尾矿库安全预警系统设计

欧阳伟，刘忠民

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031；2.南昌航空大学，江西南昌 330031）

尾矿库安全预警系统设计

欧阳伟1，刘忠民2

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031；2.南昌航空大学，江西南昌 330031）

金属矿山尾矿库的在线监测系统对尾矿库安全运行的保障并不充分,因此建立了适应极端气象的尾矿库在线监测系统,同时开发了基于尾矿库小流域精细化气象（降雨）预报的“尾矿库安全预警系统”。该系统实现了根据气象（降雨）预报提前3天对库水位进行预测,同时依据实时监测数据、预测数据,对安全进行综合评估,当不安全因素达到设定值时发出预警，并提示应急措施。这种融在线监测、预测、评估、预警为一体的复合系统能保证尾矿库的安全运行。

尾矿库;在线监测系统;极端气象;安全预警系统;预测;评估

1 尾矿库安全预警系统的必要性

由于历史原因，金属矿山已投入使用的尾矿库的监测系统相对落后，许多尾矿库的安全管理依旧停留在人工阶段，缺乏综合性的安全管理平台。建国以来，我国金属矿山尾矿库在极端气象灾害下共发生过溃坝68座，损失巨大。进入21世纪以来，受全球气候变化的影响，极端气象事件日益增多，尤其是近几年来，强降雨等极端天气造成的金属矿山尾矿库垮塌灾害已导致人员死亡数百余人，直接经济损失数十亿元。

近年来，新修订的《尾矿库安全监督管理规定》明确提出：“鼓励生产经营单位应用尾矿库在线监测……,一等、二等、三等尾矿库应当安装在线监测系统”。目前，部分国有大型矿山企业开始实施尾矿库在线监测系统[1-2]，以实现对尾矿库的重要运行数据（包括库水位、库区降雨量、坝体水平和垂直位移、坝体分层沉降和总沉降、坝体浸润线、坝体渗流量、干滩长度、库区视频监测等）进行实时采集、传输、计算和分析。

然而，即使在金属矿山尾矿库中安装了在线监测系统，其对尾矿库安全运行的保障仍是不充分的。原因在于像尾矿库这种特小的汇水面积，汇流历时很短（在1 h左右），一旦遇到强降雨，在没有超前预报的情况下，就不能为应急处理留下充足的时间。为此，由中国瑞林工程技术有限公司负责的国家十二五科技支撑计划“极端气象条件下金属矿山尾矿库防灾技术研究”课题组在课题示范基地（江西铜业集团银山矿业老尾矿库）建立了适应极端气象的尾矿库在线监测系统，同时开发了基于尾矿库小流域精细化气象（降雨）预报“尾矿库安全预警系统”。

该系统的特点如下：1）基于尾矿库区小流域的精细化气象（降雨）预报；2）通过气象超前（降雨）预报来模拟出降雨、径流过程,并结合库水位—泄流模型、库水位—渗流模型,预测未来3 d尾矿库库水位；3）依据尾矿库的重要运行数据（在线监测的及预测的）对尾矿库安全进行评估,从系统整体安全角度出发,结合影响尾矿库安全的主要因素和综合管理情况,提出了尾矿库安全性三级评价指标体系和模糊综合评价方法。

示范基地尾矿库的安全运行既实现了在线监测系统对重要运行数据的实时监控，其“尾矿库安全预警系统”也实现了根据气象（降雨）预报提前3天对库水位进行预测，同时依据实时监测数据、预测数据，对安全进行综合评估，当不安全因素达到设定值时发出预警，并提示应急措施。本研究认为这种融在线监测、预测、评估、预警为一体的复合系统才能真正保证尾矿库运行安全。

2 尾矿库安全预警系统总体设计

2.1 系统总体结构

系统总体结构见图1。系统由多个单位协作开发而成，图中所示的浸润线计算、三级预警系统分别由南昌大学和中南大学开发，泄流计算、径流计算、溃坝计算和预测库水位计算由中国瑞林负责开发。

图1 系统总体结构

其中泄流计算模块形成库水位与泄流量的函数关系，供预测库水位计算模块调用；径流计算模块根据江西省气象局推送到现场数据库服务器上的未来3天气象预测数据计算出未来3天的一次洪水总量和洪峰流量，供预测库水位模块调用；溃坝计算根据预先设定的参数进行有关溃坝的计算供设计人员和用户参考；预测库水位计算模块根据泄流量与库水位之间的函数关系和计算出来的一次洪水总量，完成对库水位的预测计算，并将预测的库水位和对应的一次洪水总量、洪峰流量信息保存到指定的数据库表格中，供中南大学负责的三级预警系统模块读取，并最终由中南大学预警模块显示出预测结果，并在需要时做出预警。

2.2 网络环境设计

本系统采用C/S结构,现场安装时,将由中南大学负责提供1台数据库服务器,其客户端系统也安装在这台服务器上,同时北京矿冶研究总院还将提供1台尾矿库安全监控系统的数据库服务器，这些服务器或计算机都连接到现场的同一个LAN（或子网）中。

江西省气象局需要通过因特网将气象预测数据推送到现场数据库服务器上。另外，为了远程调试和远程维护的方便，需要通过外网访问现场的两台数据库服务器，设计时经与银山铅锌矿商议，为这两台数据库服务器分别做端口映射[3]，具体将银山铅锌矿的公网IP地址220.176.195.200的1533端口映射到北矿院数据库服务器的1433端口，即通过IP地址220.176.195.200的1533端口可以访问北矿院的SQL Server 2008数据库服务器；将220.176.195.200的1633端口映射到中南大学数据库服务器的1433端口，即通过IP地址220.176.195.200的1633端口可以访问中南大学的SQL Server 2008数据库服务器。

把尾矿库安全预警系统相关部分加入到北矿院的安全监控网络中形成的总的网络拓扑结构如图2所示。

图2 尾矿坝安全预警系统网络拓扑总结构

2.3 总体界面设计

登录成功后进入总体界面，系统总体界面设计如图3所示。通过菜单可以分别执行泄流计算、径流计算、溃坝计算、预测库水位计算、浸润线计算和三级预警系统功能。

图3 系统总体界面

3 相关水工模型的实现

3.1 泄流量计算

系统的泄流量计算部分分为以下模块：调整排水井1泄流计算参数、调整排水井2泄流计算参数、绘制排水井1各泄流函数曲线、绘制排水井2各泄流函数曲线、计算井1泄流能力数据表、计算井2泄流能力数据表。

调整泄流量参数模块的处理流程如图4。绘制排水井各泄流函数曲线模块的大致处理流程见图5。

图4 调整泄流量参数执行流程

图5 查看泄流量公式及泄流曲线绘制模块执行流程

泄流计算包括自由泄流模块（函数）、孔口泄流模块（函数）、半压力流模块（函数）、压力流模块（函数）和最终泄流量计算模块，以函数形式存在，在实际使用时调用本函数。泄流量计算模块体现为一个函数，输入“库水位”，函数返回值为单位时间泄流量，即泄流速率。函数原型如下：float floodreleaserate (float waterlevel)。

在函数内部，以参数waterlevel传入的库水位值为实际参数，分别调用自由泄流函数、孔口泄流函数、半压力流函数和压力流函数，在对4种泄流函数返回值的自动比较基础上，取值最小的函数返回值作为最终的泄流量计算函数值并返回。

3.2 径流计算

系统的径流计算部分分为2个模块：调整全国通用公式参数、调整银山矿汇流参数。下文分别根据全国通用公式和银山矿汇流公式进行设计。

3.2.1 调整全国通用公式参数模块

点击系统菜单项“调整全国通用公式参数”进入调整全国通用公式参数模块，界面设计见图6，在界面中嵌入了计算功能，计算结果一并在界面上显示。

图6 调整全国通用公式参数界面

3.2.2 调整银山矿汇流参数模块

点击系统菜单项“调整银山矿汇流参数”进入调整银山矿汇流参数模块，界面设计见图7，在界面中嵌入了计算功能，计算结果一并在界面上显示。

图7 调整银山矿汇流参数界面

3.3 溃坝计算

系统的溃坝计算根据输入的参数值，根据一定计算模型计算溃坝最可能的宽度、最大泄流量及估算溃坝泄沙时间，分别按5种计算模型计算溃坝最大下泄距离，根据坝高计算距离初期坝距离从0~ 5.0 km7个距离下的溃坝淤砂厚度，输出计算结果。

点击系统菜单项 “溃坝计算”进入溃坝计算模块，界面设计见图8，在界面中嵌入了计算功能，计算结果一并在界面上显示。

图8 溃坝计算界面

3.4 预测库水位计算

本部分的输入之一是来自江西省气象局的气象预测数据，包括1天两次（8：00时和20：00时）的常规气象预报和极端气象情况下的更短周期的紧急气象预报数据；另一个是尾矿坝的实时库水位监测数据。气象数据粒度为1 h，预报未来银山矿地区72 h的降雨量情况。

根据气象预报数据，利用前文的径流计算模型计算出未来3天的一次洪水总量和洪峰流量，再将未来第1天的一次洪水总量以实时库水位为基准加入到库中，根据银山铅锌矿调洪库容计算出第一个预测库水位，再将第一个预测库水位经过24 h泄流后的库水位为基准库水位，将未来第2天的一次洪水总量加入到库中，计算出第二个预测库水位，再将第二个预测库水位经过24 h泄流后的库水位为基准库水位，将未来第3天的一次洪水总量加入到库中，计算出第三个预测库水位。将三个预测库水位和对应的一次洪水总量及洪峰流量值写入到数据库对应数据表中，供中南大学负责模块调用。

3.5 浸润线计算（渗流分析计算子系统）基本功能

根据尾矿坝材料的渗透性，利用数值分析方法实时分析出不同库水位下尾矿坝渗流场分布。提取出尾矿坝重要位置渗透特性要素（如渗透水头等）进行安全预报预警,完成：1）渗透系数反演分析研究；2）建立尾矿库库水位~渗流模型；3）开发出可视化的渗流分析前处理及后处理界面。可视化前处理按钮具有调用尾矿坝地质断面、调洪演算计算结果功能；可视化后处理按钮具有调用任意位置的压力水头、渗流速度、渗透坡降、浸润线高度等能力。

4 尾矿库安全三级预警子系统主要功能

尾矿库安全三级预警子系统主要功能包括：1）参数监测。利用通讯技术从现场集散控制系统获取实时坝体稳定性二级指标信息，采用列表和曲线的形式对工况参数的实时和历史数据进行显示，并将关键的工况参数制作成报表进行打印。2）安全评估。给出尾矿库安全性三级评价指标体系中二级指标和三级指标的实时评估分数和预警状态，并以此来确定最终的尾矿库安全评估分数和预警等级。3）预警预报。显示尾矿库安全状态的预警等级、预警原因、决策方案。4）数据库管理。对系统的数据进行存储备份后可以执行查询、修改、删除等操作。5）参数设置。包括尾矿库基本信息、算法参数、隶属度函数阈值、二级指标隶属度函数。

5 结语

“尾矿库安全预警系统”针对可能超过设计洪水标准的降雨，由江西省气象台开发的“极端气象条件下尾矿库气象风险预警系统”提供72 h、24 h、12 h、6 h和3 h的多时段预报降水过程，暴雨预警时间>1 h。并且,该系统还通过网络将参数直接传输到课题示范单位银山矿业选矿中心监控室进行计算。目前，“极端气象条件下尾矿库气象风险预警系统”已通过第三方测试，“尾矿库安全预警系统”也已通过第三方检测,评测结论：“…库水位预测模块从读取数据库气象局降雨量数据、计算库水位并将最终计算结果保存至数据库,经三级预警模块实现综合评估并预警,累计耗时约10 min.…”基于气象暴雨预警时间为1 h,实现了溃坝水位预警时间>30 min约束性指标[4]。

实践证明，本系统与可靠的在线监测系相结合，可以使尾矿库运行得到及时的气象预警、预报，以及安全预测、评估、预警，最大限度地减少自然灾害对企业生产和人民生命财产安全带来的损失，有很大市场需求。

参考资料

[1] 陈凯,陆得盛,金枫.极端气象条件下金属矿山尾矿库在线监测系统研究[J].矿冶，2014（5）：81-85.

[2] 李文建.极端气象条件下金属矿山尾矿库浸润线在线监测系统的设计[D].赣州：江西理工大学,2013.

[3] GB/T 8567-2006,计算机软件文档编制规范[S].

[4] AQ2030-2010,尾矿库安全监测技术规范[S].

Design of Security Early-warning System of Tailings Storage

OUYANG Wei1,LIU Zhongmin2
(1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China; 2.Nanchang Hangkong University,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

On-line monitoring system of metal mine tailings storage cannot fully ensure safety operation of tailings storage, therefore,on-line monitoring system of tailings storage for extreme climate should be established,meanwhile,security early-warning system of tailings storage based on watershed fine weather (rainfall)forecast has been developed.Water level of storage can be forecasted three days in advance based on weather(rainfall)forecast,and comprehensive evaluation can be carried out for security based on real-time monitoring data and forecast data,when unsafe factors reach setting value,the system will issue early-warning and present emergency measures.Compound system engaged in on-line monitoring,forecast,evaluation and early-warning can ensure safety operation of tailings storage.

tailings storage;on-line monitoring system;extreme climate;security early-warning system;forecasting;evaluation

TD76

B

1004-4345(2015)03-0011-04

2015-04-20

国家科技支撑计划课题（编号：2012BAK09B04）。

欧阳伟（1955—），男，教授级高级工程师，主要从事电网配电及其自动化研究工作。