尾礦庫監測解決方案范文第1篇
一、需求分析
安全生產事關廣大人民群眾的根本利益，事關改革發展和穩定的大局。我國在確立了“安全第一，預防為主，綜合治理”的安全生產基本方針和“安全發展”的指導原則后，從安全法制、安全責任、安
全投入、安全科技和安全文化等方面入手，強化安全監管工作。但受我國現階段生產力發展水平較低、企業安全生產基礎薄弱、從業人員安全意識不強、安全法制不健全等因素的影響，我國安全生產形勢依然嚴峻，工礦商貿領域安全生產重特大事故時有發生，特別是近年來尾礦庫事故多發，已引起了國家的高度重視。
金屬與非金屬礦山是工業生產的高危行業，其事故發生起數和死亡人數在全國工業安全生產領域占較大的比重。尾礦庫是金屬與非金屬礦山安全生產的重要環節，也是該領域的重大危險源之一，作為具有高勢能的人造泥石流危險源，其一旦發生事故，將會給下游人民生命財產安全造成巨大損失，給當地環境造成嚴重污染，給當地的經濟發展和社會穩定也帶來嚴重的負面影響。
經過50多年發展，我國已成為世界礦業大國，目前全國有金屬非金屬礦山92071座，其中金屬礦山8239座，非金屬礦山83832座，冶金、有色、化工、核工業、建材和輕工業等行業的礦山都有尾礦設施。經初步統計，全國有尾礦庫7610座，總庫容約5×109m3,堆存尾礦約5.5×109t。其中正常運行的約有4800座，占63%，危庫、險庫和危險性較大的病庫約有2810座，占37%。
我國作為發展中國家，經濟比較落后，從安全上看，尾礦庫還存在以下不利因素：一是筑壩尾礦粒度細。由于筑壩的尾礦粒度細，細尾礦的力學強度低、透水性差、不易固結，造成壩體穩定性較差;二是上游法筑壩多。我國目前85%的尾礦庫采用上游法筑壩，較下游法和中線法筑壩的壩體穩定性差;三是尾礦庫安全設計標準較低。我國作為發展中國家，尾礦庫防洪、抗震及壩體穩定等建設標準與發達國家相比相對偏低;四是小型庫多。我國礦山規模小，四等庫及四等庫以下的小型尾礦庫占90%以上;五是受地震威脅大。我國是多地震國家，尾礦庫防震抗震是重要問題;六是失事后果嚴重。我國人口眾多，尾礦庫難以避開居民區和重要工業、交通設施，一旦失事，損失巨大。
美國克拉克大學公害評定小組的研究表明，尾礦庫事故的危害，在世界93種事故、公害的隱患中，名列第18位。它僅次于核武器爆炸、DDT、神經毒氣、核輻射以及其它13種災害，而比航空失事、火災等其它60種災害嚴重，直接造成百人以上死亡的尾礦庫事故已不鮮見。如1972年2月26日，美國布法羅尼河礦尾礦壩潰壩，造成125人死亡，4000人無家可歸;1985年7月中旬，意大利東北部的普瑞皮爾尾礦庫潰壩，造成250人死亡。
我國尾礦庫歷史上曾發生過多起重特大事故，給人民生命財產安全造成了重大損失。如：1962年9月25日，云錫公司火古都尾礦庫潰壩，造成171人死亡、92人受傷，受災人口13970人;1994年7月13日，湖北大冶有色金屬公司龍角山尾礦庫潰壩，造成30死亡;2000年10月18日，廣西南丹宏圖選廠尾礦庫垮塌，造成28人死亡、56人受傷。
近年來，尾礦庫垮壩造成人員傷亡和有毒污染物下泄的事故屢有發生，給人民群眾生命財產安全造成重大損失，對環境安全構成重要威脅。據初步統計，自2005年以來，全國發生尾礦庫潰壩等重特大事故17起、死亡41人，重傷1人，輕傷28人，給人民群眾生命財產和環境安全帶來嚴重損失。其中：2006年4月30日陜西鎮安尾礦庫潰壩，造成17人死亡、5人受傷。
尾礦庫的安全監測對于加強尾礦庫的安全監管，把握尾礦庫的安全現狀，減少尾礦庫的事故發生等具有重要意義。當前，我國尾礦庫安全運行的主要技術參數如壩體形變位移、庫水位、浸潤線埋深等，均由人工定期用傳統儀器到現場進行測量，安全監測工作量大、受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統誤差和人工誤差。同時，人工監測還存在不能及時監測尾礦庫的各項技術參數，難以及時掌握尾礦庫各項安全技術指標等缺點，這些都將影響尾礦庫的安全生產和安全管理水平。我國安全生產市場急需尾礦庫潰壩災害的實時、連續監測的技術和產品。
尾礦庫自動化安全監測系統的實施，便于企業和安全監管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態，有利于及時掌握尾礦庫的運行狀況和安全現狀，可以提高尾礦庫的安全性，保障庫區下游企業正常運轉及庫區人民群眾的生命財產安全，避免因尾礦庫事故而造成的環境污染，保護生態環境。
水利工程和高邊坡工程的監測技術發展較快。從20世紀50年代開始，在我國大壩、高邊坡變形監測領域開始研究和使用人工變形監測系統，其中應用經緯儀、水準儀等監測儀器監測壩體變形的監測方法有視準線法、引張線法、前方交會法、壩面水準測量法以及連通管法等。20世紀70年代末，以傳感器為基礎的大壩自動化變形監測系統開始應用于葛洲壩水利樞紐、新豐江水利工程等壩體位移的監測中。20世紀90年代開始了大壩及高邊坡的GPS自動化變形監測系統的研究，GPS技術已經應用于三峽工程、黃河小浪底水利樞紐工程、浙江天荒坪抽水蓄能電站、湖北清江隔河巖水利工程、龍羊峽水庫近岸等大壩或高邊坡的變形監測。目前，多傳感器數據融合的大壩變形自動監測技術、監測系統的自動化、網絡化和信息化技術是大壩和高邊坡工程監測領域的研究發展趨勢。
當前尾礦庫較為落后的安全監測技術和監測手段，不能滿足包括企業自身在內的全社會對于提高尾礦庫管理水平和安全狀況的迫切需要。目前，我國尾礦庫的監測技術還處于起步階段。尾礦庫的管涌流土、地震液化等壩體內部致災因素引起壩坡失穩的預警技術基本屬于空白，其監測、預警技術的研究成果較少。特別指出的是，我國尾礦庫數量多、分布廣，因此尾礦庫自動化安全監測系統的設施實施是面向我國尾礦庫安全的重大需求，具有良好的應用前景。
二、方案設計
(一)監測指標選擇
尾礦庫內存有大量尾礦漿沉淀水，水位相對比較穩定;同時，從尾礦壩壩頂排放尾礦時，礦漿向庫內流淌的過程中，礦漿水不斷向下滲透;此外，汛期大量降雨。這些因素在尾礦壩體內形成一個龐大滲流場。再者，尾礦沉積體屬非均值體，排礦部位又需要經常調換;壩體又在不斷增高;況且在尾礦庫整個服務期間內，礦源及選礦流程有可能改變，尾礦性能自然也會變化。這就是尾礦壩滲流場異常復雜的原因。浸潤線即滲流流網的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關系到壩體穩定及安全性狀，因此，對于浸潤線位置的監測是尾礦庫安全監測的重要內容之一。
尾礦庫內存有大量尾礦漿沉淀水，庫水位監測的目的是根據其水位的高低可判斷該庫防洪能力是否滿足安全要求。具體地說：一個完善的設計在設計文本中會給出防洪所需的調洪水深，并要求在設計洪水位(即最高洪水位)時，要同時滿足設計規定的最小安全超高和最小安全干灘長度的要求。因此，對于庫水位位置的把握可以直接防止尾礦庫在汛期避免洪水漫頂潰壩事故的發生，有利于安全監管部門和企業在汛期來臨之前，直觀地了解和掌握庫水位是否達到了設計要求的汛前限制水位。由此可見，庫水位的連續動態監測也是尾礦庫安全監測的重要內容之一。
尾礦庫發生潰壩災害，壩體位移是災害演化過程的直觀反應指標，因此對于壩體下游坡變形的掌握，可以及時發現尾礦壩變形率和發展速度，有利于安全監管部門和企業進行科學的應急決策，并及時采取應急對策措施，從而避免災害的發生或者減少災害發生造成的危害。
在定量評價尾礦庫的防洪能力時，需要測定灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高，當前的檢測方法較難準確并快速測定這兩個指標，問題在于水邊線的界線很不明顯，該處又無法進人，通常只能目測。據此推算出來的總干灘長度和調洪干灘長度自然也是極不可信的。因此，在尾礦庫安全自動化監測系統中，應增加快速并簡捷的標高測定方法。因此，灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高，是尾礦庫安全監測需要測定的指標。
此外，在尾礦庫安全監測系統中，為了實時掌握尾礦庫庫區的情況和運行狀況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監測設置，以滿足準確清晰把握尾礦庫運行狀況的需要。 綜上所述，金屬非金屬礦山尾礦庫安全監測系統監測指標包括：浸潤線;庫水位;灘面標高;壩體位移;視頻圖像。
(二)監測系統設計 1.浸潤線監測
一般選擇尾礦庫壩上最大斷面或者一旦發生事故將對下游造成重大危害的斷面為監測剖面。大型尾礦庫在一些薄壩段也應設有監測剖面。每個監測剖面應至少設置5個監測點，并應根據設計資料中壩體下游坡處的孔隙水壓力變化梯度靈活選擇監測點。尾礦壩壩坡浸潤線監測儀器分兩類。一類埋設測壓管，人工現場實測;另一類是埋設特制傳感器，進行半自動或自動觀測。
浸潤線監測儀器埋設位置的選擇，應根據《尾礦庫安全技術規程》(AQ2006-2005)中規定的計算工況所得到的壩體浸潤線位置來埋設。在作壩體抗滑穩定分析時，設計規范規定浸潤線須按正常運行和洪水運行兩種工況分別給出。設計時所給出的浸潤線位置應是監測儀器埋設深度的最重要的依據。 2.庫水位監測
一般在庫內排水構筑物上設置自動監測儀，將所測信號傳給室內接收機處理得到庫水位。既準確，又適時。需要指出的是，庫內排水構筑物一般位于尾礦庫內，排水構筑物周邊為尾礦澄清水，因此需要在監測系統布置前，針對特定尾礦庫的實際情況，靈活選擇施工方案。 3.干灘標高監測
干灘標高的測量不同于其它點標高的測量，這是由尾礦壩自身的運行特點決定的，隨著尾礦壩的不斷填筑加高，灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高是兩個動態變化的指標，因此，不能在某一位置架設堅固的不能移動的標高監測設備。采用移動GPS，定期監測尾礦壩灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高。該方法靈活簡便、具有較高精度、利于位置變化。 4.壩體位移監測
正是由于過去對尾礦壩壩體位移監測認識不足，尾礦壩位移監測手段不多。壩體變形計算至今尚未納入設計規范。對于較大的尾礦壩，設計僅在壩體表面設置位移觀測樁。具體監測手段主要有人工用經緯儀監測和GPS自動監測兩種。 根據壩的長短至少選擇2～3個監測剖面。一般在最大壩高處、地基地形地質變化較大處均應布置監測剖面。
每個剖面上根據壩的高矮，在壩坡表面從上到下均勻設置4～6個監測點。最下面一個點應設置在壩腳外5～10m范圍內的地面上，以用于監測尾礦壩發生整體滑動的可能性。
5、視頻監測 在尾礦庫安全監測系統中，為了實時掌握尾礦庫庫區的情況和運行狀況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監測設置，以滿足準確清晰把握尾礦庫運行狀況的需要。
(三)某尾礦庫安全監測系統設計方案
某尾礦庫初期壩壩頂標高為163.5m(東壩壩高為20m，西壩壩高為24.2m)。后期壩壩頂標高為220m。后期壩采用上游式尾礦筑壩。最終總庫容為1350萬m3 。2008年1月子壩壩頂標高為201m，沉積灘頂標高約為198m。目前總壩高為58.7m，總庫容不到1000萬m3 ，暫屬四等尾礦庫。當沉積灘頂標高達到199.3m時，就升為三等尾礦庫。該尾礦庫安全監測系統監測設計方案為：
1、庫水位監測
1)監測部位：尾礦庫溢水塔上。
2)監測儀器：電子水位傳感器(無線傳輸)。
3)儀器數量：1個。
2、灘頂和灘面標高監測
1)監測部位：在東壩和西壩的沉積灘面上各選三條垂直于子壩的直線，直線間距為100 m。在每條線的灘頂和距灘頂70 m處各設一個灘面標高兩個點均為監測點。
2)監測儀器：小旗和移動GPS，定期檢查小旗標高，并輸入軟件。
3)儀器數量：移動GPS一臺，小旗12桿。
3、浸潤線監測
1)監測部位：選擇了(位于鉆孔ZK13以東3～5m處)、Q2(位于鉆孔ZK01以東3～5m處)、Q3(位于鉆孔ZK23以東3～5m處)、Q4(位于鉆孔ZK31以東3～5m處)。
在Q
1、Q3剖面的第
一、
三、五期子壩頂各布設兩個浸潤線觀測點(兩點間距0.5m )，每個點埋設1個傳感器。第一期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為6m和10m(自孔口地面算起);第三期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為8m和13m;第五期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為8m和15m。
在Q
2、Q4剖面的第
三、五期子壩頂各布設1個浸潤線觀測點，每個點埋設1個傳感器。第三期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為13m;第五期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為15m。
2)監測儀器：振弦式孔壓傳感器、光纖滲壓傳感器。
3)儀器數量：振弦式孔壓傳感器(10個)，光纖滲壓傳感器(6個)。
4、位移GPS監測
1)監測部位：在東壩最大壩高剖面G1和西壩最大壩高剖面G2的壩坡上各布設4個監測點。4個監測點的位置分別設在壩腳、第
一、
三、五期子壩頂上。
2)監測儀器：GPS
3)儀器數量：一個基站、八個測點。
5、壩內位移監測
1)監測部位：ZK
53、ZK
15、ZK
24、ZK32以東3～5m，每個斷面3個位移監測點。
2)監測儀器：測斜儀+測斜管。
3)儀器數量：SINCO測斜儀一臺，測斜管若干長度。
7、可視化監測
在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監測設置，通過現場攝像頭實時拍攝并快速傳輸至控制室的顯示屏幕上，能夠直觀地顯現尾礦庫生產放礦及筑壩運行等情況。
三、運營/管理
(一)設備安裝
在尾礦庫安全監測系統安裝時，應注意以下問題：
1.安裝的儀器設備的安全問題。尾礦庫一般處在高山峽谷等人員稀少的場地，且尾礦庫占地面積較大，因此，儀器設備的防盜問題是面臨的安全問題之一。因此，傳感器、攝像頭及GPS等設備應安裝穩固，均應在安全過程中考慮防盜問題，GPS接收機應放置在水泥墩內，避免因為設備主機被盜，導致系統無法正常工作。
2.購買的GPS等設備應該有避雷裝置。GPS設備靠接收星歷信號來準確測定壩體變形狀況，GPS天線應盡量選擇軛流圈天線，盡可能保證雷雨天氣的設備安全。
3.安裝位置應考慮尾礦壩填筑過程高程變化。尾礦庫的運行期為尾礦壩不斷升高、儲存尾砂庫容不斷增大的過程，與水利工程不同，其壩頂高程隨著生產運行期的發展不斷變化。此外，對于上游式尾礦壩來說，其壩軸線還要不斷向庫內前移。因此，GPS、孔壓傳感器等設備的埋設位置應能夠滿足尾礦庫整個運行期安全監測和安全管理的需要，應針對整個運行期綜合考慮。
4.應注意浸潤線監測儀器埋設位置。尾礦壩總在不斷加高，尾礦壩浸潤線還受降雨和放礦水的影響，其深度在一定范圍內經常變動?，F有的觀測設施只能測出進水孔處的水頭或孔隙壓力。從流網圖可知：只有當某個深度的水頭與該深度的高程相等時，或者說當某個深度的孔隙壓力接近于零時，該深度才是浸潤線的位置。監測儀器埋深了，測得的浸潤線比實際浸潤線低;儀器埋淺了，測不到浸潤線。浸潤線的位置應根據設計資料綜合考慮。
(二)運營管理
基于金屬非金屬礦山尾礦庫安全監測系統，在尾礦庫的運行過程中，除了應及時掌握各種監測技術指標的最新數據外，還要有尾礦庫安全與否的預警技術和響應方法。本系統認為，應結合尾礦庫定量安全評價方法，通過對尾礦庫運行期的安全評價和監測指標數據安全度分析后，可以建立尾礦庫運營管理的預警技術和響應方法。
1.浸潤線指標的預警方法
通過尾礦壩現狀的勘察和資料分析，掌握特定尾礦壩的沉積規律、材料分區及概化方法、堆壩材料的物理力學特性指標，通過滲流驗算及分析，掌握汛期設計資料允許的最高浸潤線高程。該指標即時浸潤線監測指標的預警及響應標準。
其中，滲流驗算的計算方法如下所示：
滲流分析的基本方程為：
式中，[K]為透水系數矩陣;{H}為總水頭向量;[M]為單元儲水量矩陣;{Q}為流量向量;t為時間。
對于等別不高的尾礦庫，還可以依據國家標準《構筑物抗震設計規范》中有關尾礦壩浸潤線高度的預警指標進行預警。
2.防洪能力的預警方法
防洪能力的預警是避免汛期發生尾礦庫漫頂潰壩事故的最有效方法。通過調洪驗算得到當前庫水位下，設計最高洪水位下尾礦庫需要的調洪水深，即可以掌握當前干灘長度是否滿足調洪水深的要求。
3.壩體位移的預警方法
通過尾礦壩當前運行現狀的有限元強度折減法壩坡穩定性分析，可以近似得到發生極限滑動情況時，壩體一定深度及表面的變形情況，并結合尾礦壩位移監測趨勢及變形率的定性判斷，可以準確把握尾礦庫因受力情況發生位移趨勢及變化速率，從而及時預警并采取響應措施，疏散下游群眾，并采取積極措施加固壩坡，避免因壩坡失穩發生潰壩的嚴重危害。
當折減系數繼續增加，尾礦的抗剪強度進一步減小，壩坡的塑性區會進一步增大;當折減系數增加到某一數值時，塑性區形成連通的區域，尾礦沿該剪切面發生不收斂的塑性剪切變形。此時認為壩坡發生破壞，強度折減系數即認為是壩坡的整體安全系數;滑裂面的位置可根據位移增量等值線或最大剪應變增量等值線的疏密來確定，也可根據破壞區域的范圍來判斷。
基于剛體極限平衡理論的壩坡穩定分析方法已相當成熟且廣泛應用于尾礦壩在內的邊坡穩定分析中。然而，該法在處理荷載條件和邊界條件復雜的邊坡時常遇到困難?；趶姸日蹨p的有限元法，能夠處理復雜荷載和邊界條件，算法先進，可以更為準確地分析尾礦壩的壩坡穩定性，為尾礦庫安全監測位移指標的預警提供依據。
4.注重與日常巡檢工作結合
尾礦庫安全監測系統的實施，可以使管理者在主控制室內能夠及時把握尾礦庫的最新動態和監測指標信息，但是，尾礦庫安全監測系統不能完全代替尾礦庫日常巡檢工作，應與日常巡檢結合，通過監測指標和日常巡檢結合的比對，能夠更為科學的掌握尾礦庫的安全狀況和運行特點。
四、產品映射
1.孔壓傳感器的技術要求
1)準確度高，靈敏度高，穩定性好，體積小，重量輕，直接頻率輸出，激勵電路封裝在水密殼體內。
2)測量范圍：0.1、0.
2、0.3、0.
6、1.0、3.0、6.0、10.0、MPa(對應于10-1000m水深)。
3)準確度：±0.5%FS。
4)可直接用于江河、湖泊、海水的深度和液體壓力的測量，也可用作剖面系統的深度傳感器。
2.GPS設備的技術要求
1)GPS接收機及其配套設備，要求包括從數據采集、集中傳輸、解算處理、顯示和記錄及避雷和防盜等安全保護設施的全部設備。
2)精度要求，水平：3mm+0.5ppm ,垂直：5mm+0.5ppm;上述精度指標要求有國家光電檢測中心等權威機構的檢測結果，并具有權威機構頒發的證書。
3)解算軟件上有各個GPS接收機的獨立監控模塊，通過解算軟件，可以在計算機中實時顯示具有上述精度的各個GPS接收機的坐標和位移量，并能夠實時記錄在文本文件中。
4)GPS接收機天線為軛流圈天線。
5)具有避雷設施及其它安全保護措施。
五、標準支持
在尾礦庫安全領域，技術標準主要參照《尾礦庫安全技術規程》(AQ2006-2005)。該標準有關尾礦庫安全監測系統的規定包括以下內容：
1.4級以上尾礦壩應設置壩體位移和壩體浸潤線觀測設施。必要時還宜設置孔隙水壓力、滲透水量及其渾濁度的觀測設施。
2.做好日常巡檢和定期觀測，并進行及時、全面的記錄。發現安全隱患時，應及時處理并向企業主管領導報告。
3.尾礦庫運行期間應加強浸潤線觀測，注意壩體浸潤線埋深及其出逸點的變化情況和分布狀態，嚴格按設計要求控制。
4.尾礦庫灘頂高程的檢測，應沿壩(攤)頂方向布置測點進行實測，其測量誤差應小于20mm。當灘頂一端高一端低時，應在低標高段選較低處檢測1～3個點;當灘頂高低相同時，應選較低處不少于3個點;其他情況，每100m壩長選較低處檢測1～2點，但總數不少于3個點。
5.根據尾礦庫防洪能力和尾礦壩壩體穩定性確定，分為危庫、險庫、病庫、正常庫四個等級。除正常庫外，前三類從文字上看，只是程度有所不同。尾礦庫安全度定義緊緊依靠尾礦庫安全監測系統中設定的監測指標來評判。
例如，危庫是指安全沒有保障，隨時可能發生垮壩事故的尾礦庫，危庫必須停止生產并采取應急措施，
綜上所述，尾礦庫安全監測系統能夠緊扣我國現行尾礦庫安全技術標準，具有較大的實用意義和價值。
六、標準化程度
尾礦庫安全監測系統監測的浸潤線、庫水位、灘面標高、壩體位移、視頻圖像，均能夠為尾礦庫日常安全管理及尾礦庫安全運行服務。我國尾礦庫中85%以上為上游式尾礦壩筑壩，該系統對于上游式筑壩的尾礦庫具有良好的應用前景，今后監測系統若能與不同等別尾礦庫相結合，上升到安全技術標準，可以全面提高我國尾礦庫安全管理水平，減少我國尾礦庫事故發生的數量，保障尾礦庫庫區人民生命財產、環境安全及社會穩定，為構建和諧社會服務。
七、效果分析
當前，我國安全生產形勢依然嚴峻，工礦商貿領域安全生產重特大事故時有發生，特別是近年來尾礦庫事故多發，已引起全社會的高度重視。在《國務院關于實施國家突發公共事件總體應急預案的決定》(國發〔2005〕11號)中明確要求 “科技部、教育部、中科院、社科院、工程院、中國科協等有關部門和科研教學單位，要積極開展公共安全領域的科學研究;加大公共安全檢測、預測、預警、預防和應急處置技術研發的投入，不斷改進技術裝備，建立健全應急平臺，提高我國公共安全科技水平”。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》中把“公共安全”問題列入了國家科技發展的“重點領域”，要重點研究開發地震、臺風、暴雨、洪水、地質災害等監測、預警和應急處置關鍵技術，森林火災、潰壩、決堤險情等重大災害的監測預警技術以及重大自然災害綜合風險分析評估技術。同時，2007年國家安全生產監督管理總局、國家發展改革委、國土資源部、國家環?？偩致摵辖M織了全國范圍的尾礦庫專項整治行動，使得尾礦庫的安全運行和管理已引起全社會的廣泛關注。
尾礦庫監測解決方案范文第2篇
關鍵詞：安全,尾礦壩,監測
尾礦庫帶著隱患入汛, 一旦遇到持續強降雨天氣, 極易發生垮壩等惡性事故, 威脅下游安全?，F場檢查發現, 不僅初期壩、堆積壩體穩定性差, 而且排水設施不少存在隱患, 嚴重威脅著尾礦庫的安全穩定[1]。
1. 我省尾礦庫的形式和特點
1.1 河北省毗鄰京津, 人口密度大, 山谷型尾礦庫多, 受降水或山洪影響明顯, 事故幾率大。
特別是小型選礦企業匆忙上馬, 尾礦庫的設計和建設都不科學, 超負荷堆存、滲水等問題嚴重, 無專門技術人員, 冒險運行, 舍不得安全投入, 潰壩風險不斷累積[2]。
1.2 2008年底統計, 河北省共有尾礦庫2888座, 約占
全國的1/4, 集中分布于承德、保定、張家口、秦皇島、邯鄲、邢臺、石家莊。從安全度來分, 危庫139座、險庫272座、病庫873座、正常庫1604座。河北尾礦庫比山西襄汾潰壩事故的尾礦庫要大許多。在承德, 都是翹尾巴溝, 高壩庫很多, 危險性大。
1.3 截止到2009年6月20日, 汛期前排查摸底, 從上報
的材料看, 139座危庫中, 已治理82座、30座在閉庫、27座在治理;272座險庫中, 已經治理201座、41座在閉庫、30座在治理;615座頭頂庫, 已治理68座、217座在治理、330座在閉庫;230座非法庫, 已關閉203座、27座在閉庫。
2. 尾礦庫現場監測的有關問題
根據尾礦庫安全管理規程的要求:
2.1、四級以上尾礦壩應設置壩體位移和壩體浸潤線觀測設施。
必要時還宜設置孔隙水壓力、滲透水量及其渾濁度的觀測設施。
2.2、做好日常巡檢和定期觀測, 并進行及時、全面的記錄。發現安全隱患時, 應及時處理并向領導報告。
2.3、尾礦庫運行期間應加強浸潤線觀測, 注意壩體浸
潤線埋深及其出逸點的變化情況和分布狀態, 嚴格按設計要求控制。
2.4、尾礦庫灘頂高程的檢測, 應沿壩 (攤) 頂方向布置測點進行實測, 其測量誤差應小于20mm。
當灘頂一端高一端低時, 應在低標高段選較低處檢測1~3個點;當灘頂高低相同時, 應選較低處不少于3個點;其他情況, 每100m壩長選較低處檢測1~2點, 但總數不少于3個點。
3.1、浸潤線
浸潤線的高度直接關系到壩體穩定及其安全性能。因此, 對于浸潤線位置的監測, 成為尾礦庫安全監測的重要內容。
尾礦壩壩坡浸潤線監測儀器分兩類。一類埋設測壓管, 人工現場實測;另一類是埋設特制傳感器, 進行半自動或自動觀測。通過觀測孔或利用濕敏電阻傳感器、水頭壓力計、孔隙水壓力等等手段, 都能及時記錄浸潤線位置高低, 分析是否出逸。
3.2、庫水位
尾礦庫內存有大量的尾礦漿沉淀水, 水位的高低對應著水量的多少, 關系到防洪能力是否滿足安全要求。
可以設置在溢水塔上, 或另外設置標桿或基準塔, 利用電子水位傳感器進行無線傳輸, 或觀察標尺刻度, 直觀、及時了解庫水位。
3.3、灘面長度和標高
在定量評價尾礦庫的防洪能力時, 常需要考證干灘長度。像直角三角形的兩個直角邊一樣, 有對應關系。
現場要采用移動GPS, 定期監測尾礦壩灘頂標高。該方法靈活簡便、具有較高精度、能適應不同位置變化的需要。
3.4、壩體位移
位移和變形是尾礦庫發生潰壩的直觀表現。及時發現尾礦壩外坡破壞變形范圍和發展速度, 有利于迅速作出的應急反映, 減少災害損失。
據壩的長短至少選擇2~3個監測剖面。一般在最大壩高處、地基地形地質變化較大處均應布置監測剖面。
3.5、可視化監測
在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監測設置, 通過現場攝像頭實時拍攝并快速傳輸至控制室的顯示屏幕上, 并通過網絡及時上傳有關視頻圖象, 便于主管部門審定。
4. 在尾礦庫安全監測系統安裝時, 應注意以下問題:
4.1、應考慮安全與防盜問題。
尾礦庫一般處在高山峽谷等人員稀少的場地。傳感器、攝像頭及GPS等設備應安裝穩固, GPS接收機應放置在水泥墩內, 避免設備主機被盜。
4.2、購買的GPS等設備應該有避雷裝置。GPS天線應盡量選擇軛流圈天線, 以保證雷雨天氣設備的安全。
4.3、安裝位置應考慮尾礦壩填筑過程高程變化。
尾礦庫的運行期壩高不斷升高、儲砂量不斷增大。此外, 對于上游式尾礦壩來說, 其壩軸線還要不斷向庫內前移。GPS、孔壓傳感器等設備的埋設位置應能滿足尾礦庫整個運行期的需要。
4.4、應注意浸潤線監測儀器埋設位置。
尾礦壩總在不斷加高, 尾礦壩浸潤線還受降雨和放礦水的影響, 其深度在一定范圍內經常變動?，F有的觀測設施只能測出進水孔處的水頭或孔隙壓力。監測儀器埋深了, 測得的浸潤線比實際浸潤線低;儀器埋淺了, 測不到浸潤線。要考慮埋深滿足安全規定的要求范圍。
參考文獻
[1]雷力, 周興龍, 李家毓等.我國礦山尾礦資源綜合利用現狀與思考[J].礦業快報, 2008.9.vol9:5～8.
尾礦庫監測解決方案范文第3篇
1 尾礦庫在線安全監測關鍵技術分析
1.1 位移在線監測技術
此技術的主要監測對象為尾礦壩壩體, 按監測點位置可以分為壩體表面和壩體內部位移監測兩種, 每種都可以獲取水平、垂直、三維位移數據, 在壩體表面位移在線監測時可以通過GPS、智能全站儀等設備在已知基點高程和位置的基礎上, 獲取表面標點、覘標高程和位移等數據, 在線監測測點的三維位移;壩體內部位移監測主要通過測斜儀、連通管、沉降儀等相關設備固定或預埋在壩體中, 在線監測測點水平或垂直位移[1]。為保證尾礦壩位移數據在線安全監測的準確性, 通常結合實際情況和各類技術的性能, 將兩種或兩種以上的方法同時應用, 相互驗證。
1.2 浸潤線在線監測技術
測壓管法是人工實現此技術的主要方法, 通過將一定數量的測壓管預埋在可以對滲流情況全面反映或可能出現異常滲流的橫斷面中, 進而對測壓管中水位測量獲取浸潤線的變化數據, 將其與孔隙水壓力傳感器技術相結合, 可提升在線安全檢測的實時性, 現階段應用的傳感器均以測量孔隙水壓力為主要途徑, 如光纖滲壓式傳感器等[2]。
1.3 干灘在線監測技術
灘頂標高與正常水位、灘頂標高與最高洪水位下尾礦庫的干灘長度是評價尾礦庫防洪能力的重要指標。但由于水邊線邊界較模糊, 所以直接測量的難度較大?，F階段主要通過對測量斷面進行有效選點, 取得選點干灘高程、測點間距等數據, 在此基礎上結合庫水位、灘頂等數據對干灘的長度進行計算。在此過程中需要利用超聲波液位儀、激光液位儀等對相關的數據進行在線監測, 以此保證計算結果的準確性。
1.4 庫水位在線監測技術
在對尾礦庫防洪能力進行在線監測的過程中, 考慮到尾礦庫中會存在較多的尾礦澄清水和降水, 其水位的高低對尾礦庫的防洪能力會產生一定的影響, 所以在線安全監測的過程中要利用超聲波液位儀、激光液位儀等工具對其庫水位進行監測[3]。
1.5 降雨量在線監測技術
降水量直接關系到尾礦庫在強降水過程中的安全性, 所以在線安全監測的過程中需要利用容柵式雨量計等儀器對降水量的大小進行測量, 并結合測量的數據對尾礦庫的安全狀況進行分析。
通過上述分析可以發現, 各項尾礦庫安全在線監測技術的實現, 對測量點的布置都具有較強的依賴性, 在具體測量點布置的過程中, 既要強調規范原則, 又要在風險分析的基礎上進行補充完善。
2 尾礦庫安全預警關鍵技術分析
尾礦庫安全預警的目的是盡可能早的發現并解決尾礦庫可能存在的安全風險, 保證其穩定性和可靠性。尾礦庫安全需要結合尾礦庫預警指標體系和預警閾值兩方面, 前者主要通過尾礦庫安全在線監測獲取, 而后者是決定安全預警是否發生的重要標準。尾礦庫安全預警以學習能力、容錯性、模式識別等方面性能突出的BP神經網絡模型計算方法和可行解表示方式廣泛、具有啟發式并行搜索特性等優勢的遺傳算法為基礎, 將兩者相結合, 可以使連接權、網絡結構、學習規則等得到優化。將尾礦庫本質安全度、尾礦壩穩定性、區域地質、水文、氣象等自然條件、區域社會環境、尾礦庫事故影響作為尾礦庫安全預警指標體系, 在此基礎上建立BP神經網絡模型, 明確種群規模對其進行初始化處理, 然后通過遺傳算法使BP神經網絡的權值和閾值得到優化, 使其對各類問題的適應性增強, 然后反向搜索近似最優值實現對權值和閾值的合理微調, 通過尾礦庫安全監測數據樣本實現對網絡模型的網絡訓練、仿真, 進而保證尾礦庫安全預警系統在尾礦庫安全在線監測數據獲取的測量值接近或達到閾值的前提下, 及時準確的報警, 并將發生報警的位置、程度、可能原因、處理方案等準確的反映, 提升尾礦庫安全管理水平, 使尾礦庫處于穩定、安全的運行狀態。
3 結語
通過上述分析可以發現, 現階段人們已經認識到尾礦庫在運行、管理的過程中存在一定的安全隱患并有意識的通過在線安全監測和預警等技術, 及時發現尾礦庫運行中的安全隱患, 以此提升尾礦庫的可靠性和穩定性。
摘要：尾礦庫雖然是礦山企業生產必須的輔助設施, 但其特性決定如果其安全性和穩定性得不到保證, 將會對礦山企業的正常生產、區域生態的安全等方面產生嚴重的威脅。為保證區域生態環境、居民生命財產安全, 人們嘗試針對尾礦庫建立在線安全監測系統, 使其可以結合監測的數據對存在的安全風險有效、及時的報警, 以保證尾礦庫的正常運行。本文為提升尾礦庫運行狀態的可靠性, 針對尾礦庫在線安全監測及預警關鍵技術展開研究。
關鍵詞：尾礦庫,在線安全監測技術,預警技術
參考文獻
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尾礦庫監測解決方案范文第4篇
關鍵詞：核素污染,無線傳感器網絡,前向傳輸,蟻群算法,路由協議
0 引言
鈾尾礦庫是核燃料循環系統的重要部分,用于儲存放射性廢物,其中的放射性核素如果污染周圍的地表土壤或滲透到地下水,會帶來長期的、潛在的輻射危害,因此對鈾尾礦庫核素遷移的監測是預防放射性污染的有力措施[1,2]。當前鈾尾礦核素監測主要采用人工或有線監測,需耗費大量人力與成本,且不易擴展[3]。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)[4,5]是一種分布式傳感網絡,具有自組織性、方便布設、實時性及放置靈活等特點,能及時準確的監測和跟蹤突發事件,運用于鈾尾礦核素污染監測具有實用價值。而WSN的節點能量有限,網絡能量多在數據傳輸過程中損耗且節點能耗不均[6],因此降低并均衡網絡能耗是在進行路由設計時考慮的要點。
分簇路由協議[7]與其他平面路由協議比較,在節省能耗方面更有效,降低數據傳輸量。早期分簇路由協議多為均勻分簇方式,但在鈾尾礦監測中為了信息的有效性及實用性,節點布置有疏有密,因此簇的大小也應不同。蟻群算法[8,9]模擬了實際螞蟻在覓食過程中發現并維持路徑的行為方式,與節點搜尋路由的過程相似。通過螞蟻包的發送,所有的節點都可以了解網絡當前實際狀態。大量學者以分簇算法和蟻群算法為基礎提出了許多WSN路由協議[10,11,12]。文獻[13]提出了改進的EEABR算法,在選擇下一跳時優先考慮接近目的節點的鄰居節點,利用蟻群算法動態更新路由表,避開失效節點與故障鏈路,減少螞蟻洪泛對擁堵控制的影響。文獻[14]提出PASC-ACO路由算法,采用分簇與調度策略并行的方式來采集數據,優化的蟻群算法可以減少網絡中冗余數據的傳輸能耗。但只在收到后向螞蟻后計算鏈路信息素,算法收斂速度不夠快。文獻[15]提出EEUC算法,該算法通過網絡分簇減少參加尋覓最優路徑的節點數目,調節了簇的規模達到非均勻分簇的效果,并結合節點剩余能量,一定程度上均衡了全網能耗。
本文面向鈾尾礦核素污染監測,提出一種基于蟻群算法的前向傳輸分簇路由協議(Clustering Routing Protocol Based on Forward Transmission and Ant Colony,CFTA),考慮節點能量及簇頭競爭半徑對網絡能耗的影響來進行分簇,以節點是否在前向傳輸區域為下一跳簇頭選擇判斷的首要條件,優化蟻群算法來進行多路徑傳輸。在網絡生命周期和節點平均剩余能量兩個方面,與LEACH和EEUC算法進行了仿真對比實驗。
1 鈾尾礦監測模型
鈾尾礦庫中放射性核素會進行遷移,主要污染鈾尾礦周圍的地表土壤,若在土壤上進行橫向遷移到達地表水源,地表水也會受到污染。監測區域為鈾尾礦壩的壩面,壩體坡面為傾斜平面,由平整的石塊砌成,可視監測區域為一帶狀的二維平面。該網絡的布置為一個節點非均勻分布的模型,節點部署在帶狀的監測區域內收集數據,如圖1所示。
1.1 鈾尾礦庫網絡模型
假設用于鈾尾礦庫的無線傳感器監測網絡具有如下性質:
1)傳感器節點與sink節點一旦布置完畢便不再移動。
2)傳感器節點初始能量E0有限且相同,而sink節點能量不受限。
3)節點能夠進行一定的計算,轉發及存儲定量的數據。
4)所有節點通過相關定位算法和已知位置的錨節點可獲知自身位置信息,并可計算相應距離。
1.2 數據傳輸能量模型
無線傳感器節點的能量消耗采用如圖2所示的模型。節點接收l bit數據時耗能,如式(1)所示:
節點發送l bit數據給相距d的節點耗能,如式(2)所示:
其中:
式中:l表示發送數據的大小,Eelec表示發送單位數據的能耗。εfs表示在自由空間模型下的衰減系數,εam p表示在多路徑模型下的衰減系數,d0表示通信距離閾值。
2 CFTA協議
2.1 成簇機制
節點隨機產生0~1之間的數,若此數小于閾值T(n),則該節點就成為候選簇頭。閾值T(n)如式(4)所示:
式中:p表示簇頭占全網總節點數的百分比,r表示當前簇頭競選輪數,G表示最近1/p輪沒有擔任簇頭的節點集合,Es表示節點的剩余能量,ds表示節點到sink節點的距離。成為候選簇頭的節點保存鄰居節點的信息。
距離sink節點近的節點相比其他節點需承擔更多數據轉發量,因此為避免節點過早死亡,增加此區域內簇頭數目并減小簇的尺寸,同時還要保證節點剩余能量高。候選簇頭Ci的競爭半徑如式(5)所示:
式中:c表示競爭半徑控制系數,dm ax表示節點距離sink節點的最遠距離,dm in表示節點距離sink節點的最短距離,S表示監測區域面積,kop表示一定區域內最佳簇頭數目,M表示監測區域邊長,dto S表示網絡中心節點到sink節點的距離。
規則1.在簇頭選取過程中,若Ci競爭成功則其競爭半徑R(i)內的其他候選簇頭不能成為最終簇頭,并退出競選。
2.2 前向傳輸區域
Ci為簇頭節點,sink節點為目的節點,⊙S是以sink節點為圓心,Ci到sink節點的距離d(i,s)為半徑的圓?！袸是以Ci為圓心,簇頭的通信距離閾值TV-D為半徑的圓,即簇頭節點Ci的一跳通信區域。簇頭節點Ci的前向傳輸區域(Forward Transmission Area,FTA)即為圖中陰影部分,如圖3所示。
在圖3的場景下,可以避免Ci先向比自己距離sink節點遠的簇頭節點發送數據,有利于節約能量。
假設Cj在⊙I內,Ci選擇Cj作為其數據轉發節點,Cm又在Cj的前向傳輸區域內,并假設Cm可將數據直接轉發給sink節點,如圖3所示。為了傳輸lbit的數據至sink節點,Ci,Cj和Cm消耗的能量如式(7)所示:
由于Cj和Cm分別在簇頭節點Ci和Cj的一跳可達區域,因此d(m,s)很大程度上決定了三個簇頭節點能耗的大小,若始終選擇在前向區域內的簇頭進行數據轉發,有利于降低能耗。
2.3 基于蟻群的路徑搜索
螞蟻k的路徑選擇公式為:
式中:τij(t)表示t時刻的信息素濃度;α,β表示各個因子的權重系數。φij(t)表示候選節點選擇度如式(9)所示:
式中:dij表示簇頭i與簇頭j之間的距離,Hj是簇頭Cj到達sink節點的跳數。Eij(t)為簇頭i與簇頭j之間的鏈路能量,因為鏈路傳輸要考慮到兩個簇頭的能量,因此取二者最小值,如式(10)所示:
其中,Esi(t),Esj(t)分別表示簇頭i與簇頭j在t時刻的能量。
前向螞蟻若在每次向下一跳節點轉發時都更新鏈路的信息素,則算法的收斂速度會有所提高,本算法信息素更新規則如式(11)所示:
其中,ρ為信息素揮發程度(0<ρ<1),Δτij(t)為此次循環中路徑(i,j)上的信息素增量,初始值為0;Δτkij(t)為第k只螞蟻在此次循環中留于路徑(i,j)的信息量。
2.4 CFTA算法具體實現
在簇頭將數據傳輸到sink節點的階段,簇頭先將簇內采集到的數據進行融合,然后數據包再以多跳的方式傳送至sink節點。前向螞蟻的發送,為所有節點創建了路由信息,如果后向螞蟻返回,源節點儲存于緩沖區里的數據就能通過螞蟻之前建立的路由發送。數據傳輸以概率傳輸的方式進行。CFTA路由協議實現可分為三個階段:初始化階段、分簇階段及數據傳輸階段。具體如下:
1)初始化階段,所有節點通過相關定位算法得到自身的位置信息與ID,及其鄰居節點數目與相關信息,并得到網絡節點距離sink節點的最遠距離dm ax和最短距離dm in,用于后面的計算。
2)分簇階段,簇頭選舉可有效的管理網絡的能耗。具體過程如下:
步驟1:節點根據式(4)得出T(n)值,并產生隨機數T,兩者比較。如果產生的隨機數比T(n)小,該節點成為候選簇頭,簇頭以半徑R(i)廣播,能夠接收到信號的節點自動加入相應簇。簇頭節點創建時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA),簇成員節點依據TDMA以一跳通信方式傳輸數據給簇頭。
步驟2:當簇頭發現自身能量低于競選時全網節點平均剩余能量的70%時則進入下輪分簇。
3)數據傳輸階段,簇頭收集簇成員節點所采集的數據,再以多跳方式將數據傳送到sink節點。具體步驟如下:
步驟1:當需要把網絡數據傳輸至sink節點時,首先確定源數據簇頭i。以通信距離d0為半徑尋找源節點一跳范圍內的節點m,形成下一跳候選簇頭集合M{m│H(i,m)=1},確定源數據簇頭i的前向區域FTA(i)。
步驟2:確定sink節點是否在集合M中:如果是,則終止計算,直接向sink節點進行信息傳輸;如果不是,則進行第(3)步。
步驟3:源數據簇頭i發送前向螞蟻,建立到sink節點的路徑。判斷前向區域FTA(i)內是否存在簇頭大于50%E0,若是,則根據式(5)計算Pkij(t),并進行比較,選擇Pkij(t)最大的簇頭節點作為下一跳;如果不是最大的,則比較屬于M的簇頭的Pkij(t)值,選擇具有最大Pkij(t)的簇頭。若M為空集,則簇頭i得通信距離超過閾值d0,直到能與下一跳通信。
步驟4:循環進行步驟1,直到sink節點出現在下一跳集合中,完成整個數據傳輸。
3 仿真與分析
3.1 算法的消息復雜度
假設WSN監測區域中布置了N個節點,在網絡初始化階段,有N×P個節點作為候選簇頭來參與最終簇頭競選,需廣播N×P條ELECT_CH消息。最終,競選成功的K個簇頭廣播FINAL_CH消息,其鄰居節點收到消息后直接退出競選,并廣播K條ADV_CH消息,而N-K個簇成員節點則廣播N-K條JOIN_C消息,因此,該階段網絡中總的消息開銷如式(14)所示:
所以消息復雜度為O(N)。
而EEUC算法的消息開銷為(2P+1)N,CFTA協議消息開銷比其小(P×N-K)。
3.2 仿真參數設置
現對EEUC、LEACH和本文提出的CFTA算法分別用MATLAB進行仿真,并在剩余能量、存活節點數目及網絡壽命等方面進行分析,傳感器節點隨機分布,仿真模擬參數如表1所示。
圖5顯示了參數c對首個死亡節點輪數的影響,c為0~1之間的常數,當c增大時,候選簇頭的競爭半徑減小,同時網絡中簇的數量增加,則簇間通信量也會增加,縮短了網絡的生命周期,從圖4中看出,當c=0.5時,首個節點死亡的輪數較其他值有所延遲。
3種算法生命周期的比較,如圖6所示,CFTA算法與LEACH算法及EEUC算法相比網絡生命周期加長,比LEACH算法延長約80%,比EEUC算法延長約40%。LEACH、EEUC和CFTA算法出現首個死亡節點的輪數分別為176、530和716輪,改進算法有效的延長了網絡的穩定期(首個節點死亡時間)。CFTA算法最后一個節點死亡輪數為1 576輪,LEACH和EEUC分別為857輪和1 083輪。
圖7對比了3種算法的網絡節點剩余能量均值隨網絡周期的變化情況,改進算法的節點剩余能量均值一直明顯高于其他二種算法。這表明CFTA算法避免了部分節點負載過度所致的“熱區”問題,使得整個網絡生命周期的能耗較為均衡。
4 結束語
尾礦庫監測解決方案范文第5篇
錫礦山閃星銻業有限責任公司轄南礦和采選廠兩座礦山,南礦年設計采選生產能力為30萬t,年實際采選生產能力超過40萬t,其開采礦體賦存于硅化灰巖中,礦石主要成分為硫化銻,選礦工藝為手選和浮選,浮選每年產生尾礦20萬t以上。采選廠年設計采選生產能力為15萬t,年實際采選生產能力超過20萬t,其開采礦體亦賦存于硅化灰巖中,礦石主要成分硫化銻和氧化銻各占50%,選礦工藝為手選、重選、浮選,浮選每年產生尾礦7萬t以上。兩礦手選廢石堆存于廢石場,浮選尾礦經旋流器分級,60%左右的粗尾礦送入井下充填,細泥尾礦則輸送至尾礦庫存儲。該公司老尾礦庫位于南礦1號豎井附近,它截取飛水巖礦河床的一段砌筑涵洞,涵洞上砌壩堆存尾礦,河水與尾礦水從涵洞中流過,該庫目前已閉庫復墾?，F正在運行生產的尾礦庫為龍王池新尾礦庫。龍王池尾礦庫壩體利用手選廢石堆筑,既克服了細泥尾礦不能筑壩的困難,又解決了手選廢石占用堆存場地的問題,初期壩于1983年竣工投產,1989年完成中期壩的建設,2007年開始后期壩的建設,目前壩頂高程達到308.00m,總庫容量為265萬m3,生產運行情況良好,很好地服務了礦山生產。
2 壩型選擇與壩體結構
2.1 壩型選擇
尾礦庫位于湖南省冷水江市礦山辦事處雙木居委會西側之曲鼻溪內龍王池區域,在兩山夾谷之窄處攔腰切斷曲鼻溪筑壩,尾礦庫庫型屬河谷型,壩型為均質手選廢石壩。
尾礦庫距離冷水江市13km,匯水面積(包括庫水面)F=3.5km2,按三級工程標準設計。設計總庫容343萬m3,有效庫容250萬m3,服務年限20年。龍王池尾礦庫壩體平面布置圖見圖1。
2.2 壩體結構
壩體分為大壩和小壩。
大壩壩體結構分為壩體、反濾層和護坡等區。大壩的主體部分為手選廢石,反濾層分為4層:第一層為碎石(破碎重介質);第二層為粗砂;第三層為細砂;第四層在重介質中充全尾礦。護坡為干砌塊石。大壩分3期建設。初期壩壩頂高程為280m,頂寬10m,上游坡1:2,下游坡1:1.7。中期壩壩頂高程291.18m,頂寬10m;后期最終壩壩頂高程313m,頂寬5m;中、后期壩體上游坡均為1:2,下游坡均為1:1.7。上游坡280m高程處留馬道2.2m寬,下游坡在250m,271、292m高程處分別設馬道2m寬。
小壩緊挨隧洞口,長34m,高10m,頂寬2m,上、下游壩坡均為1:0.3,采用塊石漿砌塊。
龍王池尾礦庫壩體結構見圖2。
2.3 泄洪和截洪構筑物
2.3.1 泄洪構筑物
泄洪構筑物位于尾礦庫的西南側,采用隧洞—溢流井。隧洞內徑a=b=3m,坡降i=1.5%,隧洞進口擴大呈喇叭形,進口最大斷面a=b=5m。
溢流井采用裝配式,分一號、二號兩座。每座高12.25m。內徑d=3.6m,圓筒形框架,6個柱,每隔2m一個圈梁,運行過程中隨著水位的升高,逐漸加擋水板(迭梁)。
隧洞口用于初期泄流,當中期壩頂高程達到291.18m時,用I型堵板封堵,庫內水由一號溢流井溢流。當壩頂高程達到302.25m時,庫內水由296.25m高程的二號溢流井溢流。
2.3.2 截洪溝
為減少山洪流入尾礦庫,在尾礦庫西南側308.0m高程的山坡上砌筑混凝土截洪溝,規格為0.8m×0.8m,坡降i=1.5%。其作用一是截斷西南山坡上的雨水進入尾礦庫,二是在隧洞口封堵后導流曲鼻溪的溪水。
3 筑壩材料選擇與堆筑碾壓要求
3.1 筑壩材料選擇
金屬礦山選礦廠以尾礦的物理力學性質維持尾礦堆體的穩定性,利用尾礦自身材料進行尾礦的堆筑貯存,是尾礦最合理的處理方案。錫礦山閃星銻業有限責任公司兩礦浮選產出的尾礦經旋流器分級,粗尾礦送入井下充填,細泥輸送至尾礦庫存儲。南礦旋流器分級細泥產出率不大于40%,采選廠搖床溢流細泥產出率不大于35%,細泥尾礦的粒度組成如表1。
從表1中可看出,細泥尾礦中-0.05mm的粒級約占97%,用該粒度細泥尾礦堆壩難以形成沉積灘,因此,必須考慮采用其他材料筑壩。通過對土料、石料、手選廢石材料的對比分析,堆存手選廢石的廢石場距離尾礦庫大壩不超過1km,已有大量廢石堆存,而且還在繼續生產,堆積場地有限,若用手選廢石筑壩,可降低壩體造價,并解決廢石堆放的困難,可達到一舉兩得的目的。手選廢石的物理性質如表2。
3.2 壩體填筑碾壓要求
大壩壩體結構分為壩體、反濾層和護坡,按壩體、反濾層和護坡分區填筑。
壩體的主體部分采用手選廢石分層堆筑,層厚不大于0.5m,以大型自卸汽車運輸上壩,采用推土機推平。碾壓以汽車為主,推土機配合,每層碾壓不少于10遍,孔隙率不大于36%。
為阻擋細泥尾礦的流失,壩前設反濾層,自壩體堆石坡面算起共4層。①反濾第一層為碎石(破碎重介質),其粒度為d40=6.2～10.0mm,d50=7.1～11.3mm,d60=8.7～14.5mm;②反濾層第二層為粗砂,其粒度為d40=2.28～2.85mm,d50=2.60～3.25mm,d60=2.88～3.60mm;③反濾層第三層為細砂,其粒度為d40=0.26～0.32mm,d50=0.43～0.54mm,d60=0.67～0.84mm;④反濾第四層為重介質中充全尾礦,全尾礦的粒度為d40=0.032mm,d50=0.054mm,d60=0.084mm。
反濾層從第一層開始鋪筑,各層厚均為0.5m,施工時一定要分層鋪筑,厚薄均勻,拍夯密實。反濾第四層的施工方法是先鋪筑重介質尾礦(起骨架作用),然后在重介質的孔隙中充填全尾礦礦漿,以起反濾作用,其粒度可阻隔細泥尾礦不至流失。
反濾層鋪筑完成后,在壩的上游坡迎水面(即反濾層上面)和下游表面,均設塊石護坡,用dcp≤250mm的塊石干砌。
壩底河溝部分和下游壩趾,由于滲流集中、流量大,經滲透穩定計算采用dcp≥250mm的塊石,由人工干砌鋪筑,孔隙率不大于36%。
4 分期施工與加高擴容
尾礦庫分3期建設,第一期先施工隧洞—溢流井,隧洞與溢流井邊掘邊支,與此同時,可做小壩的清基和大壩兩岸壩肩部分的清基。待隧洞—溢流井施工完成后再砌筑小壩,隧洞開始導流后,再做大壩河溝部分的清基和大壩的堆筑。
壩頂達280m高程,初期壩完成,尾礦庫開始存貯尾礦。尾礦庫運行過程中,大壩堆筑不停頓,繼續施工中期壩和后期壩。
5 安全管理與監測
2010年以來,該公司為提高尾礦庫的安全管理水平,按照AQ2007.1-2006《金屬非金屬礦山安全標準化規范·導則》、AQ2007.4-2006《金屬非金屬礦山安全標準化規范·尾礦庫實施指南》等標準,建立了尾礦庫安全標準化管理體系,確定了尾礦庫安全生產方針和目標,并結合生產實際編寫了《尾礦庫安全標準化管理手冊》,于2011年、2013年相繼通過了三級、二級尾礦庫安全標準化評審,極大地提高了尾礦庫的安全生產條件和管理水平。
為及時掌握尾礦庫壩體與排水構筑物的移動變形情況,監測具有無滑坡、滑動和傾覆趨勢,以確保尾礦庫壩體的穩定與安全,尾礦庫安全監測分別建立測量儀器定期觀測站觀測和GYA200型尾礦庫自動化安全監測系統在線監測。
(1)測量儀器定期觀測站觀測。測量儀器定期觀測站是由生產技術部測量技術部門在壩體設置水平位移和垂直沉降監測設施,在隧洞設置了垂直沉降監測設施,壩體布設16個觀測點。壩體位移觀測以壩體表面位移觀測為主,即在壩體表面有計劃地埋設混凝土樁為觀測標點,在基準樁上使用動態GPS、全站儀測量壩體的水平位移和垂直(沉降)位移,觀測周期每月一次。隧洞觀測點布設在一號導流洞頂板上,共5個,采用水準測量,觀測周期每月一次。同時,每月用全站儀以壩體基準點測出壩頂高程、水面高程和沉積灘長度,算出安全灘長和安全超高。對測量數據進行綜合分析,并把結果及時報送至生產單位和有關部門,發現不正常跡象,及時采取有效措施,以防止事故發生。
(2)GYA200型尾礦庫自動化安全監測系統在線監測。GYA200型尾礦庫自動化安全監測系統是用于監測尾礦庫安全運行的自動監測設備,該系統由基站(下位機)、監測主機、視頻監控模塊、網絡數據查詢管理軟件、便攜式監測儀組成,其工作過程是下位機通過各種專用傳感器,將反映尾礦庫安全狀況的庫水的安全超高、干灘長度、壩體浸潤線水位、壩體X和Y方向的位移偏移量、壩體垂直位移量等各種參數數據采集出來,通過監測主機處理后顯示和保存,并將這些數據實時傳送給網絡數據中心。如果所測的參數數據超標,監測主機通過聲、光進行報警提示,提醒值班管理人員采取有效措施處理。
6 結語
龍王池尾礦庫難以利用尾礦自身材料進行尾礦的堆筑貯存實際,就地取材,壩體利用手選廢石堆筑,既克服了細泥尾礦不能筑壩的困難,又解決了手選廢石占用堆存場地的問題。該尾礦庫于1983年竣工投產以來,已累計存貯尾礦約150萬m3。多年的運行實踐表明,壩體無滑坡位移,無滲漏,安全穩定,很好地服務了礦山生產。
摘要：錫礦山閃星銻業有限責任公司礦山浮選尾礦經旋流器分級,60%左右的粗尾礦送入井下充填,細泥尾礦則輸送至尾礦庫。因難以利用尾礦自身材料進行尾礦的堆筑貯存,因此,尾礦庫壩體利用手選廢石堆筑,它既克服了細泥尾礦不能筑壩的困難,又解決了手選廢石占用堆存場地的問題。該尾礦庫于1983年竣工投產以來,已累計存貯尾礦約150萬m3。多年的生產實踐表明,壩體無滑坡位移,無滲漏,安全穩定,較好地服務了礦山生產。
關鍵詞：尾礦庫,手選廢石,壩體,安全監測
參考文獻
[1]祝祿發.龍王池尾礦庫筑壩方法及其安全運行管理[J].金屬礦山,2010,(增刊):64-65.
[2]王洋,易志清,祝祿發.尾礦似膏體膠結充填采礦法的研究與應用[J].湖南有色金屬,2013,29(1):7-9.
[3]曾永志,潘謹,祝祿發.塊石膠結充填采礦法的研究與應用[J].采礦技術,2012,12(6):3-4.
尾礦庫監測解決方案范文第6篇
鈾尾礦庫中含有大量放射性核素的尾砂暴露在大氣中,在降雨的作用下,放射性核素很容易向下滲入土壤,進而污染淺層地下水,若滲出礦壩,對周圍環境及人類的安全造成危害,所以對鈾尾礦庫放射性污染進行監測顯得至關重要[1]。當前國內對鈾尾礦庫放射性污染的監測尚停留在人工現場采集數據或有線監測,使用室內與現場實驗結合等方法進行數據分析模擬,監測相對落后,無法實時獲取尾礦庫核素泄漏污染狀況,不能及時的進行預警。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)[2]由大量無線傳感器節點及少數匯聚節點組成,具有感知、計算和無線通信能力,可用于軍事、復雜環境、污染等監測領域,能夠實時動態地對環境進行數據采集分析。在對鈾尾礦庫含有的大量放射性核素監測中,利用WSN能夠實時動態地對核素進行數據采集分析,快速、經濟、準確、大范圍地確定放射性核素泄漏及位置,實現監測的自動化。在實際和理論中,提出了多種定位算法,根據是否借助兩節點間距離和角度分類,可分為基于距離(Range-Basic)[3]的定位算法和與距離無關的定位算法(Range-Free)[4]。其中前者常見的如基于接收信號強度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)[5]、后者如近似三角形內點測試法(Approximate Point-In-Triangulation test,APIT)[6]。RSSI算法定位成本低、但如果單獨利用極大似然估計法(Maximum Likelihood Estimate,MLE)[7],定位精度較差,相對誤差可能達到50%以上。因此,一般需要使用其他方法提高精度,如最大概率法等。目前所用的最大概率法求解模型中基本假設RSSI值的標準差的常數[8],且一般利用常規的數學優化方法,即求導的方法,很容易導致局部最優,計算量大等問題[9]。為避免以上問題,本文選擇網格法,將平面劃分為較多區域,計算區域質心概率。該方法簡單易實現,但誤差受網格劃分大小影響,網格劃分太大,影響定位精度,網格劃分小,增加計算量。故引入APIT算法,對網格區域進行約束。APIT算法具有容易實現、定位成本低等優點,但在該監測條件下,利用原有的內點測試法受到網絡連通性的制約,易產生In-To-Out和Out-to-In[10]誤差,且傳統的Grid-SCAN[11]計算量較大。
基于以上分析,本文利用海倫公式[12]與RSSI聯合的新內點測試法與改進的Grid-SCAN對APIT算法進行改進,對位置節點區域進行約束,并在約束內利用網格法尋找最大概率的坐標,提出一種新的定位算法(Location Algorithm Combining Improved APIT and Maximal probability of RSSI,AM算法)。
1 鈾尾礦庫監測環境對定位的影響
鈾尾礦庫中放射性核素被鈾尾礦壩約束在壩內,但是由于降雨和重力的作用,放射性核素會在土壤中向下滲漏,一旦核素滲漏出壩體,將會對周邊農田、地下水等造成放射性污染。在對核素的監測中,節點布置在鈾尾礦壩的壩體上,礦壩斜坡面寬約30 m,總體呈環形圍繞鈾尾礦庫,周長為6 000 m左右,由平整的石塊堆積而成,在壩腰和壩腳處有排水渠。在對核素檢測時,節點隨機布置,整體上靠近壩腳處布設節點密度大,靠近壩頂處布設節點密度小,節點布置模型如圖1所示。
在定位算法運行中,環境主要制約為:
1)節點隨礦壩帶狀分布,網絡連通度低,如圖2所示,狹長的帶狀節點分布中,某一特定節點只能接收到其通訊半徑內,很小角度內的其他節點信息。
2)節點密度較小,包括錨節點密度與未知節點密度均不高,這是由于節點監測范圍較大,必須節約監測成本。
2 AM算法模型
2.1 概率模型
RSSI測距原理:已知發射節點的發射信號強度,接受節點根據收到的信號強度,計算出信號的傳播損耗,利用理論模型和經驗模型將傳播損耗轉化為距離。
信號強度會按照一定路徑損耗指數衰減,其中應用最廣泛的是對數—常態分布模型,其表達式如式(1):
式中:珘d為未知節點到錨點的實際距離;PL(d)為距離發射信號d m處接受信號強度;n為可知的路徑損耗指數;N為均值,為0;標準差為σ的高斯隨機變量。高斯分布對應值的概率如式(2)所示:
在某一距錨點距離為珘d處,其接受信號為的值為RSSI概率如式(3)所示:
式中:σ與其對應的接受信號強度RSSI值相關,文獻[13]數據表明,二者成線性關系,如式(4)所示:
若某一節點M(x,y)周圍有n個錨點,錨點坐標(xi,yi)接收到各個錨點信號強度分別為[RSSI1…RSSIn]的概率P如式(5)所示:
2.2 APIT改進
2.2.1 新內點測試法
最佳三角形內點測試算法(Perfect Point-In-Triangulation Test,PIT)是傳統APIT算法的基礎,即如果某一點M存在一個方向,沿著這個方向M會同時遠離三角形三個端點A、B、C,則M在三角形ABC外,否則在三角形內,如圖3所示。
在實際中,大多數節點是靜止不動的,為此,APIT采用節點交換信息模擬節點移動的方法,如圖4。未知節點M與鄰居節點1交換信息,判斷M運動向鄰居節點1方向接近或者遠離錨點A、B、C。具體定義為,如果未知節點M不存在同時較A、B、C錨點更近或更遠的鄰居節點,則判斷M在△ABC內,否則,M在△ABC外。
根據定義可以看出,該方法更容易導致In-to-Out判斷錯誤,該失誤將導致最終求得重合面積區域較原區域更加集中,但在高節點密度與高網絡連通性條件下,其重合區域本身較小,該錯誤導致的改變較最終定位結果影響較小。但在鈾尾礦庫監測中,低網絡連通性與低節點密度導致重合面積較大,In-to-Out判斷失誤無法忽視。
故基于陸嫻[14]在海倫公式與RSSI值基礎上提出的新APIT算法上,作出改進一種新內點測試法。海倫公式計算面積,利用比較三角形面積的方法,確定節點是否在三角形內,其原理如圖5所示。若未知節點在三角形內,其與錨點中任何兩兩組成的三角形的面積之和等于錨點組成面積。若未知節點在三角形外,則面積之和大于錨點三角形面積。其中任一三角形的面積可由海倫公式計算得出。海倫公式如公式(6)所示:
公式(6)中a、b、c分別為同一三角形的三條邊,對于任一三角形,其每條邊均可由通過接收到的RSSI值結合信號衰減模型計算得出。改進APIT法不受節點密度影響,可以適應低節點密度環境。但三角形的邊長由RSSI值求出,由于其大小呈高斯分布,最終結果可能較實際值大或小的概率均為0.5,直接比較面積大小無法正確判斷,故引入一閾值l,根據式(7)判斷其是否在三角形內。其中S1、S2、S3、S分別為待測節點與錨點兩兩構成的三角形面積與錨點三角形面積。
2.2.2 Grid-SCAN
在此算法中,網格陣列代表節點可能存在的最大區域。原理為:將傳感器網絡所處區域分為大小相同的網格,每個網格初值設為0,如果判斷出節點在三角形內,相應的三角形所在的網格區域的值加1;反之,則相應的三角形所在的網格區域的值減1,如圖6所示。不斷重疊節點所在三角形內部的區域,區域也會越來越狹窄,最后逼近到一個相對很小的區域,網格值最大的區域就是最后得到的重疊區域。
在AM算法中,Grid-SCAN除承擔傳統APIT算法中確定未知節點所在區域的任務外,還需要計算各網格質心點的概率,故AM算法中Grid-SCAN原理圖如圖7所示。
在AM算法,為保證定位精度,要求網格邊長較低,網格數較多,需進行大量的浮點運算,由此可能導致定位能耗較大,延時較長。為減少計算量,提出可調節網格面積的Grid-SCAN算法,原理如圖8所示。初期將區域劃分為較為稀疏的網格,確定定位結果大致區域,然后在確定區域內劃分更小的網格對定位結果求精?？娠@著減少運算量。
2.2.3 AM算法流程
AM算法流程如下:
第一步:人工測試,建立信號衰減模型,并計算相關參數,如標準差與測距距離相關的a、b值,設置網格間距l值。
第二步:人工布設錨點,使其全部在帶狀平面上下邊緣,隨機布設未知節點。
第三步:初始化,錨點周期性廣播自身信息,如位置、ID、初始信號強度。
第四步:各未知節點接受其通信范圍內錨點信息,假設接受到錨點信息為m個,從m個中任意3個錨點組成三角形,共Cm3個,對每個三角形,利用信號衰減模型和RSSI值計算和錨點位置信息計算各邊邊長,代入式(6)、式(7)判斷其是否在三角形內,并利用GridSCAN得出最終重合區域。
第五步:將重合區域網格質心,利用式(4)、式(5)計算概率,選取其中最大值作為定位結果。
3 仿真實驗與結果分析
仿真實驗中,仿真場景為30 m×1 000 m的區域內布設100個節點,其中錨點比例為n,由人工布設在帶狀上下,均勻分布,未知節點則隨機拋灑,節點分布模型如圖9所示。圖中L為節點間隔,分別取40、50、60、100m,對應錨點比例n分別為0.52、0.42、0.34、0.22,通信半徑暫定為100 m,海倫公式閾值為1.3。通過Matlab仿真工具對AM算法與APIT算法進行比較。
針對Out-to-In與In-to-Out錯誤進行仿真,在不同錨點比例情況下,仿真100次,其結果如圖10所示,AM算法避免In-to-Out和Out-to-In錯誤較原算法有明顯提高,錯誤率隨錨點比例增加而呈線性減小。
針對質心代入定位結果引起的誤差,令APIT所有對三角形內的判斷都為真,與AM算法定位結果比較,結果如圖11所示,APIT算法必須依靠高密度的錨點減少質心誤差,在錨點比例由0.4到0.3時,即對應L由50 m上升到70 m時,每個未知節點接收到的錨點信號數量由8個下降到6個,質心誤差迅速增長,故APIT要求較高的錨點比例及節點密度,而AM算法受錨點信號數量減少的影響較小,在底錨點密度時仍有較高精度。
通過In-to-Out和Out-to-In錯誤與質心誤差的減少,AM算法和APIT算法最終定位誤差如圖12所示,AM算法總誤差較小,且受錨點比例減少,影響較小。
在各錨點比例下,AM算法較APIT在各方面改善程度如表1。
4 結論
本文面向鈾尾礦庫放射性核素污染無線傳感器網絡監測中,節點布設呈帶狀模型對節點網絡連通度的限制及監測成本對節點密度的限制,運用最大概率理論和海倫公式等,參考了一種可靠性更高的內點測試方法,提出了一種改進的APIT約束與RSSI值高斯分布最大概率結合的新的定位算法(AM算法),新算法分別利用海倫公式與RSSI值結合與閾值比較的方法來減少Into-Out和Out-to-In錯誤率、利用網格法結合RSSI值在高斯分布下的最大概率值減少質心導致的誤差,并采取人工布設錨點在帶狀兩側的形式提高節點的覆蓋率。仿真顯示,在接近鈾尾礦庫布設條件下,其精度較APIT算法提高了55%~69%。該算法的不足是,算法針對特定環境提出,應用于節點帶狀布設,且錨點可人工布設于帶狀兩側,且節點布設均勻的環境中。此外,該算法雖采取一定措施,但計算量仍較大于APIT,節點能耗和實時性方面較差,故無法對動態節點進行定位。
摘要：面向鈾尾礦庫放射性核素污染WSN監測中,由于監測環境制約,針對該條件下節點密度低、帶狀分布網絡連通性差等問題,為保證一定定位精度,提出一種新的定位算法。新內點測試利用RSSI值與海倫公式判斷是否在三角形內外,無需未知節點周圍其他節點信息,并采用Grid-SCAN尋找概率模型選取點,使該算法滿足低密度條件的定位并減少其計算量。約束范圍內計算網格內各點RSSI值的概率,并以最大概率坐標為定位結果。經過仿真,新算法較APIT算法在定位精度上提高了55%~69%。