工艺
     上游法筑坝工艺是中国铁矿石选矿厂较为普遍采用的技术，投资少、管理方便。它是通过分散放矿管，将尾矿矿浆在坝前分散放矿，以形成尾矿库自然沉积滩，然后在尾矿沉积滩上利用尾矿砂修筑子坝，随着尾矿不断的沉积，子坝逐年加高，并向库内收坡（一般按1∶4～1∶6收坡），最后在坝面覆盖山土形成尾矿坝。
（2）下游法筑坝工艺
     下游筑坝法是采用水力旋流器对尾矿矿浆进行分级，高浓度（60%以上）的沉砂用来加宽和加高坝体，并由初期坝向外放坡，最后形成沉砂坝。水力旋流器溢流储存于尾矿库。用下游法修建的尾矿库由于沉砂坝体物料粒度粗，且组成均匀，渗透性良好，而有利于坝体的稳定。该法要求沉砂坝与尾矿矿泥库存面的升高保持平衡，以确保防洪高度，否则易发生洪水漫顶事故。
（3）中线法筑坝工艺
      中线法筑坝工艺与下游法筑坝工艺基本相同，也是对尾矿进行分级，粗粒尾矿用于筑坝，细粒尾矿存入尾矿库。不同处是下游法的沉砂坝由初期坝向外放坡，而中线法的沉砂坝则沿初期坝轴线不变。由于中线法的沉砂坝上游坝逐年压在库内尾矿沉砂沉积滩上，这就大大减少沉砂坝粗粒尾矿用量，减少沉砂坝的后期坝外宽度，从而减少基建工程量，降低投资。
（4）浓缩放矿法筑坝技术
     该工艺是将尾矿矿浆浓缩，使浓度达65%或更高，然后通过隔膜泵将浓缩后的尾矿输送至尾矿场中央定点排放。由于尾矿浓度高，可全部呈浆状沉积，不会产生分级现象，故在排放点下方形成圆锥形小丘。随着尾矿的不断排放，小丘逐渐升高并扩大，每隔2～3a抬高一次尾矿排放管道，最终形成尾矿沉积丘。该工艺优点是基建工程量小，投资少，所形成的尾矿丘类似于砂丘，不受洪水、坝体渗透水等不利因素的影响，还可减少渗透水、尾矿库排放水和粉尘等对周围环境的污染。但是当尾矿浓度小于60%时，无法形成尾矿丘。该工艺尚处在试验阶段。
（5）干法筑坝工艺
    干法筑坝工艺是先将尾矿矿浆浓缩过滤使其浓度达85%左右。这种近似干尾矿可用皮带、矿车运到选矿厂附近的山沟、山坡或滩地堆存起来形成坝堆。也可用于制砖、制水泥和填坑造地等。

2.监测目的
　　通过对尾矿库进行自动化的安全监测，分析坝体的结构健康状态，及时发现不正常现象并提出警示，评估结构的可靠性，为尾矿库的管理与维护等提供数据依据。
3.依据的标准与规范
　　整个系统的规范标准的制订完全遵照国家规范标准和有关行业的规定要求，参照的标准和规程规范为：
　　1)《尾矿库安全监测技术规范[2]》 AQ2030-2010
　　2)《尾矿库安全监督管理规定》(国家安全生产监督管理总局令第6号)
　　3)《土石坝安全监测技术规范》SL60-94
　　4)《岩土工程勘察规范》GB50021-2001
　　5)《岩土工程监测规范》YS5229-96
　　6)《碾压式土石坝设计规范》DL/T5395-2007
　　7)《工程测量规范》GB50026-2007
　　8)《国家三、四等水准测量规范》GBl2898-91
　　9)《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91

3.监测项目：
    尾矿库安全在线监测系统监测主要内容包括：
    ● 坝体位移（表面和内部）
    ● 浸润线
    ● 干滩长、安全超高
    ● 库水位
    ● 降水量
    ● 库区视频影像
   根据实际情况，还可以增加必要的监测项目。
通过采用多种现代高新技术，对传统的人工安全监测进行改造，通过采集尾矿库与安全相关的动态信息，实时监控尾矿库的运行，从而形成一种信息化、自动化的新型现代安全监控系统和全方位的安全管理控制自动化决策平台。

4.监测系统简介：
尾矿库安全在线监测系统的实施范围是在尾矿库建立一整套远程自动化安全监测分析评价预报系统，包括利用动态监测仪对尾矿库的实时安全监测、尾矿库与企业办公楼监控中心之间的通信子系统、监控中心计算机系统和web查询报表系统。
建立尾矿库安全监控、安全分析评价，安全预警，安全指挥管理系统，对尾矿库的安全状态进行实时的监测、分析与预报，确保尾矿库的安全。

５.尾矿库安全监测系统功能
５.1 系统硬件基本功能
　　1）可根据客户提供的监测模型，确定监测参量，配备尾矿库安全监测所需的各种测试仪器设备，满足测试项目的需求和测试精度。
　　2) 配备远程监测单元（MCU）和其他监测设备的机箱、电缆及接口装置以符合实际监测环境，系统具有电源保护装置、避雷装置等硬件设备，把信号受干扰程度降至最低，尽量减少系统的安装误差。
　　3）选用适当的数据通讯方式，可采用有线和无线两种方式与监测中心通讯。对于有线方式，可采用一般电缆通讯或光纤通讯，可实现串口通讯、网络通讯或其他有线通讯方式。对于无线方式，可实现GPRS或CDMA网络通讯的数据传输，数据采用全透明方式，同时具有报警管理系统，简捷得知设备运行状况，完成远程控制的需要。
　　4）保障尾矿库安全监测系统各个仪器设备的正常运行，满足今后系统在硬件节点的增加等要求。
５.2 系统软件主要功能
　　1）可实时监测尾矿库的各测点传感器，可自定采集时间，并对原始数据进行滤波、计算等处理,数据以数字或相应曲线、图等形式实时显示、记录和打印。
　　2）监测数据能够保存在多种数据库内，并可进行历史数据查询，生成选定时间段内的传感器最大最小值，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。
　　3）软件界面清晰直观，工具条与按钮操作。以主界面和各子界面形式显示，各界面间切换灵活，界面图案可按客户要求绘制改动。
　　4）数据可以各种图形方式显示，包括浸润线、库水位、坝体内部变形、降雨量等的时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式，同时可存储与处理视频图像。
　　5）具有数据越限报警设置显示功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示或手机报警。
　　6）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系统访问、操作权限级别。用户登录后的操作将写入系统日志，保障运行系统的安全性。
　　7）系统满足开放性标准的要求，方便系统功能的添加、删除、维护、修改、扩展。兼容当前流行的多种数据库，包括Access、SqlServer、Oracle，并满足数据库容量的扩充、系统软件功能的增强等方面的要求。
６.监测系统的组成
　　尾矿库安全监测系统主要由现场信号监测仪器设备、远程监测单元、监测中心数据处理与分析三部分构成。技术构架图如下所示：

６.1 现场信号监测仪器设备
　　现场监测仪器设备按监测项目参数的性质主要有以下六个部分：
　　1)坝体浸润线及渗流测量传感器，可采用孔隙水压力计结合量水堰计。
　　2)坝体内部变形测量传感器，可采用固定式测斜仪。坝体或地表变形位移测量，可采用水平、沉降位移传感器或GPS位移监测系统。
　　3)库水位测量传感器，可采用适于水位量程的水位计。
　　4)干滩长度监测系统，采用干滩监测仪系统，结合水位计计算。
　　5)对于气象测量，降水量的测量可采用雨量计。

６.1.１坝体浸润线及渗流监测仪器
　　1）坝体浸润线的监测----弦式孔隙水压力计
　　2）坝体渗流监测----弦式孔隙水压力计、量水堰流计

６.1.２坝体变形测量仪器设备
　　1）坝体内部变形位移测量-----固定测斜仪、垂线坐标仪等。
　　2）坝体表面变形位移监测-----GPS变形监测系统、静力水准仪、引张线仪等。

６.1.３库水位监测传感器
　　1）投入式水位计
2）激光水位计
　　3）超声波水位计
4）浮子式水位计
６.1.４干滩监测系统设备
1）激光测距仪
2）超声波测距仪

６.1.５降雨量测量传感器
　　1）翻斗式雨量计
2）电子式雨量计
６.2 远程监测单元（ MCU）
　　远程监测单元的工作、结构示意图如下：

６.2.1数据自动采集单元
　　采用我公司生产的XHY-MCUxx型自动综合数据采集单元
６.2.2电源系统
　　1)就近引设电源
　　2)外部24V太阳能供电系统
　　3)小型风力发电机系统
　　4)风光互补供电系统
６.2.３GPRS/CDMA无线数据传输终端

６.2.４防雷器件及接地装置
６.2.５密封保护机箱

６.3 监测单元的配置容量
　　远程监测单元的容量可以根据实际监测目标的多少进行配置，系统内部数据采集器的选用与联网方式也会有所不同。如果尾矿库的测量范围大，监测点数多，或者还需对其加固效果或水文气象等诸多参量进行监测，那么系统可按以下三种方式扩容：
　　1）直接在远程监测单元MCU内部增加相应扩展模块，也可采用内部RS485组网连接方式。
　　2）按监测单元位置或功能增加并划分远程监测单元MCU的数量，监测中心与各MCU单元用TCP/IP无线网络、RS-485数据总线或光纤等形式组成分布式数据采集网络，通过监测中心软件进行数据管理。
６.4监测中心数据处理与分析系统