某尾矿坝自动化监测系统设计书.docx
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某尾矿坝自动化监测系统设计书
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四川某
尾矿坝自动化监测系统
设
计
书
编制单位：
上海米度测量技术有限公司
编制日期：
2011年11月
第一章尾矿库基础资料3
1.1工程设计概况3
第二章尾矿库在线监测系统设计4
2.1系统设计的依据4
2.2系统设计的原则4
2.3系统功能及技术要求5
2.3.1系统功能5
2.3.2基本性能指标5
2.3.3监测系统精度指标6
2.4系统主要监测参数6
2.5系统总体设计及系统拓扑结构7
2.6系统报警阀值设计8
第三章尾矿库在线监测系统详细设计12
3.1坝体地表变形位移测量设计12
3.1.1设计依据及监测原理12
3.1.2总体设计13
3.1.3现阶段设计14
3.1.3数据通讯14
3.1.6防雷设计15
3.1.7施工安装17
3.2坝体浸润线测量设计20
3.2.1设计依据及监测原理20
3.2.2总体设计20
3.2.3现阶段设计22
3.2.4设备选型22
3.3.5数据通讯23
3.2.6防雷设计23
3.2.7施工安装23
3.3库水位测量设计24
3.3.1设计依据及监测原理24
3.4.2测点布置25
3.4.3设备选型25
3.4.4数据通讯25
3.4.5防雷设计25
3.5干滩监测设计25
3.5.1设计依据及监测原理25
3.5.2测点布置26
3.5.3设备选型26
3.5.4数据通讯27
3.5.5防雷设计27
3.5.6施工安装27
3.6雨量监测设计28
3.6.1设计依据及监测原理28
3.6.2测点布置29
3.6.3设备选型29
3.6.4数据通讯29
3.6.5防雷设计29
3.6.6施工安装30
3.7视频监控设计30
3.7.1设计依据30
3.7.2测点布置31
3.7.3设备选型31
3.7.4数据通讯33
3.7.5防雷设计33
3.7.6施工安装33
3.8配电系统设计34
3.9选矿厂监控站设计35
3.9.1监控室环境要求35
3.9.2监控中心平台软件36
附件1：
GPS观测墩设计图41
附图2：
设备固定立杆设计图42
附图3：
避雷网设计图42
第一章尾矿库基础资料
第二章尾矿库在线监测系统设计
2.1系统设计的依据
Ø《中华人民共和国安全生产法》；
Ø《中华人民共和国矿山安全法》；
Ø《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）；
Ø《尾矿库安全监督管理规定》（国家安全生产监督管理总局令第6号）；
2.2系统设计的原则
Ø尾矿库安全监测应遵循科学可靠、布置合理、全面系统、经济适用的原则。
Ø监测仪器、设备、设施的选择，应先进和便于实现在线监测。
Ø监测布置应根据尾矿库的实际情况，突出重点，兼顾全面，统筹安排，合理布置。
Ø监测仪器、设备、设施的安装、埋设和运行管理，应确保施工质量和运行可靠。
Ø监测周期应满足尾矿库日常管理的要求，相关的监测项目应在同一时段进行。
Ø实施监测的尾矿库等别根据尾矿库设计等别确定，监测系统的总体设计应根据总坝高进行一次性设计，分步实施。
2.3系统功能及技术要求
2.3.1系统功能
1.监测指标的全面性
包括位移监测、浸润线监测、库水位、雨量计、干滩等关键参数监测，结合库区图像，做到各数据监测的无缝结合。
2.信息采集时效性
系统支持主动式及应答式采集数据模式，即保证数据的实时性，又保证数据的有效性。
3.强大的专家分析系统
专家预警分析系统实现实时分析和解读各监测数据，做出单项或多项对比报警功能，同时能够根据各监测数据的变化，综合分析出坝体的安全运行状况，辅助矿方决策。
4.对异常监测指标通过短消息发送到矿方管理人员
监测指标达到预报值时，联动短信群发平台，给矿方有关人员和领导短信提示，使矿方能够及时采取相关的处理措施，消除安全隐患，确保尾矿库的安全运行。
5.节省投资，降低运行维护费用
系统的选用的组件都是免维护、寿命长的产品；系统依托的网络采用有线与无线联合组网的方式，不仅投资少，且拥有良好的扩展性和整合性。
其中部分设备采用太阳能供电，降低了运行维护的成本，节能高效。
6.良好的兼容性及扩展性
本系统可根据坝体的加高，增加相关监测设备，具有良好的扩展性；依据万利矿业尾矿坝现场值班室的网络状况实现上级管理部门的远程登录查看。
2.3.2基本性能指标
Ø巡测采样时间小于10分钟，可以由用户人为设定；
Ø测量周期为l0分钟~30天，可调；
Ø监控中心环境温度保持在20°C~30°C，湿度保持不大于85％；
Ø系统工作电压为220（1±l0％）V；
Ø系统故障率不大于5％；
Ø防雷电感应不小于2000V；
Ø采集装置测量范围满足被测对象有效工作范围的要求；
Ø数据采集装置，能适应应答式和自报式两种方式，按设定的方式自动进行定时测量，接收命令进行选点、巡回检测及定时检测；
Ø计算机系统，与数据采集装置连接在一起的监控主机和监测中心的管理计算机配置应满足在线监测系统的要求，并应配置必要的外部设备；
Ø数据通信，数据采集装置和监控主机之间可采用有线网络通讯，尾矿库安全监测站或网络工作组应根据要求提供网络通信接口。
2.3.3监测系统精度指标
（1）表面位移：
水平精度2mm，垂直方向精度优于5mm；
（2）浸润线：
精度优于10mm；
（3）库区水位：
精度优于20mm;
（4）干滩长度精度优于5m；
（5）降雨量：
一次降雨≤10mm，误差≤±0.2mm；一次降雨＞10mm，误差≤（0.2mm+1%F.S）。
（6）摄像机综合分辨率不低于200万像素。
2.4系统主要监测参数
根据《尾矿库安全监测技术规范》，本案监测参数包括：
Ø位移监测：
坝体表面位移；
Ø渗流监测：
浸润线监测；
Ø干滩监测：
滩顶高程、干滩长度、干滩坡度监测；
Ø水文监测：
库水位和雨量监测；
Ø其他监测：
视频监测。
2.5系统总体设计及系统拓扑结构
万利矿业尾矿库在线监测系统由库区监测点传感器系统、库区监控站和远程监控端三部分组成，三部分组成一个有机的整体，实现系统的整体建设目标。
（1）库区监测点传感器系统总体设计
库区监测点传感器系统的设计是按照尾矿库现行情况进行设计的。
按监测项目参数的性质划分，库区监测点传感器系统主要有以下六个部分：
1）坝体地表变形位移测量：
采用可以实时获取监测点高精度三维坐标的GPS位移在线监测系统。
主要由5台GPS接收机组成，其中1台为基站，4台为监测点；
2）坝体浸润线测量传感器：
采用4台渗压计；
3）库水位测量传感器：
采用1台液位传感器；
4）干滩监测系统：
采用一台高清枪机组合系统，结合库水位计计算。
可以实时获取滩顶高程、干滩长度、干滩坡度；
5）1200×1700（204万），360度水平回旋镜头，90度垂直镜像。
图2-1库区监测点传感器布设示意图
（2）库区监控站总体设计
选矿厂库区监控站由服务器、交换机、存储器、大屏幕、配电设施、消防设施、避雷等硬件系统和综合监控平台软件系统组成。
实现监测数据自动采集、传输、存储、处理分析，综合预警以及网络发布。
所有设备的配置均保证现监测状项目的需要。
（3）远程监控端总体设计
矿山企业尾矿库安各级全管理人员以及政府各级主管部门，根据授权码登录系统，实现对监控参数的远程查看、检查、督导。
图2-2尾矿在线监测系统拓扑图
2.6系统报警阀值设计
（1）设计思路
通过软件对监测参数的定量分析，当监测参数超限时系统会自动报警，提醒相关人员采取措施，避免安全态继续向危险状态演变，从而达到消除事故隐患的目的。
报警系统按三级报警状态设计。
报警级别
报警告知部门和人员（待定）
告警方式
（可选）
备注
1级报警
库区值班室值班人员、安环部主管
手机短信、邮件、声音报警
企业可以结合本企业尾矿库安全管理组织体系，通过软件预设系统告警人员，按软件提示，录入告警人员的部门、职务、姓名、邮箱、手机即可。
2级报警
库区值班室值班人员、安环部主管、企业主管副总、总工、总经理
手机短信、邮件
3级报警
库区值班室值班人员、安环部主管、企业主管副总、总工、总经理、政府
手机短信、邮件
表格2-1报警级别分类表
（2）三级报警阀值设计
预警值的设置是随着坝体的增加而计算出的动态值，目前设置的预警值是针对当前坝高情况下的值，以后根据坝高的增加而进行调整。
1）表面位移
目前关于尾矿坝表面位移预警阀值设计没有相关技术规范可以参考，经咨询行业相关专家，建议根据该库筑坝材料、筑坝工艺、排矿工艺、坝体位移历史观测数据以及其他同类工程经验，进行坝体表面位移阀值设计：
监测参数
1级报警阀值
2级报警阀值
3级报警阀值
平面位移
15mm
25mm
30mm
垂直沉降
20mm
30mm
40mm
表格2-2表面位移报警阈值表
2）浸润线
根据《尾矿库设计手册》下册（冶金出版社，P810）关于尾矿库设计要求，“地震区的尾矿坝，浸润线的深度要求达到6-8米”，本方案的东坝浸润线孔设计为10m，浸润线的三级报警依次设置为：
监测参数
1级报警阀值
2级报警阀值
3级报警阀值
浸润线
8m
7m
6m
表格2-4浸润线报警阈值表
3）干滩、安全超高、库水位报警阀值设计
1滩长、安全超高、库水位的关系
如下图所示：
图2-3滩长、安全超高、库水位的关系示意图
为了保证尾矿库安全库容，尾矿库库水位必须低于最高洪水位H2运行，一旦库水位高出最高洪水位，最小滩长及最小安全超高将会超限，为了确保这一点，《尾矿库安全技术规程》规定上游式尾矿坝沉积滩顶至最高洪水位的高差不得小于下表中的最小安全超高值，同时，滩顶至最高洪水位边线距离不得小于下表中的最小滩长值，这是3级报警值设计的依据。
坝的级别
1
2
3
4
5
最小安全超高（m）
1.5
1.0
0.7
0.5
0.4
最小滩长（m）
150
100
70
50
40
表格2-5最小超高、最小干滩三级报警阈值表
为了保证汛期的调洪库容安全，如图所示，库水位不能超过H3最低洪水位，滩长不能超过最低洪水位对应的干滩长度滩长L2。
这是2级报警值设计的依据。
如上所述，一旦发生2级和3级报警，企业必须停产采取降排措施，确保调洪库容安全和安全库容安全。
但是，一旦停产，将对企业生产带来损失，为了提醒相关人员，又不至于一报警就要停产，所以结合企业要求，比最低洪水位H3低20cm作为库水位的一级报警阀值，1级水位报警阀值对应的干滩长度及安全超高作为干滩长度和安全超高的1级报警阀值。
2三级报警阀值设计：
监测参数
1级报警阀值
2级报警阀值
3级报警阀值
干滩长度
110m
100m
70m
表格2-6干滩长度
备注：
库水位三级报警阀值可依据目前尾矿库的运行情况及堆积坝情况进行修改，计算公式如下：
库水位3级报警阀值=当前坝高-安全超高3级报警阀值
库水位2级报警阀值=当前坝高-安全超高2级报警阀值
库水位1级报警阀值=当前坝高-安全超高1级报警阀值
随着堆积坝不断增高，选矿厂监控端管理人员可以结合实际坝高自行计算。
4）降雨量
关于尾矿库库区降雨量的报警阀值，目前相关规程没有这方面的阐述，根据气象部门对雨级的划分以及企业安环部管理人员的建议，降雨量报警阀值按中雨、大雨、暴雨进行设计，依次为：
10mm、25mm、50mm。
监测参数
1级报警阀值
2级报警阀值
3级报警阀值
降雨量
10mm
25mm
50mm
表格2-7降雨量报警阈值
第三章尾矿库在线监测系统详细设计
依据《尾矿库安全监测技术规范》的要求，尾矿库在线安全监测系统要求具备如下监测手段：
1）坝体表面位移；
2）浸润线监测；
3）干滩长度、坡度及滩顶标高监测；
4）库水位；
5）尾矿库视频监控。
3.1坝体地表变形位移测量设计
3.1.1设计依据及监测原理
设计依据
依据《尾矿库安全监测技术规范》AQ2030—2010第5条：
——位移监测用的平面坐标及水准高程，应与设计、施工和运行诸阶段的控制网坐标系统相一致。
——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。
监测原理
本系统采用GPS自动化监测方式对坝体表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：
各GPS监测点与参考点接收机实时接收GPS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GPS数据处理软件实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。
GPS表面位移监测的误差水平为±2mm，高程方向为±5mm。
注：
GPS表面位移点均可以和当地的坐标系进行联测，所有监测点的坐标均可以转换为当地坐标。
3.1.2总体设计
顶高共布设2个横断面，每个横断面布设2个点，共4个监测点，1个参考站。
GPS参考站也可以称为连续运行参考站，它是整个尾矿库坝表面位移监测的基准框架，一般一个GPS参考站能够覆盖3km以内的监测点，鉴于万利尾矿库的情况，设置一个参考站即可，为了保证监测系统稳定可靠，参考站需定时统一和矿区控制点进行联测，以实现监测坐标与矿区坐标的统一，同时校准参考点是否会发生位移。
该尾矿库GPS监测基站设置在堆积坝外的山坡上，详见附录图纸。
根据尾矿库设计单位提供的设计方案中各堆积子坝的位置，结合现场踏勘的实际情况，本次在2个横断面上布设坝体表面位移的位置分别为：
1.初期坝坝顶，标高320.13m，布设2个GPS点；
2.第4级堆积子坝，子坝标高344.38m，与初期坝标高相差24.25m，布设2个GPS点。
3.目前堆积坝顶，第8级堆积子坝，子坝标高362.73m，与第4级堆积坝标高相差18.35m，布设2个GPS点；
4.设计最终堆积坝坝顶，设计标高397.73m，与第8级子坝标高相差35m，布设2个GPS点。
剖面编号
剖面位置
监测点编号
安装位置
剖面GPS1
坝体中心最大剖面与北侧山体中心处
GPS1-4
标高397.73m，最终堆积坝顶
GPS1-3
标高362.73m，第8级子坝
GPS1-2
标高344.38m，第4级子坝
GPS1-1
标高320.13m，初期坝顶
剖面GPS2
坝体中心最大剖面与南侧山体中心处
GPS2-4
标高397.73m，最终堆积坝顶
GPS2-3
标高362.73m，第8级子坝
GPS2-2
标高344.38m，第4级子坝
GPS2-1
标高320.13m，初期坝顶
基准站
视野开阔处
GPS-JZ
堆积坝外的山坡上
表格3-1表面位移的监测点位置分布表
3.1.3现阶段设计
堆积坝第8级子坝（标高362.73m）为目前堆积坝顶。
表面位移的现阶段设计只包含堆积坝第8级子坝及以下进行设计的。
编号
剖面位置
监测点编号
安装位置
剖面GPS1
坝体中心最大剖面与北侧山体中心处
GPS1-3
标高362.73m，第8级子坝
GPS1-2
标高344.38m，第4级子坝
GPS1-1
标高320.13m，初期坝顶
剖面GPS2
坝体中心最大剖面与南侧山体中心处
GPS2-3
标高362.73m，第8级子坝
GPS2-2
标高344.38m，第4级子坝
GPS2-1
标高320.13m，初期坝顶
基准站
视野开阔处
GPS-JZ
堆积坝外的山坡上
表格3-2表面位移现阶段监测点位置分布表
注：
各监测纵断面高差均符合优于规范要求的30-60m高差布设间隔，且每排监测点的间距满足规范要求的距离。
3.1.3数据通讯
GPS设备输入输出数据均为数字信号，由串口服务器转换为网络信号，再由数据传输模块传输至值班室监控中心服务器，提高了数据传输的安全性和可靠性。
图3-3表面位移GPS监测拓扑图
3.1.6防雷设计
坝体表面位移监测系统采用避雷针进行直击雷防护，使用单项电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。
（1）直接雷电防护
具体避雷方式要求避雷针与被保护物体横向距离不小于3m，避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算即可。
图3-4直击雷预防示意图
避雷针选用国内知名企业标准型避雷针：
图3-5避雷针
技术参数
⏹雷电通流容量kA：
200
⏹电阻Ω：
≤1
⏹高度m：
2.1
⏹质量kg：
4.8
⏹最大抗风强度m/s：
40
⏹安装尺寸mm：
φ70±0.26
（2）感应雷电防护
1）电源防雷保护
采用金属机柜屏蔽感应雷，电源部分加装防雷插座和单项电源避雷器。
图3-6单项电源避雷器
2）通讯线路防雷保护
在通信线路两端分别加装防雷器，一端靠近传感器，避免由于感应雷造成的电流对传感器的损害；另一个防雷器尽量靠近数据处理设备。
避雷器的接地端与避雷网连接，连接处采用涂抹防锈漆等手段保证导电，接地电阻不大于4欧姆。
避雷器存在一定的插入损耗，对于数据信号的强度造成了一定的影响，我们根据实际情况增加信号放大器等相关设备。
图3-7通讯线路防雷器
（3）接地网
地网的建设选用4根50×50×5mm热镀锌角钢为垂直地极L=2.5米，以40×4mm热镀锌扁钢互连，地极埋地深度>0.7米。
避雷针基座为500×500×60mm钢筋混凝土，由地网引两根40×4mm热镀锌扁钢与基座连接（连接处必须为焊接）。
接地电阻小于10欧姆。
3.1.7施工安装
1.在选定地址开挖到冻土层（根据当地情况确定）以下，具体施工严格按照图纸（见附图2GPS观测墩设计图纸）和规范要求施工。
1）观测墩采用现浇混凝土加300mm高强度PVC套管施工工艺，混凝土强度等级C30。
主筋最小砼保护层厚度为30mm。
搅拌现场必须配有合格的称量器具,严格按照设计配合比下料。
2）水泥要求：
普通硅酸盐水泥，强度等级P.O42.5；5～40mm级配良好的石子，中砂，水须采用饮用水。
根据施工情况混凝土需加拌外加剂如：
早强剂、防冻剂、引气剂等，质量必须合格，不得使用含氯盐的外加剂。
3）考虑到耐久性要求，混凝土按C30强度设计，根据以往施工经验，推荐以下配合比：
材料名称
水
水泥
中砂
石子（最大粒径40mm）
单位
kg
Kg
kg
kg
用量
180
300
600
1226
单位
m3
m3
m3
m3
用量
0.18
0.30
0.44
0.82
表格3-3每立方米混凝土材料参考用量表
图3-8观测墩施工示意图
注：
上述配合比是根据以往施工经验编写的，仅供参考。
如手边有质监部门提供的C30混凝土配合比，可以采用。
4）拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0℃以上时，拆模时间不得少于12h。
2.钢筋的加工、连接及安装应按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》标准进行施工，配筋图详见附图；
1）底座框架的尺寸为：
高0.5m，1.2m见方的长方体，底座钢筋笼为两层结构，间距为为30cm。
钢筋尺寸为国标12#螺纹钢。
2）立柱钢筋结构为四根竖筋，利用圆钢进行捆绑。
捆绑箍间距为30cm。
其中竖筋为国标12#螺纹钢，箍筋为国标8#圆钢。
钢筋的长度根据圆柱高度现场确定。
3）浇筑前要在钢筋笼内合适的位置预埋直径不小于25mm的PVC管，用于后期布设GPS天线供电电缆。
4）立柱浇筑结束时要安装强制对中标志，并严格整平；立柱外表要保持清洁，并且预埋PVC管要贯通。
5）立柱浇筑一周时间凝固后，进行GPS和机柜的安装。
为了防雨淋、日晒，防风，延长天线使用寿命，双频天线的保护罩采用华测生产的全封闭式GPS专用天线罩,天线罩还有防盗、透过率高等优势。
6）观测墩顶部装强制对中器，顶端加工有5／8英制螺旋以固定GPS天线，天线柱下端通过螺栓与GPS天线底座牢固连接，GPS天线底座要确保整个天线安装装置与观测墩形成一个整体。
安装时，考虑天线对空通视的要求、天线安放稳定性、天线维护便利性、外观美观性等因素。
同时观测墩中心预留走线孔。
7）在机柜中，按数据传输路径，分别安装天线转换器、GPS接收机、串口服务器等。
供电电源一并引入机柜，并且强电弱电隔离布线，整洁美观，便于维护。
机柜下端预留通线孔，供电源数据线的接入。
机柜距离地面宜≥30cm。
固定螺钉应拧紧，不得产生松动现象。
外加防护警告装置，避免非工作人员破坏。
图3-9设备安装示意图
图3-10监测站设备安装
3.2坝体浸润线测量设计
3.2.1设计依据及监测原理
设计依据
依据《尾矿库安全监测技术规范》AQ2030—2010第6条：
——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。
监测原理
采用数字式渗压计，通过在坝体里钻凿钻孔，把渗压计放置在钻孔里（与测压管结合使用）。
通过测量渗压计的压力，再转化为水头高度（高程），结合安装深度以及孔口高程即可得到坝体或者绕坝的浸润线高度（高程）。
测量精度取决于渗压计的精度，误差小于10mm。
浸润线高度=安装仪器高+渗压计测量高度
3.2.2总体设计
浸润线位置一般选择在表面位移监测点附近，和其一样，一般设计几个监测剖面，需要钻孔深度一般为见水2～4米以下。
图3-14尾矿坝浸润线设计示意图
面，每个监测断面上布设5个监测浸润线监测点，共布设15个监测孔。
浸润线监测孔选点依据：
（1）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。
（2）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，其间部位参考位移监测点位置。
监测坡面编号
剖面位置
监测点编号
安装位置
打孔深度
JR1
坝体中心最大剖面
JR1-5
标高3
升级会员 