最新尾矿库在线安全监测系统精品版.docx
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昙花教学实录尾矿库在线安全监测系统及露天矿边坡监测系统
报价单位：
上海华测导航技术有限公司
报价日期：
2013年5月
1前言5
第一章尾矿库基础资料6
1.1塔东矿业公司概况6
第二章尾矿库在线监测系统整体设计7
2.1系统设计的依据7
2.2系统设计的原则7
2.3系统建设整体目标及技术要求8
2.3.1系统功能目标8
2.3.2基本性能指标9
2.3.3监测系统精度指标9
2.3.4在线监测系统软件整体要求9
2.4系统主要监测参数10
2.5系统组成及系统拓扑结构10
2.6系统报警设计12
第三章尾矿库在线监测系统详细设计15
3.1坝体地表变形位移测量设计15
3.1.1设计依据及监测原理15
3.1.2总体设计16
3.1.3设备选型17
3.1.4数据通讯19
3.1.5防雷设计20
3.1.6施工安装22
3.2库水位监测设计25
3.2.1设计依据及监测原理25
3.2.2测点布置26
3.2.3设备选型26
3.2.4数据通讯26
3.2.5防雷设计27
3.2.6施工安装27
3.3干滩监测设计28
3.3.1依据及监测原理28
3.3.2测点布置29
3.3.3设备选型29
3.3.4数据通讯30
3.3.5防雷设计30
3.3.6施工安装31
3.4雨量监测设计31
3.4.1设计依据及监测原理31
3.4.3数据通讯32
3.5视频监控设计32
3.5.1设计依据32
3.5.2测点布置32
3.5.3设备选型33
3.5.4数据通讯34
3.5.5防雷设计35
3.5.6施工安装35
3.6配电系统设计36
3.7调度室监控站设计37
3.7.1监控中心设计37
37
3.7.2监控中心平台软件37
第四章系统建设进度安排46
第五章排土场GPS在线监测系统47
5.1监测原理47
5.2总体设计47
5.3供电系统47
附图1：
GPS观测墩设计图49
附图2：
设备固定立杆设计图50
附图3：
避雷网设计图51
附件4：
以往部分案例：
52
1前言
近年来，我国尾矿库事故时有发生，给人民的生命财产造成了极大的威胁，总体安全形势不容乐观。
结合目前，我国很多矿山企业的尾矿库已运行了多年，库容量在逐渐减小，抵制自然灾害的能力不断下降，安全隐患日益增多，尤其在雨季，洪水、滑坡、溃坝隐患时刻威胁着尾矿坝的安全。
尾矿库安全事故给人民生命财产及环境的安全带来巨大损失。
长期以来，尾矿库管理由于监测监控不完备、监测监控技术落后，专业监测人员缺乏等原因，许多尾矿库处在无监测监控状态，少数在建的尾矿库运行参数监测误差大、不准确，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标，这些都极大影响尾矿库的安全管理。
当前，尾矿库安全运行的主要技术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深、干滩指标、降雨量等，均由人工定期用传统仪器到现场进行测量（部分还有没有观测手段），安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。
同时，人工监测还存在不能及时监测尾矿库的各项技术参数，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，这些都将影响尾矿库的安全生产和安全管理水平。
尾矿库在线监测系统监测的坝体位移、浸润线、库水位、库区视频，是利用现代电子、信息、通信及计算机技术，实现对尾矿库监测指标数据实时、自动、连续采集、传输、管理及分析的监测技术。
系统的运行能够为尾矿库日常安全管理及尾矿库安全运行提供服务，尾矿库安全监测系统的逐布实施和推广，可以大幅度提高对于尾矿库溃坝灾害机理的认识水平，全面提高尾矿库安全监管和日常管理水平，增强企业、社会、政府对于尾矿库灾害的预警响应能力，建立更便于尾矿库运行期安全管理和风险控制的溃坝风险综合评判方法。
为落实<<国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知>>（国（2010）23号）,以下为设计尾矿库在线监测系统，保证尾矿库的安全生产。
第一章尾矿库基础资料
1.1塔东矿业公司概况
某矿区位于敦化市，行政区划隶属敦化市雁鸣湖镇。
矿区距雁鸣湖镇直距20km。
201国道在矿区南部通过，国道有乡村和林区公路与矿区相通，交通较方便。
吉林省黑色冶金行业发现存量最大矿山，是全省实施钢铁发展战略、加快钢铁主业加速发展的希望工程。
公司成立于2007年9月14日。
注册资本10亿元，由吉林通钢矿业有限责任公司、吉林省地质矿产开发院、吉林敖东药业集团有限责任公司三家单位本着“互惠互利、真诚合作、共同发展、诚实信用、实现共赢”的原则共同设立。
塔东矿业公司矿石量为13214×104t.塔东铁矿设计服务有限34年。
根据塔东铁矿矿床预存条件，矿山采选规模为450×104t/a.最终产品为：
年产Fe66%铁精粉90.88×104t、S35%硫精矿23.6×104t、P2O530%磷精矿9.2×104.最终建成采矿场一座，选矿厂一座。
硫酸厂一座，化肥厂一座。
第二章尾矿库在线监测系统整体设计
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《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）；
Ø《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010）
Ø《尾矿设施施工及验收规程》（YS5418-95）；
Ø《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）；
Ø《建筑物防雷设计规范》2000年版（GB50057-1994）；
Ø《视频安防监控系统工程设计规范》（GB50395-2007）；
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）；
Ø《关于尾矿库治理工作有关问题的处理意见》（安监管一字[2009]29号）；
Ø《关于进一步加强中小型金属非金属矿山（尾矿库）安全基础工作改善安全生产条件的指导意见》（安监总管一［2009］44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要求，相关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系统建设整体目标及技术要求
2.3.1系统功能目标
Ø自动化监控功能
系统能够实现监测数据自动采集、传输、存储、处理分析及综合预警，并具备在各种气候条件下实现适时监测的能力。
Ø远程在线查看功能
企业各级尾矿库安全管理职能部门可以通过网络实现对尾矿库各项在线监测参数的查看；
Ø在线分析功能
安全监测管理分析模块应具备基础资料管理、各项监测内容适时显示发布、图形报表制作、数据分析、综合预警等功能。
其中数据分析部分应包括各项监测内容趋势分析、综合过程线分析等内容。
Ø预报警功能
通过软件对监测参数的实时在线分析，一旦监控参数超限，系统能够进行声光报警、短信报警、邮件报警。
提醒相关人员采取措施，预防溃坝事故发生。
Ø权限管理功能
根据各级权限，各级监管部门可以不受时间和地点限制，只要登陆网络，即可实现对尾矿库的远程督导和检查。
Ø应急救援保障功能
通过尾矿库基础资料、应急预案、现场视频，为应急救援指挥提供技术保障。
Ø系统应具有扩展功能
系统在硬件配置及软件设计时应充分考虑随着堆积坝的增高，增加监测点后传感器的接入。
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
Ø表面位移：
水平精度小于3mm，垂直精度小于5mm；
Ø干滩测量：
＜1m；
Ø库水位：
5mm;
Ø降雨量：
优于1mm；
Ø视频监控：
摄像机综合分辨率不低于200万像素。
2.3.4在线监测系统软件整体要求
尾矿库监测监控平台软件要求具备专业性和集成性、库区视频监控和智能分析、以及传感器数据监测预警功能须在同一系统内实现，杜绝简单功能堆叠、拼凑造成的系统隐患。
监控室终端显示屏应能够同时显示所有监控对象，并支持对多个画面的任意切换组合。
监控画面需要与对应位置的传感器点位数据进行关联，以保障对传感器数据的核查分析有充足的理由。
2.4系统主要监测参数
根据《尾矿库安全监测技术规范》，结合塔东矿业蛤蟆石沟尾矿库的现状，本案监测参数只包括：
Ø位移监测：
坝体表面位移；
Ø水文监测：
库水位和雨量监测；
Ø其他监测：
视频监测。
2.5系统组成及系统拓扑结构
塔东矿业蛤蟆石沟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
库区监测点传感器系统完成在线监测项目的数据采集。
按监测项目参数的性质划分，现场监测仪器设备主要有以下几个部分：
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；
2）雨量监测：
采用容栅雨量计；
3）视频监控：
带红外夜视功能的数字摄像机。
图2-1库区监测点传感器布设示意图
（2）监控中心
矿调度中心监控站由服务器、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。
（3）远程监控端
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尾矿在线监测系统总拓扑图
2.6系统报警设计
（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
报警人员
报警方式
备注
1级报警
值班人员、安环部主管
手机短信、邮件、声音报警
企业可以结合自身管理体系，通过软件预设报警人员，及相关报警人员的信息
2级报警
值班人员、安环部主管、总工
手机短信、邮件、声音报警
3级报警
值班人员、安环部主管、总工、总经理
手机短信、邮件、声音报警
表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。
目前关于尾矿库监测参数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，进行尾矿库监测参数阀值设计；
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
25mm
30mm
35mm
2）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会水位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
表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
安全超高
1.4m
1.2m
0.5m
库水位
463.6m
463.8m
464.5m
表2-6、安全超高、库水位报警阈值表
备注：
库水位三级报警阀值是基于目前坝高465米设计的，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。
3）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2-7降雨量报警
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，塔东矿业蛤蟆石沟尾矿库属于三等尾矿库，由于该坝属于不透水坝，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）干滩监测；
3）库水位监测；
4）降雨量；
5）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GPSensor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±3mm。
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
坝体监测点设计个数视坝轴线的长度、坝体的高度而定，由于该坝为一次性筑坝，且为不透水坝体，根据规范，建议在465坝顶、排水棱体坝顶、值班机房一共分布6个GPS点，其中5个监测点，1个基准点。
另外电源采用220V市电。
下图为塔东矿业项目监测点布置图：
塔东矿业尾矿坝监测系统监测站选址示意图
基点布位置图
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10KM以内的监测点，鉴于塔东矿业尾矿库的情况，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。
尾矿库GPS监测基站设置在值班机房的房顶。
3.1.3设备选型
根据系统的实际情况及所要达到的技术指标，并参照《全球定位导航系统测量规范》，尾矿库坝体位移监测系统选择华测X300M监测专用接收机和配套天线罩。
1）X300M接收机
X300MGPS是一款技术先进、简单易用、性价比高的监测专业接收机，其坚固的外型结构和通用的技术性能适合在任何情况下长时间连续工作。
X300M与大地测量型天线设备集成在一起，并配合核心解算软件，能够最大限度地满足滑坡体、尾矿坝、沉降等变形监测的需要。
图3-1X300MGNSS接收机
主要特点：
◆各外置端口采用2000伏光电隔离
◆使用寿命长，最低使用寿命为5年，2年质保
◆水平精度2mm+1ppm（规范要求＜3mm）
◆垂直精度3mm+1ppm（规范要求＜5mm）
◆可靠性>99.9%
◆远程控制
◆内置UPS服务器实现断电保护功能
◆接口防雷设计，整机工业级标准
2）GPS天线罩
GPS天线罩针对GPS工作频段（1575±25MHz）建议采用华测定制产品。
图3-2华测GPS天线罩
产品特性：
◆防酸、防盐雾、防紫外线、耐冲击
◆防腐,抗老化性能佳,寿命长
◆电绝缘性佳,透波性强，达到99%以上
◆在高温,低寒等恶劣环境中使用性能更加突出
3.1.4数据通讯
GPS设备输入输出数据均为数字信号，由无线网络传输至现场值班室，后由光纤传输至监控中心服务器，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
3.1.5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
避雷针选用四川中光ZGZ-200-2.1型号避雷针：
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。
3.1.6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1GPS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3-2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；
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天线电线。
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
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