《尾矿库安全在线监测及综合预警系统方案》

第一部分 系统介绍

第二部分 在线监测系统的总体设计方案

项目设计依据

本系统在设计依据的规定和标准如下：

《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）

《尾矿库安全监测技术规范》（AQ 2030—2010）

《视频安防监控系统工程设计规范》(GB30395-2007)

《光缆线路自动监测系统工程设计规范》(YD5066-2005)

尾矿库设计方案及设计图纸、

项目建设原则及目标

以科学发展观和国家加强安全生产整体战略为指导，以确保尾矿库安全为前提，以实现矿业可持续发展为目标，加大对尾矿库安全监管，进而减少和避免尾矿库安全事故的发生。

统筹规划：监测系统的总体设计，分步实施。

合理布局：项目建设要充分考虑各库区所在的区域地形、地质及库容等特点，合理布局，保证重点。

科技领先：在项目建设的同时，注重高科技技术手段的应用，注重环保、节能。

通过尾矿库位移监测子系统、坝体浸润线监测子系统、干滩监测子系统、库水位监测子系统、库区降雨量监测子系统、库区远程视频监控子系统的建设，实现对尾矿库安全的在线监测，从而及时掌握尾矿库的运行状况和安全现状。

系统总体设计

依据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010）等相关规范及文件要求，在充分调研、实验的基础上，提出尾矿库安全在线监测系统设计方案。

尾矿库安全在线监测系统主要由以下子系统组成：

• 坝体（内部、表面）位移监测子系统；
• 坝体浸润线监测子系统；
• 干滩监测子系统；
• 库水位监测子系统；
• 库区降雨量监测子系统；
• 库区远程可视化监控子系统；
• 渗流量监测子系统；

系统电源设计

供电设计

市电220V，引入坝体总设备箱UPS。

接入方式，就近取电。

铺设方式，架空加地埋铺设。

坝体电源直接接入总设备箱，经由UPS稳压滤波后分别接入各个监测点。

采用宽电压工作设备。

电源设置总线路稳压滤波设备。

配备UPS，以备停断电时临时为系统供电；

各监测子系统详细设计

坝体位移监测子系统

尾矿库坝体整体表面位置变化（包括平面位移和垂直沉降），确定尾矿坝坝体整体位移变形的情况，是确定尾矿库安全性的重要指标之一。

表面位移监测点布置

根据《尾矿库安全技术规程》（GB51108-2015)，《尾矿库安全技术规程》（GB51108-2015)要求如下：

“5.2.2  监测布置

——断面选择和测点布置：监测断面宜选在最大坝高断面、有排水管通过的断面、地基工程地质变化较大的地段及运行有异常反应处。

——初期坝顶和后期坝顶各布设一排，每30～60m高差布设一排，一般不少于3排。

——测点的间距，一般坝长小于300m时，宜取20～100m；坝长大于300m时，宜取50～200m；坝长大于1000m时，宜取100～300m。

——各种基点均应布设在两岸岩石或坚实土基上。”

表面位移监测实现方式

表面位移监测设备选用高性能GNSS芯片，具有尺寸小、功耗低等优点，可以用于各种具有高精度定位要求的变形监测。

测量精度

水平面测量误差小于±3mm、垂直测量误差小于±5mm。

设备选型

表面位移监测采用单机单天线GPS表面位移监测系统。

主要技术指标如下：

测量精度：平面小于±3mm、垂直小于±5mm

工作电压：DC12V

输出方式：RS232

系统图示

位移监测其典型工作示意图如下所示：

内部位移监测点布置

根据《尾矿库安全技术规程》（GB51108-2015)、《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010)规定：

“ 5.3.2  监测布置

——监测断面的布置应视尾矿库的等别、坝的结构型式和施工方法以及地质地形等情况而定，宜布置在最大坝高断面及其它特征断面(原河床、地质及地形复杂段、结构及施工薄弱段等)上，可设1～3个断面。

——每个监测断面上可布设1～3条监测垂线，其中一条宜布设在坝轴线附近。监测垂线的布置应尽量形成纵向监测断面。

——监测垂线上测点的间距，应根据坝高、结构形式、坝料特性及施工方法与质量等而定，一般2～10m。每条监测垂线上宜布置3～15个测点。最下一个测点应置于坝基表面，以兼测坝基的沉降量。”

内部位移监测设备选型

系统采用测斜仪对坝体内部位移进行监测。固定式测斜仪广泛适用于监测土石坝、面板坝、边坡、路基、基坑、岩体滑坡等结构物的水平或垂直位移、垂直沉降及滑坡，该仪器配合测斜管可反复使用，并可方便实现倾斜监测的自动化。固定式测斜仪采用的是耐冲击型倾斜传感器,可靠性好稳定时间快，安装附件少组装方便。固定式测斜仪具有智能识别功能。

主要规格及技术参数

测杆直径：	25/38 mm
测杆轮距：	500 mm
单孔测点：	1～12 点
测量范围：	±15 °
灵敏度：	≤ 9  〃
工程最小读数：	±0.02  mm/500mm/F
测量精度：	±0.1%  F.S
耐水压：	≥1 MPa
绝缘电阻：	≥50 MΩ

防雷措施

1.电源防雷：安装通流容量不小于20KA的稳波泄流装置，接在设备前端并与地网连接。

2.设备接地：采集设备、光纤转发设备、设备箱与地网相连接。

浸润线监测子系统

监测目的

浸润线监测是尾矿库安全监测一项重要的内容。

浸润线监测实现原理

浸润线监测仪器采用振弦式渗压计，把渗压计安装在浸润线观测孔里。将测得的渗水压力转换为水位的高度，结合安装深度及观测孔深度即可得到浸润线高度。

如图所示：浸润线水位=H-h

浸润线监测点布置

依据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ 2030—2010）规定如下：

“6.2.2  监测布置

——监测横断面宜选在有代表性且能控制主要渗流情况的坝体横断面以及预计有可能出现异常渗流的横断面，一般不少于3个，并尽量与位移监测断面相结合。

——监测横断面上的测点布置，应根据坝型结构、断面大小和渗流场特征确定。宜在堆积坝坝顶、初期坝上游坡底、下游排水体前缘各布置l条铅直线，其间部位每20～40m布设1条铅直线，埋深应参考实际浸润线深度确定。

——在渗流进、出口段，渗流各向异性明显的土层中，以及浸润线变幅较大处，应根据预计浸润线的最大变幅沿不同高程布设测点，每条铅直线上的测点数一般不少于2个。”

设备选

振弦式渗压计

依据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ 2030—2010）。我们选用振弦式渗压计，该仪器适用于长期布设在测量水压管或水库内，监测内部水压力的变化量，并可同步监测埋设点的温度。采用全不锈钢结构（经过防腐蚀处理），24mm的外径，可方便的放置在1英寸以上的浸润线观测孔内。测量仪器具有智能识别的功能。

数据采集设备

采集模块由高速低功耗微处理器为核心，具有抗干扰能力强、可靠性好，智能集成化程度高、测量精度高，功耗低，安装、运行、维护方便等特点。

1. 数据采集模块提供以太网接口可选，可通以太网接口与中心站实现双向通信。
2. 技术参数

量程	频率：800—3500Hz温度：-30～70℃
精度	频率(frequency)≤1Hz温度(temperature)≤1℃
分辨率	频率(frequency)1Hz温度(temperature)1℃
测量速度	2—5秒/路(包括频率和温度)
通信形式	串行接口(RS232/485)或以太网接口
以太网接口	通信速率默认10Mbps
工作环境	温度-20~+50℃，湿度≤98%Rh。
通讯协议	modbus

 

干滩监测子系统

干滩监测的内容

干滩监测内容包括滩顶高程、干滩长度、干滩坡比、安全超高。

干滩监测点布置

依据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010)规定，选择干滩长度较短处布置纵断面。测量断面垂直于坝轴线布置，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。

设备选型

依据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ 2030—2010）。系统采用高程测量仪（定制）对滩顶高程进行测量。

主要特点：无线传输、全天候无人值守。

供电方式

系统采用太阳能供电；

系统通讯

采用无线传输方式将采集的数据传至数据采集仪后经光纤传至厂区监控中心和库区监控室。

防雷措施

防直击雷：在设备立杆顶端安装避雷针（长度为0.6m）。并进行有效的接地。

3.4库水位监测子系统

监测目的

及时掌握库水位高程，可反算干滩长度，可以为库水位安全评价及其预警预报提供基础数据。

库水位测点选择

根据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010） “库水位监测8.2.1  测点布置库水位测点的布置根据坝型、筑坝及排尾方式确定，应设置在基本能代表库内平稳水位，并能满足工程管理和监测资料分析需要的地方。一般宜布置在库内排水构筑物（如排水井、排水斜槽等）”。

设备安装在库水区溢流井上方。随着尾矿沙的不断堆积库水位的测量点也要不断升高。

供电方式

接入方式，就近取电。接入最近的设备箱。

电源线铺设，采用架空铺设。

防雷措施

电源防雷：安装通流容量不小于20KA的稳波泄流装置，接在设备前端并与地网连接，并从设备箱引出一根接地线沿井架投入库区水中。

现场安装方式说明

设备安装在支架上，固定在溢流井的顶部，垂直向下测量。

注意事项：为以后设备移位安装考虑预留足够的传输线缆。

库区降雨量监测子系统 

监测目的

及时掌握库区降雨量的大小，是尾矿库特别是汛期安全的重要考察对象之一。

降雨量测点选择

雨量计安装位置选择在空旷平坦的地方，周围无树木遮挡；先打好水泥地基，然后将雨量计固定在水泥地基上。

安装位置：雨量计安放在坝体总设备箱处。

设备精度

设备精度满足国家规范0.2mm/min的监测精度要求。

系统通讯

经由传输线缆传至监控室。

供电方式

设备采用市电+UPS直流电源模块转换后供电。

视频监控子系统

监测目的

为直观掌握干滩情况，进水口排水情况、库岸滑坡情况、坝面情况、出水口排水情况、危险部位情况、尾浆排放情况、远程巡视等。

视频监控遵循以下要求

根据《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010)规定，库区视频监控包括对初期坝和堆积坝、干滩、库水位、排洪构筑物的进水口和出水口、拦洪坝、拦污坝、放矿设施等进行24小时在线智能视频监控。

监控点布置

共设计视频监控点  处，所采用监控摄像单元均具有镜头水平360度旋转、垂直90度翻转及自动变焦功能。摄像单元均采用大功率双红外灯作为辅助光源，对坝体的重要部位可实现全天候24小时监控。能保存15天不间断循环录像视频，并可根据需求进行扩容。

 

星光级智能摄像机

• 产品优势

具有背景反差好、成像清晰、不受外界照明影响等特点，使用低照度摄像机，并可实现昼夜连续监控。采用万向变速云台，可进行全方位无盲角监控，智能化程度高，操作简单，外壳经过特殊加固和密封处理，具有良好的抗震、抗冲击、防尘、防淋雨等特性，特别适用于自然灾害监控、山体滑坡以及尾矿库等需要中短距离昼夜连续监控的场合。

• 技术特点
• 采用近红外光源补光。
• 支持日夜模式自动切换、背光补偿、宽动态
• 内置高性能嵌入式处理器，采用高效率H264压缩算法，视频清晰、实时、流畅
• 支持双码流，充分满足实际应用中不同的网络带宽环境
• 全面支持ONVIF、GB/T28181，提供SDK，可对接国内外主流监控平台
• 精密电机驱动，反应灵敏，运行平稳，图像无抖动
• 人性化设计，智能化程度高，断电记忆、变焦变速
• 采用高性能散热体系，有效降低内部温度，提高稳定性
• IP65防护等级，防雷、防淋雨，适用于各种复杂环境

系统通讯

前端一体化智能摄像机信号通过光纤传输设备实时传输至监测中心。

前段的视频信号通过信号线传至坝体总设备箱，通过交换机把所有视频信号进行汇聚后，再经由光纤收发器的转化，传至监测中心。

供电方式

视频监控系统图

• 一体化摄像机采用直流24V供电 ，光纤收发器采用交流220V供电。
• 接入方式，就近取电，接入最近的测点设备箱。
• 电源线铺设，采用架空和地埋相结合的方式铺设。

现场防雷措施

1.电源防雷：接在设备前端并与地网连接。

2.防直击雷：摄像机立杆均安装避雷针，摄像机立杆高度为4.5米，直击雷防护采用60cm的避雷短针1根。避雷针接地母线引至接地网，通过地网（地网建设方式见3.9）将电流释放到大地。

监测中心

监测中心功能综述

从尾矿库数据采集点传回的数据在此汇总。传回的数字视频信号存储在视频存储设备，通过视频管理机进行远程视频管理和控制大屏幕显示视频；前端传回采集数据自动存储在数据服务器；通过尾矿库安全监测系统软件对全系统进行统一的数据管理，进行各种图形报表的汇总打印、报警信号的处理、安全警戒值的设定等。

机房及监控室布置平面图（此为示例图具体依实际为准）

监测系统采取机柜集中布局方式以减少系统初始安装的成本，这样能合理分配有限的机房的空间、降低系统维护的复杂程度，使故障排除变得更简单。

机房配备1个电视墙，可提供的19英寸的标准机架空间，容纳视频处理、信号传输、数据存储、网络交换设备。

主要包含：pdu电源模块2套，数据存储服务器1台，视频存储服务器1台，19英寸理线器两个，控制台主控制器一台，视频增益分配器2台。

电视墙由两台55寸的液晶大屏幕组成。显示监控点的实时图像及采集分析后的数据。

 

3.8尾矿库在线安全监测系统软件简介

系统管理

1）操作管理：对操作人员进行基本的管理，操作人员密码修改等。

2）权限管理：系统管理、数据查询、查看数据图形化分析、预警管理等。

3）预警管理：对浸润线、库水位、干滩长度、位移、降雨量等的报警值的设置。

4）监测设备管理：对所有监测设备的参数、初值、进行设置。

5）视频管理：对视频相关参数的设置修改。

 数据采集（实时在线采集）

主要功能：监测数据采集、存储。

监测数据：表面位移、内部位移、浸润线、库水位、干滩、降雨量。

1）浸润线数据采集

浸润线是指土体中渗流水的自由表面的位置，在纵断面上为一条曲线。采集到数据存储到数据库同时并以图形化显示。

图  浸润线监测软件图

2）库水位数据采集

通过采集得到渗压计到水面的距离计算出库水位高程并存储到数据库同时以图形化显示。当库水位值超过预警值，软件自动报警

3）干滩长度

通过采集到干滩高程变化数据结合库水位高程计算出长度取最小一个为干滩长度并存储到数据库同时图形化显示。

库水位、干滩长度监测软件图

4）内部位移

内部位移包括水平与竖向位移。监测的目的是掌握沉降规律和分析稳定与安全状况。软件通过采集测斜仪的数据得到位移量并存储到数据库同时图形化显示。

内部位移监测软件图

5）外部表面位移数据采集

利用三维坐标测得各测点的位移量和位移方向，对各点位移进行反映。

 

6）降雨量数据采集

库区降雨量是影响尾矿库安全的重要因素。安装雨量计获取降雨量数据，存储到数据库并显示曲线变化图。

数据查询

可根据不同时间段、也可进行综合数据查询。可生成各类报表及打印。

报警

将报警通过画面、手机短信等通知相关人员。

地网施工

• 户外设备需要就近引接地线至附近地网接地，建造独立地网，地网方案如下：

专用地网接地体采用16平方接地母线。

• 地网施工程序：

施工前首先要充分了解施工现场的地形地貌、地质结构，然后根据方案设计和现场情况定出各处接地极的孔位和连接导体沟槽，再进行施工安装。注意避开电缆沟、管道和其它导电装置。

A.挖沟：合理使用挖掘工具，采取逐层下挖法，沟槽宽度以能挖深为宜。

B.连接：把安装好的接地模块的接地极接地母线连接起来，形成网状。

C.引入：将接地系统接到立杆底座。

D.回填：先填净土，逐层夯实，整理好路面。

• 接地模块

A.接地模块根据现场情况可采用垂直埋置和水平埋置两种，埋设深度根据现场情况而定；

B．模块在埋设时其间距不小于2m（根据现场实际情况可适当的调整）；

C．地模块在回填时应加入适量水并分层夯实以保证其与大地紧密接触，待其充分吸湿后测量接地电阻。

• 简图：

• 降阻剂施工示意图：