尾矿库在线自动监测系统解决方案

尾矿库在线自动监测系统解决方案 长沙三智电子 销售工程师： 肖光华 联系电话：2012 年 12 月 25 日 尾矿库安全监测系统 目录 第一章 前言 .1 第二章 设备介绍 .2 2.1 位移监测技术 2 2.2 浸润线监测 3 2.3 库水位监测技术 4 2.4 干滩监测 4 2.5 降水量监测 5 2.6 视频监控技术 6 2.7 远程监测单元（MCU） .6 2.8 数据采集器 7 第三章 原理 .8 3.1 监测系统的组成 8 3.2 监测中心数据处理与分析系统 8 3.3 现场信号监测仪器设备 .10 3.3.1 坝体浸润线测量传感器 .10 3.3.2 坝体内部变形测量传感器 .11 3.3.3 库水位测量传感器 .12 3.4 电源系统 .13 3.5 GPRS/CDMA 无线数据传输终端 .13 第四章 功能描述 15 4.1 尾矿库安全监测系统功能 .15 4.2 系统硬件基本功能 .15 4.3 系统软件主要功能 .15 .1.2 .1.1 0 0 第一章 前言 随着现代高科技的发展，尾矿库的日常监测管理也面临着更新换代。在我 国，尾矿库数量多、分布广，大部分尾矿库的管理是采用人工观测，不仅观测 精度受人员的经验及天气等自然因素的限制，不能进行全日实时的预警，存在 安全隐患，同时，资料数据的整理分析往往会滞后于生产运行，影响了安全生 产。尾矿库的安全监测对于加强尾矿库的安全监管，把握尾矿库的安全现状， 减少尾矿库的事故发生等具有重要意义。当前，我国尾矿库安全运行的主要技 术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期用传统仪器到 现场进行测量，安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的影 响，存在一定的系统误差和人工误差。同时，人工监测还存在不能及时监测尾 矿库的各项技术参数，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，这些都 将影响尾矿库的安全生产安全管理水平。 目前，我国很多矿山企业，尾矿库已运行了多年，库容量在逐渐减小，抵 制自然灾害的能力不断下降，安全隐患日益增多，尤其在雨季，洪水、滑坡、 溃坝隐患时刻威胁着尾矿坝的安全。因此，采用现代通信、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、自动监测，是对尾矿库的安全 监管一条必由之路。 具有信息化、实时化、网络化特点的尾矿库自动化监测系统的出现完全可 以解决这些问题， 投入使用自动化监测系统，可以及时直观的掌握坝体的实际 动态，进行安全评价、预警预报，为加固工程设计、管理及消除隐患提供依据， 为尾矿坝的安全监测与管理决策提供有力支持，发挥工程效益，实现安全生产。 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。此尾矿库安全自动化监测系统，具有精度高、性能稳定、可靠性高、 适应恶劣环境等特点，满足尾矿库实时、有效的安全监测需求。 尾矿库安全监测系统 1 第二章 设备介绍 对于尾矿库，主要的监测项目有以下几项： 2.1 位移监测技术 尾矿库发生溃坝灾害，坝体位移是灾害演化过程中直观反应指标。对坝体 下游坡变形的掌握，可以及时发现尾矿坝变形率和发展速度，并及时采取相应 对策措施。具体的监测方法主要采用满足测量精度的 GPS 系统，根据尾矿坝的 实际情况选择若干个监测断面，在每个断面最上面或初级坝坝顶安装一个 GPS 装置，在坝外稳定山体上建立 GPS 参考站，通过多个 GPS 装置，采用差分方法， 确定该处的绝对坐标。然后根据坝的高矮，在该点下的坝坡上均匀布置若干滑 坡监测点，其上随各级子坝的逐步形成增设若干滑坡监测点，总数约 410 个， 最下面一个点应设置在坝脚外 510m 范围内的地面上，以用于监测尾矿坝发生 整体滑动的可能性。通过位移计监测固定桩之间、固定桩与 GPS 装置之间的位 移变化，从而监测整个坝坡的位移，监控坝坡稳定。坝体位移定期检测技术定 期采用满足坝体位移测量精度的仪器通过测量布置在坝体上的固定桩之间、固 定桩与基准桩之间的位移变化，从而检测整个坝体的位移变化情况。依据尾 矿库安全技术规程要求，尾矿坝的位移监测每年不少于 4 次。 坝体位移监测 1）监测部位：在东坝最大坝高剖面 G1 和西坝最大坝高剖面 G2 的坝坡上各 布设 4 个监测点。4 个监测点的位置分别设在坝脚、第一、三、五期子坝顶上。 2）监测仪器：GPS 3）仪器数量：一个基站、八个测点。 坝内位移监测(如图 2.1) 1）监测部位：每个断面 3 个位移监测点。 2）监测仪器：固定测斜仪。 3）仪器数量：固定测斜仪（15 个），测斜管若干长度。 .1.2 .1.1 2 2 图 2.1 坝内位移监测 2.2 浸润线监测 坝体浸润线监测（如图 2.2） ，主要针对浸润线监测点的渗流压力 监测部位 选择了 Q1（位于钻孔 K1 以东 35m 处）、Q2（位于钻孔 K2 以东 35m 处） 、Q3（位于钻孔 K3 以东 35m 处）、Q4（位于钻孔 K4 以东 35m 处）。 在 Q1、Q3 剖面的第一、三、五期子坝顶各布设两个浸润线观测点（两点间距 0.5m ），每个点埋设 1 个传感器。第一期子坝顶两个传感器的埋深分别为 6m 和 10m（自孔口地面算起）；第三期子坝顶两个传感器的埋深分别为 8m 和 13m；第五期子坝顶两个传感器的埋深分别为 8m 和 15m。 在 Q2、Q4 剖面的第三、五期子坝顶各布设 1 个浸润线观测点，每个点埋设 1 个传感器。第三期子坝顶两个传感器的埋深分别为 13m；第五期子坝顶两个传 感器的埋深分别为 15m。 监测仪器 振弦式孔压传感器、渗压计。 仪器数量 振弦式孔压传感器（10 个），渗压计（6 个）。 尾矿库安全监测系统 3 图 2.2 浸润线监测 2.3 库水位监测技术 尾矿库内存有大量尾矿浆沉淀水，库水位监测目的是根据其水位高低可判 断是否满足安全要求。对于库水位位置的监控和把握，可以直接防止尾矿库在 汛期因洪水漫顶发生溃坝事故。具体的监测方法主要应用超声波,太阳能供电及 无线传输技术。监测系统能实时、自动监测尾矿库水位，实现尾矿库库水位采 集、储存数据的自动化，系统能自动跟踪监测，并及时发出预警，系统能绘制 库水位历史曲线图；能对任一时间内的库水位进行统计。依据尾矿库安全技 术规程要求，尾矿库水位检测，其测量误差应小于 20mm。 监测部位：尾矿库溢水塔上。 监测仪器：孔隙水压计（水位计）、雨量计。 仪器数量：1 个。 2.4 干滩监测 干滩监测（如图 2.3）内容包括滩顶高程、干滩长度。 滩顶高程测定 尾矿库滩顶高程的测点布设，应沿坝（滩）顶方向布置测点，当滩顶一端 高一端低时，应在低标高段选较低处检测 13 个点；当滩顶高低相同时，应选 较低处不少于 3 个点；其它情况，每 100m 坝长选较低处检测 12 个点，但总 数不少于 3 个点。各测点中最低点的标高作为尾矿库滩顶标高。滩顶高程根据 滩顶上升情况，定时做好检测，随时掌握滩顶高程，汛前必须检测一次。干 滩长度测定：视坝长及水边线弯曲情况，选干滩长度较短处布置 13 个断面。 测量断面应垂直于坝轴线布置，在几个测量结果中，选最小者作为该尾矿库的 沉积滩干滩长度。在干滩设立干滩长度标尺，干滩较长时以 50m 为间隔，较小 .1.2 .1.1 4 4 者以 10m 为间隔。在干滩长度发生较大变化时，实时检测，随时掌握干滩长度。 图 2.3 干滩监测 2.5 降水量监测 监测设备用雨量器。有条件时，可用自记雨量计、遥测雨量计或自动测报 雨量计。 检查内容构筑物有无变形、位移、损毁、淤堵，排水能力是否满足要求等。 检查次数 分为日常巡视检查、定期巡视检查和特别巡视检查三类。 日常巡视检查：在尾矿库生产运行期，宜每天或每两天一次；但每周 不少于两次；尾矿库闭库后，一般宜每周一次，或每月不少于两次，但汛期应 增加次数。 年度巡视检查：在每年的汛前汛后、冰冻较重的地区的冰冻期和融冰 期、有蚁害地区的白蚁活动显著期等，由管理单位负责人组织领导，对尾矿库 进行比较全面或专门的巡视检查。视地区不同而异，一般每年不少于二至三次。 特别巡视捡查：当尾矿库遇到严重影响安全运行的情况（如发生暴雨、 尾矿库安全监测系统 5 洪水、地震、强热带风暴，以及库水位骤升骤降或持续高水位等)、发生比较严 重的破坏现象或出现其他危险迹象时，应由主管单位负责组织特别检查，必要 时应组织专人对可能出现险情的部位进行连续监视。 2.6 视频监控技术 可监视并记录指定监测点的视频图像。 尾矿库视频监控主要用来取代人工坝区日常巡检，实时掌握尾矿库库区的情 况和运行状况。通常在坝体、排洪口、溢水塔、滩顶放矿处、坝体下游坡等重 要部位设置视频监控装置，通过现场摄像及数据传输系统，在主控制机能够高 清晰的观察尾矿库生产放矿及筑坝等运行情况。 根据实际情况，可以选择其中重点监测项目，还可以增加必要的监测项目。 2.7 远程监测单元（MCU） 远程监测单元（MCU）系统主要由数据采集系统、电源系统、GPRS/CDMA 无 线数据传输终端、防雷器件、接线与通讯接口、防水工业机箱等组成。 各种传感器信号按顺序接入输入信号模块中，经由防雷板处理后，进入 DT 采集器中传感器采集通道，采集的数据通过串口与 GPRS/CDMA 无线数据传输终 端连接后，便可按 TCP/IP 协议远程与数据存储与处理系统进行通讯了。远程监 测单元的工作、结构示意图如图 2.4。 图 2.4 远程监测单元 .1.2 .1.1 6 6 2.8 数据采集器 采用长沙三智科技有限公司生产的岩土智能可编程数据采集器及其扩展模 块。 有如下特点：支持振弦式及其它岩土型传感器，独立工作或使用强大的内 置通讯选项组网，以各种期望的方式及地点访问数据； 支持 U 盘；坚固的设计 与结构，提供了在极端的岩土环境应用下可靠的操作；低成本高效，具有 524 个模拟通道。 可以连接到大部分的传感器和数据测量设备，包括智能传感器。测量 结果可以被比例缩放，存储以及返回工程单位或者进行统计报表。所有通道都 可以进行报警设置。支持 Windows 版软件。 各种通道扩展模块，它具有紧凑小巧的尺寸，极低的能耗，可以低成本方 式增加数据采集器通道，每个连接到数据采集器模拟通道的 MCU 都可以扩展 20 个模拟通道。 尾矿库安全监测系统 7 第三章 原理 3.1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。技术构架图如图 3.1 所示： 图 3.1 尾矿库现场监测仪器设备 3.2 监测中心数据处理与分析系统 监测系统安装在具有奔腾 4 处理器（或以上）及 Windows XP（或以上）操 作系统的主机上，主机安装在具有网络系统的场所内，通过互联网对采集器传 .1.2 .1.1 8 8 送来的数据进行分析、处理，对各种测量参数进行实时监测和记录，与服务器 端数据库进行通讯。 三智监测软件是信息管理及分析软件，主要用于实时监测坝体参数并进行 监测资料分析，具体包括单点或多点数据显示、浏览过程线及图形绘制等功能 界面。该软件完全按照 dataTaker 集成、简约、方便的设计理念进行设计，并 对于接入系统的传感器进行了优化管理。用户在使用的时候，仅仅只需要点击 软件界面的可视化按钮，就能轻松管理一个或者多个 MCU，展现给用户的是操 作简单、功能健全、易于管理、简洁实用的自动采集监测系统软件。本系统软 件已成功运行于多个采集管理数据的监测项目上，是一套比较成熟的数据自动 采集监测系统软件。 软件的架构图 3.2 所示： 图 3.2 软件架构图 尾矿库安全监测系统 9 监测系统软件安装在具有良好开放性、可扩充性和高可靠性的符合开放系 统互联标准的中文 WINDOWS XP 或以上操作系统，构建于时下流行的.NET 框架 3.5 最新版本基础上，数据库兼容当前通用的多种流行数据库，系统支持 ACCESS、SQLSERVER 或 ORACLE，或可根据客户的要求定制。主机需安装在具有 路由功能的网络系统场所内，以便更迅捷的通过互联网或手机网络对采集器传 送来的数据进行分析、处理、记录、导出等处理。监控中心还可按需配置打印 机、服务器等相关设备。 3.3 现场信号监测仪器设备 现场信号传感器按监测项目参数的性质主要有以下三个部分： 1) 坝体浸润线测量传感器，可采用渗压计。 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 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。土壤含水量的测量可选用含水计。 以下介绍了一些可应用在尾矿库安全监测系统中的性能可靠的监测仪器设 备，在实际应用中还可根据实际的环境、范围以及使用成本选用适合的仪器。 3.3.1 坝体浸润线测量传感器 对于坝体浸润线的监测，一般选择尾矿库坝上最大断面或者一旦发生事故 将对下游造成重大危害的断面为监测剖面。大型尾矿库在一些薄坝段也应设有 监测剖面。每个监测剖面应设置 5 个以上的监测点，并应根据设计资料中坝体 下游坡处的孔隙水压力变化梯度灵活选择监测点。 垂直方向含水量测量处可选用长沙三智公司的系列弦式渗压计用来测量孔 隙水压力。 渗压计是一个振动膜压力传感器，传感元件是把柔软的压力膜焊接在坚固 的圆柱体空腔上而组成的，除振弦外的所有部分都是由高强不锈钢组成，高强 度的振动弦一端夹在膜的中间，其另一端夹在空腔的另一端，在制造过程中振 弦预紧到一定的张力状态然后密封确保寿命和稳定。 传感器安装有防水保护：防水接头、陶瓷、带 O 型线圈的防水头。使用过 程中，压力导致膜的变形而使弦的张紧度和共振频率改变，采用渗压计的压力 .1.2 .1.1 10 10 计算公式便可以计算压力。PWL 型渗压计直径较小，可以安装在土体和混凝土 中或者安装在钻孔中，甚至直径小到 38mm 的管内。渗压计内有压力传感器和温 度电阻，其一端装有高通或低通过滤器，另一端是电缆接口，用环氧密封。所 有部件都由不锈钢制造而成。渗压计的过滤器用 O 型线圈密封，由于有过滤器 的隔离作用，压力膜可以免遭外界微小颗粒的破坏，传感器就仅仅可以测量到 液体的压力。在需要率定和浸润饱和时过滤器可以很容易卸开，当作为压力传 感器使用时，可以用管螺纹接头代替过滤器。 技术规格: 测量范围 0.170Mpa 或 1510000psi 精度 0.1%F.S.(0.5%和 0.25%选项) 温度飘移 0.1%F.S./C 最大超载 两倍量程范围 材料 不锈钢 外径(mm) 19 33 19 28 长度(mm) 200 260 213 225 透水石 50 微米低气压烧结的不锈钢式 16 微米高气压的陶瓷式 测量范围 -4065C 精度 0.5%F.S. 热感应电阻热常量 1 分/C（2 分/F） 电缆 标准 双绞线 22AWG，IRC-41 屏蔽式 备选 双绞屏蔽线，中心有合成纤维（2PK-13 或 2PK-15） 浸润线监测仪器埋设位置的选择，应根据尾矿库安全技术规程 （AQ20062005）中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。 3.3.2 坝体内部变形测量传感器 对于坝体内部变形，一般在最大坝高处、地基地形地质变化较大处均布置 监测剖面。每个剖面上根据坝的高矮，在坝坡表面从上到下均匀设置 46 个监 测点。最下面一个点应设置在坝脚外 510m 范围内的地面上，以用于监测尾矿 尾矿库安全监测系统 11 坝发生整体滑动的可能性。可选用三智公司的固定测斜仪来测量坝体内部变形。 固定测斜仪由一个玻璃瓶和装入瓶内的 5 个内置电极组成，当传感器倾斜时， 电极的浸入深度不同，电极之间的直流电阻就不同，因而四个象限的电极就可 以测量平面 X 和 Y 方向的倾斜。输出信号为直流电压，并且和倾斜量及温度成 正比。固定测斜仪可以多个串接安装，固定测斜仪的导向片可以用于保证传感 器在管内的安装方向，通常安装在孔深小于 45 米的浅孔内监测结构位移。 主要技术参数: 轴数 2 分辨率 20 弧秒 (0.01mm/m) 角量程 12.5 响应时间 0.15 秒 工作温度 -10+50 输出电压 2.5 V DC or 0-5 V DC 比例因子 大约 4/V 温度传感器 输出为 0.1/mV，0mV=0精度：0.75 输出电阻 270 ohms，短路保护 电源要求 8 24 VDC/7mA，最大纹波 Vp-p=250mV，电压极性反转保护 外部连接 多芯镀锡铜线电缆 尺寸及重量 33mm208mm，最大规格长 3 米 3.3.3 库水位测量传感器 对于库水位的测量，一般在库内排水构筑物上放置合适量程水位计。库内 排水构筑物一般位于尾矿库内，排水构筑物周边为尾矿澄清水，因此需要在监 测系统布置前，针对特定尾矿库的实际情况选择放置。可选用投入式水位计， 该产品采用美国原装高精度扩散硅不锈钢隔离膜传感器及专用转换电路，吸收 引进国外先进的生产工艺和设备，确保产品能够长期稳定可靠地在水中及其它 液体介质中使用。 主要特点: .1.2 .1.1 12 12 产品精度高，长期稳定性好，测量范围宽，可靠性强；业界领先的激光全 焊接结构，无 O 形圈密封结构，确保产品长期使用无渗漏；全固定结构，抗冲 击震动；防射频，防雷击设计；过电压，反极性，限流等多重保护。 技术指标: 测量范围: 010 mH2O 供电电源: 12V DC 工作温度: -4080 精度：0.5% 3.4 电源系统 可提供两种供电方式供实际选择： 1）利用现场供电，采用高精度线性 1124VDC 开关电源，可为数据采集器 和传感器供电 2）采用外部 15V 太阳能板为系统供电。 3.5 GPRS/CDMA 无线数据传输终端 采用三智无线数据传输终端。三智无线数据传输终端可为用户提供高速、 永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，利用手机 GPRS 网络或 CDMA 网络平台实现数据信息的透明传输。支持根据域名和 IP 地址访问中心多 种工作模式选择，支持串口软件升级和远程维护，使用方便、灵活，特别适用 于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶 尔的大数据量传输。 无线数据传输终端的技术指标如下： 1) 产品特点： 采用低功耗高性能的嵌入式处理器，可高速处理协议和大量数据； 内嵌标 准的 TCP/IP 协议栈，数据终端永远在线；支持全透明方式下多中心数据传输； 支持根据域名和 IP 地址访问中心；多种工作模式选择，使用方便、灵活，方 便的系统配置和维护接口；软硬件看门狗设计，保证系统稳定；采用 5V35V 电压，供电电源适应性更宽；抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求。 2) 接口： 天线接口：50 SMA(阴头)； 尾矿库安全监测系统 13 SIM 卡：3V/5V，自动检测； 接收灵敏度：-104dbm； 发射功率：CLASS4 (2W)/GSM(900)、CLASS1(1W)/GSM(1800)； 串口数据接口：RS-232/485； 串口速率： 110115200bps 可选。 3) 电源： 供电电压：标准 DC12V/24V； 可调电压范围：DC+5V+35V； 工作电流：待机时电流小于 30mA，发射时峰值电流小于 200 mA。 4) 环境参数： 工作温度：-30+65； 存储温度：-40+85； 相对湿度：95%(无凝结)。 第四章 功能描述 4.1 尾矿库安全监测系统功能 由于尾矿库空间结构层次较多、野外环境复杂，想获得反映整个尾矿库安 全状态的参数，必须在各个重要测点安装很多测试相关仪器设备，数据采集设 .1.2 .1.1 14 14 备不仅具有一定远距离数据采集和传输能力，还要有适于野外长期监测的各种 功能，具备准稳、低功耗、防雷、安装快捷、数据无线传输等特点。硬