基于北斗的尾矿库监测系统.docx-资料库

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基于北斗的尾矿库安全监测预警系统一、项目背景尾矿库是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。河南省有尾矿库 1000 余座，由于监测监控不完备、监测监控技术落后，专业监测人员缺乏等原因，政府主管部门和企业难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标，严重影响尾矿库的安全生产和安全管理水平的提高。基于北斗的尾矿库安全监测预警系统能够在线实时监测坝体位移、渗流、库水位、干滩、雨量和库区，是利用我国北斗、现代电子、信息、通信及计算机技术，实现对尾矿库监测指标数据实时、自动、连续采集、传输、管理及分析的监测技术。系统的运行能够为尾矿库日常安全管理及尾矿库安全运行提供服务，可以大幅度提高对于尾矿库溃坝灾害机理的认识水平，全面提高尾矿库安全监管和日常管理水平，增强企业、社会、政府对于尾矿库灾害的预警响应能力，建立更便于尾矿库运行期安全管理和风险控制的溃坝风险综合评判方法。二、系统设计 2.1 系统架构系统由现场监测系统、通讯系统、监控中心系统三部分构成。现场监测系统主要有各种监测设备、传感器等组成，负责监测数据的采集。通信系统负责将现场监测系统采集的数据上传给监控中心。监控中心的硬件平台上运行监测监控软件系统、分析及评估软件系统、手机短信报警等子系统，根据权限不同分为省、市、县、企业四级，省监控中心存储全省尾矿库的监测数据，市、县、企业根据授权通过网页登录的方式进行尾矿库安全监测。

图 1 系统结构示意图 2.2 系统功能（1）自动化监控功能系统能够实现监测数据自动采集、传输、存储、处理分析及综合预警，并具备在各种气候条件下实现适时监测的能力。（2）远程在线查看功能政府主管部门和企业各级尾矿库安全管理职能部门可以通过网络实现对尾矿库各项在线监测参数的查看。（3）在线分析功能安全监测管理分析模块应具备基础资料管理、各项监测内容适时显示发布、图形报表制作、数据分析、综合预警等功能。其中数据分析部分应包括各项监测内容趋势分析、综合过程线分析等内容。（4）预报警功能通过软件对监测参数的实时在线分析，一旦监控参数超限，系统能够进行声光报警、短信报警、邮件报警。提醒相关人员采取措施，预防溃坝事故发生。

（5）权限管理功能根据各级权限，各级监管部门可以不受时间和地点限制，只要登陆网络，即可实现对尾矿库的远程督导和检查。（6）应急救援保障功能通过尾矿库基础资料、应急预案、现场视频，为应急救援指挥提供技术保障。（7）系统应具有扩展功能系统在硬件配置及软件设计时应充分考虑随着堆积坝的增高，增加监测点后传感器的接入。 2.3 精度指标  表面位移：水平精度小于 3mm，垂直精度小于 5mm；  干滩测量：＜1m；  库水位： 5mm；  降雨量：优于 1mm；  视频监控：摄像机综合分辨率不低于 200 万像素。三、主要监测内容尾矿库安全监测主要包括位移、浸润线、库水位、干滩、雨量以及库区监测，根据尾矿库的实际情况可对监测内容做适当的调整。 3.1 表面位移监测采用北斗高精度 GNSS 接收机对尾矿库表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：各北斗监测点与参考点 GNSS 接收机实时接收北斗卫星信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器数据处理软件实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。北斗表面位移监测的误差水平为±2mm，高程方向为±3mm。

3.2 浸润线监测图 2 北斗接收机浸润线即渗流流网的自由水面线，是尾矿库安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，因此，对于浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一。浸润线监测采用振弦式渗压计。 3.3 库水位监测图 3 浸润线监测库水位监测的目的是根据其水位的高低可判断该库防洪能力是否满足安全要求。具体地说：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，对于库水位位置的把握可以直接防止尾矿库在汛期避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。库水位监测采用振弦式渗压计。 3.4 干滩监测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允许达到的干滩标高，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很不明显，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。滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高，是尾矿库安全监测需要测定的指标。干滩监测采用激光位移传感器或者超声波液位计。 3.5 雨量监测图 4 干滩监测库区降雨量的情况对于尾矿库坝体安全也有着至关重要的作用，是尾矿库安全在线监测的主要指标之一。降雨量监测采用雨量计。

3.6 库区监测图 5 雨量计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。四、通信系统通讯方式可以分为有线传输和无线传输。其中有线传输主要使用光纤通讯方式，使用光纤通讯方式要综合考虑通信长度，在具备通信条件的情况下，由于使用光纤具有传输稳定且不需要交流量费用，优先使用光纤传输，如果需要架设光纤距离较远，考虑到经济和衰减度，在不具备架设有线通信线路的条件，现场监测系统与监控中心间需采用无线通信方案。目前广泛应用的无线通讯技术主要有 GPRS/CDMA、数传电台、卫星通信、无线网桥。数传电台用于点对点或点对多点的工作环境，传输速率在 1200－ 19.2Kbps，传输距离可达 20－50km，具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。随着 GPRS/CDMA 技术的日渐成熟，设备价格的降低，在很多应用场合中数传电台被 GPRS/CDMA 所取代，由于 GPRS/CDMA 应该用广泛、基站覆盖面广，因此较少受到传输距离限制，加之 CDMA 技术的不断改进，目前的实际传输速率可达 1Mbps 以上。无线网桥是近几年兴起的数据传输技术，是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物，它通过在链路层实现 LAN 互联的存储转发设备，实现固定

数字设备与其他固定数字设备之间的远距离、高速无线组网，传输速率可达百 Mbps，传输距离可达 50km，但是要求各个设备之间要求能够通视。综合价格、安装维护、传输距离、传输速率因素，系统选用 GPRS /CDMA 通信方式，完成尾矿库与监控用户间通信。图 6 工业级 DTU 五、供电及雷电防护系统 5.1 供电系统供电方式主要有两种方式：市电和太阳能供电。在周边市电取电较为容易的情况下，由于市电较为稳定优先使用市电，更多的情况是尾矿库地处偏远，取电线路较远且成本较高，故使用太阳能供电。太阳能供电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。供电设备在 GNSS 参考站和监测点、及传输设备处均需配备。 5.2 雷电防护系统雷电由于瞬间可以产生高电压电磁脉冲，对没有相应保护措施的电缆（如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆等）会产生强烈的毁坏作用，最终导致损坏所连接的电子设备。而电涌是微秒量级的异常大电流脉冲，产生瞬间过压会完全破坏高集成度的半导体元器件，或大大缩短使用寿命。所以 GNSS 实时变形监测系统各 GNSS 站点必须安装防雷电系统，以保证设备的安全运行。

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