峨口铁矿中线法尾矿库在线监测系统应用技术

程耀灵 刘慈光

(太原钢铁(集团)公司矿业分公司峨口铁矿)

峨口铁矿中线法尾矿库在线监测系统应用技术

程耀灵 刘慈光

(太原钢铁(集团)公司矿业分公司峨口铁矿)

根据峨口铁矿尾矿库中线法筑坝工艺特点及现场实际，对该矿尾矿库在线监测系统应用技术进行了分析，探索了适宜中线法尾矿库在线监测系统的应用途径。分别从监测设施供电技术、维护技术、数据通讯传输技术、干滩及库水位监测技术、系统软件优化等方面对该矿中线法尾矿库在线监测系统应用技术进行了详细分析，供类似矿山参考。

尾矿库 中线法 尾矿库在线监测系统 数据通讯 水位监测技术

尾矿库在线监测系统避免了人工监测无法及时监测、掌握尾矿库的各项安全技术指标的缺点，提高了尾矿库安全生产管理水平。峨口铁矿在上游法尾矿库在线监测系统的基础上，针对该矿尾矿库中线法筑坝工艺特点，进行了系统的应用技术实践与探索研究，有效解决了由于坝体升高而导致坝体及沉积滩面不断上升，致使监测设施不断上升移动，系统难以稳定运行的难题，有效发挥了系统实时监控尾矿库安全状况的作用。

1 工程概况

峨口铁矿牛圈沟第一尾矿库为山谷型尾矿库，原设计为上游法筑坝，初期坝高67 m，总坝高200 m， 1994年在尾矿库使用至标高1 514 m时为增加库容，采用中线法筑坝，最终堆积总坝高为260 m，总库容达10 055万m3。目前第一尾矿库堆积坝高已达245 m，其等别为二等库，为目前国内黑色矿山正在使用的坝体较高的尾矿库之一。

峨口铁矿尾矿库在线监测系统始建于2010年，系统架构包括：①滩面监测系统，在第一尾矿库沉积滩面内沿垂直于坝轴线方向设置3个断面，每个断面布设2个监测点，共6个滩面高程监测点，各监测点利用滩面高程监测仪进行高程自动监测，并根据实时监测的滩顶高程及库区水位数据实时计算沉积滩面坡度、库区安全超高，并通过终端界面显示；②浸润线监测系统，第一尾矿库监测点分别布置于垂直于坝轴线方向坝体上的3个监测断面上，其中两侧断面各设置3个监测点，中部断面设置7个监测点，各监测点安装浸润线监测管，监测管内安装渗压计进行坝体浸润线自动监测；③水位、雨量监测系统，尾矿库内布置水位监测仪、雨量监测仪各1台，定时向服务器传输水位、雨量等监测信息；④位移监测系统，第一尾矿库利用原有在坝外坡面设置的人工监测墩，在上部布置GPS位移监测设施监测坝体外部位移，共设置3个监测断面，10个监测点，中间断面设置4个监测点，其余2个断面各布设3个监测点，在坝体下游库区山顶上布设1个基准点；⑤视频监控系统，为直观监控尾矿库运行状态，第一尾矿库库区安装5台视频监控摄像机，从不同角度实时监控尾矿库现场运行状况。

中线法筑坝工艺特点决定了在尾矿生产排放过程中，尾矿库沉积滩面、坝体内外坡面均随着坝体的不断升高而不断上升，坝面、滩面的形态也随之不断发生变化，坝体内部沉降、位移及水位的变化也较上游法工艺形成的坝体复杂。随着滩面及坝体的不断升高，各监测设施位置也需不断调整，各监测基准点数据也需相应进行不断校正，难以形成连续稳定的可供进行变化趋势分析的数据库。因此，从监测方法、监测技术、监测设施等方面来讲，中线法尾矿库在线监测系统与上游法尾矿库在线监测系统存在较大区别。峨口铁矿尾矿库地处高寒山区，两岸山体陡峭，库区冬季严寒，冰冻期较长，且中线法坝体无法有效实施防尘，自然气候、环境条件恶劣，对尾矿库在线监测系统的安全稳定运行影响较大，此外，在中线法尾矿库在线监测系统建设方面，国内成功案例较少。

2 应用技术分析

2.1 太阳能和市电双供电技术

传统上游法筑坝工艺形成的尾矿库由于各监测设施(如浸润线、位移等)布置于坝体外坡，随着尾矿的排入，坝体升高后尾砂筑坝依次于外坡形成梯形平台，各平台植被覆土后，坝体外坡形态、断面固定，在外坡设置监测设施位置也固定不变，因此为提高供电稳定性并降低系统建设成本，监测设施多采用市电供电方式。中线法尾矿库随着库内尾矿的逐年排入，坝体顶面、内外坡面及沉积滩面均需不断上升，其形态及断面均不断发生变化，监测设施的位置也需不断升高变化，难以采用市电为监测设施供电，因此原系统监测设施除采集室采用市电供电外，其余室外设施均用太阳能供电。

在系统运行过程中，发现夏季供电充足，数据连续且稳定，但冬季蓄电池储电不足，数据缺失严重，中继站停电时全部数据均无法返回，系统无法正常运转。经研究发现，太阳能供电方式存在的不足较明显：①光照时间短，储电不足，由于峨口铁矿尾矿坝位于V型沟谷中央，两岸山体陡峭，沟谷较窄，光照时间短，特别是冬季太阳照射太阳能板的时间仅为3～5 h/d，且中线法筑坝工艺由于无法使用抑尘措施，库区风沙大，太阳能蓄电池光电反应差，储能无法维持监测点设备24 h连续工作，在沟谷中间布置太阳能供电系统存在每日光照时间不足而引起供电不足、数据不连续等问题；②蓄电池更换成本较高，蓄电池在室外无法进行保护，平均使用寿命仅1 a，电池成本高，且更换困难，费时费力。

根据各监测设施所处的不同地形条件，对系统供电技术进行了改进，采用市电与太阳能双供电技术：①位移、滩面监测设施等现场数据采集设备位于库区沟谷中间，距市电电源较远，采用铺设高架线市电供电技术，各测点距离较近，且线路最大长度仅1 000 m，压降小，尾端电压可保持在220 V以上，可满足设备工作电压需求；②数据采集中继站位于库区水面区浮船泵站附近山坡顶部，不易架设供电线路，地形开阔，光照条件好，通过增加太阳能板面积和蓄电池容量，可满足中继站设备24 h不间断工作，故对数据采集中继站采用太阳能供电技术。供电系统改进后，经长期运行测试，系统设备工作稳定，电压正常，有效地解决了因光照不足而造成太阳能供电不连续而导致采集数据不连续的问题，消除了气候条件对数据采集的影响，提高了数据采集的连续性及系统稳定性。

2.2 可移动便捷维护技术

2.2.1 浸润线监测设施

峨口铁矿尾矿库采用中线法筑坝，其工艺特点决定了随着坝体的升高监测管也需随之加高，数据采集器位置也需同步升高，而浸润线升高速度滞后于坝体上升速度，为准确观测坝体内水位，地面以下的测点传感器设置位置需同步升高。对此，将监测管与放置数据采集器的箱体连接方式由固定连接优化为活动式，即随着坝体的升高采用可持续加高方式连接，采集器与传感器间的数据传输线放置于箱内，根据外坡面最终堆积标高计算预留了足够长度的数据传输线，随着坝体升高，观测管定期加高后，无需拆装放置采集器的箱体，便可实现数据采集器的相应抬高，将预留的数据线相应在管外延长，短期内可保持管内传感器位置不变。经优化改造后，实现了监测管与传感器的同步抬升，确保了数据采集连续稳定，同时减小了设施位置加高带来的工作量，便于系统后期维护。

2.2.2 滩面监测设施

采用中线法筑坝时，滩顶位置随滩面升高，水平方向位置不发生移动，干滩监测设施随滩面升高需不断抬高位置，若定期进入滩面内拆装设施，则维护工作量较大。为此，将干滩监测设施维护技术优化为可随库区滩面升高而定期连续升高，即按每年滩面上升高度预留监测杆高度，设施与杆之间为活动式连接，每年利用抱箍接杆方式实现监测杆加高，同时将设施移动升高后固定连接，无需拆装设施。经优化改造，提高了系统监测精度，同时实现了系统稳定运行。

2.2.3 位移监测设施

由于峨口铁矿尾矿库采用中线法筑坝工艺，坝体随着尾矿排放不断升高，受目前国内监测手段及设备条件所限，坝体位移监测系统为在原坝体钢筋混凝土监测墩上布置的GPS位移监测设施，实现坝体表面垂直沉降及水平位移监测，随着坝体升高需不断加高监测墩，同时相应升高监测设施。起初将监测设施布置于监测墩顶部，坝体升高后，定期移动监测设施时需拆装监测设施，系统移动维护工程量大，不便操作。对此，设计了设施放置平台，将监测设施放置于平台上，平台与监测墩之间实现可移动功能，每次加高位移监测墩时无需拆装监测设施，仅需加高监测墩后将监测设施连同平台一并上移即可，既减小了移动观测设施的工程量，降低了维护劳动强度，又避免了拆装造成的设施损坏。

2.3 数传电台、无线通讯、光缆多功能传输技术

在线监测系统数据传输包括现场数据采集器与数据采集站之间的数据传输及数据采集站与基站服务器之间的数据传输。现场数据采集器主要进行浸润线、位移、干滩、库水位等监测设施的现场原始数据采集，并将监测数据传输至数据采集站，由数据采集站向基站服务器发送测点数据并接收服务器指令(图1)。

图1 数据采集与传输流程

传统上游式尾矿库在线监测系统浸润线、位移等监测设施布置于外坡，在尾矿库运行过程中，监测设施位置固定，数据采集器位置亦固定不变。因此数据采集站一般设置于距数据采集器较近的外坡区域，数据采集器与采集站之间一般采用光纤传输。中线法尾矿库由于随着尾矿的排入，坝体内外坡、滩面则不断升高，相关监测设施需不断升高移动，同时监测点之间距离较远，因此数据采集器与数据采集站之间无法在地面或架高敷设光纤进行数据传输，监测设施附近现场也无法建立数据采集站。对此，采用有线传输与无线通讯传输组合技术进行数据传输，在库区浮船泵站建立数据采集站，数据采集站与基站服务器之间由于距离远，故使用光缆进行数据传输，数据采集器与采集站之间采用无线传输技术。由于监测系统浸润线、位移、干滩、视频等监测设施采集数据的格式各不相同，各监测点分布分散，对此采用了3频段无线通讯传输技术，即位移监测数据采集采用2.4 G频段无线网桥传输技术，向采集中心发送监测点三维坐标数据；视频监控数据采用5.3G频段无线网桥传输技术，向采集中心发送大流量高清视频数据流；浸润线和干滩监测数据采集采用波特率19 200 kbs数传电台串行通讯技术，周期性发送测点数据。

2.3.1 2.4 G无线网桥

2.4 G频段无线网桥属于民用频段，可减少大量频段申请和维护工作，同时位移监测点间距较小，观测墩上设施与地面距离大于2.5 m，传输信号不易被起伏不平的外坡面阻挡。该类位移监测点可作为Wifi热点，直接由计算机或Wifi设备接收后连接至INTERNET，整条通信链路协议(TCP/IP协议)一致，可用笔记本电脑无线连接方式在现场进行调试，易确定故障节点。2.4 G无线网桥具有体积较小、免维护、更换简单、绕射能力强、对位置方向敏感度较低、组网灵活、价格低廉等优点，可实现点对多的无线信号传输，且带宽高，能够满足传输GPS纯数字小数据量，现场使用效果良好。

2.3.2 5.3 G无线网桥

视频监控系统各监测点，分布较分散，监测点距信号采集室最长达3 km，且要求云台控制灵敏、快速。5.3 G无线网桥可有效适应恶劣环境，数据传输距离达10 km，信号穿透能力强，传输图像及控制信号延迟小，可快速准确调整摄像机位置，与其他频段不存在干扰。

2.3.3 数传电台

浸润线监测系统原采用全向天线传输数据，在水平方向上表现为360°均匀辐射，即无方向性，虽覆盖范围大，但具有传输距离短的缺点，在现场应用中发现数据通讯不稳定，缺失率高达20%。尾矿库浸润线监测点分散于整个外坡面，外坡面较长，使用全向天线进行浸润线监测数据传输时多采用多发单收的数据通讯方式，各监测点与接收站交换信息，监测点之间无任何关联，无法充分发挥全向天线的优势。全向天线安装于渗压管保护箱上方，渗压管露于地面之上不超过1.5 m，外坡面易干扰监测点与接收站之间的信息交互传输。

为解决浸润线监测数据缺失的问题，对监测设施数据传输技术进行了改进，采用数传电台加吸盘天线的传输技术，将数传电台应用于滩面监测和浸润线监测中，借助DSP技术和无线电技术实现实时、可靠数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远等特点，适合峨口铁矿尾矿库监测点多而分散、地理环境复杂的工程环境。峨口铁矿浸润线监测仪器为渗压计，安装于观测管内，数据采集模块和天线位于观测管外部，吸盘天线长达1 m(图2)，相当于加长了观测管，使信号传输点高于外坡面，与数据接收站可视，且信号制式一致，信号传输稳定可靠，与无线网桥不存在互相干扰，满足了浸润线监测的需要。

2.4 激光测距及无线通讯模块一体化监测技术

峨口铁矿原采用浮球式测量仪进行干滩高程监测，该仪器受现场条件及气候条件限制，冬季气温低时浮球无法上下自由浮动，且信号传输也易受低温影响而中断，存在精度低、数据不连续，仪器故障频发等问题。对此，采用激光测距及无线通讯模块一体化干滩监测技术，利用激光测距仪集成无线通讯模块进行滩面高程监测，经优化改造，提高了系统监测精度并实现了系统稳定运行。

图2 传输天线

2.5 卫星定位技术

峨口铁矿库区水位监测原采用格雷码浮子式水位计，浮球可随着水位的上升而上升，夏季使用效果较优，但在冬季低温结冰后，浮球被冰卡住，无法真实反应水位高度，时常出现数据不连续、系统故障、测量数据精度低等问题。此外，雷达、超声波液位计均对工作环境(扇形波面足够大，无遮挡)有一定的要求，因此上述设备在北方冬季严寒季节难以发挥作用。根据峨口铁矿尾矿库实际情况，采用卫星定位技术进行库区水位监测，即将GPS监测设施安装于库区回水浮船上，测量设备与水位高差固定，可随着水位的变化实时变化。GPS观测网数据处理采用静态相对定位方法，利用2台GPS接收机同步观测，接收相同的GPS卫星数据，以确定基线端点在地球坐标系中的相对位置，实时提供观测站在指定坐标系中的三维坐标，并达到毫米级精度。根据GPS基站主机定位的纵坐标和主机距水面的固定高度，可精确计算出库区水位高程。经实际运行，解决了监测数据受气温影响不连续的问题，降低了系统故障率，提高了观测精度，保证了库区水位监测系统的稳定运行。

3 讨 论

(1)通过对峨口铁矿中线法尾矿库在线监测系统应用技术的实践探索，有效解决了由中线法筑坝工艺特点引发系统难以稳定运行的技术难题，可为类似矿山尾矿库在线监测系统建设参考。

(2)中线法筑坝工艺形成的尾矿库坝体与上游法相比区别较大，坝体形态随时不断发生变化，表面及内部位移变化情况较复杂，受目前国内监测设备生产技术条件的限制，现阶段使用的位移监测设备无法全面综合反映中线法尾矿库整个坝体内外部的形变及位移变化特征，需对中线法坝体形变位移监测方式及应用途径进行进一步研究，为尾矿库坝体稳定性分析提供基础数据。峨口铁矿中线法尾矿库在线监测系统的数据分析、综合分析及坝体稳定性分析等功能有待于进一步优化。

2016-11-21)

程耀灵(1967—)，男，工程师，034207 山西省代县峨口镇。