CN110865592A - 一种尾矿库渗流监测系统及其综合预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种尾矿库渗流监测系统及其综合预警方法，本发明采用先进技术方法，采用对尾矿库坝体进行监测的水文气象监测模块、干滩监测模块以及土壤监测模块，本发明将测得的尾矿库水文气象数据、干滩数据、土壤渗流数据等各类监测结果进行数据处理，相互比较，重点将雨量、干滩长度、渗流量等参数结合起来，综合预测尾矿库漫坝和坍塌风险，为尾矿库渗流预警提供了一种可行性高、机制更完善的预警方法。

Description

一种尾矿库渗流监测系统及其综合预警方法

技术领域

本发明涉及尾矿库安全监测技术领域，具体涉及一种尾矿库渗流监测系统及其综合预警方法。

背景技术

我国矿产资源种类丰富，部分矿种储量居世界前列。然而，我国矿产资源总体特点是贫矿多、富矿少，多金属矿多、单一矿种少，金属品位普遍偏低，采选过程中形成的固体废弃物多，产生了大量的采矿库。矿业的开发为我国的经济发展做出了巨大贡献，但同时也带来了严重的环境污染，使矿企和社会都面临着严峻的环境综合治理问题。

矿山的开发利用往往产生大量的尾矿,目前对选厂的尾矿还没有经济有效的处理方法。但尾矿中往往含有各种有毒有害的物质，直接排放会对矿山周围的空气、地下水、土壤造成严重的污染和生态破坏。因此，采用筑坝拦截谷口或围地构成的尾矿库，来做为堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所显得至关重要。

目前，尾矿大都存放在矿区附近的尾矿库中，随着尾矿库周围风化等条件的变化，尾矿库成为一个具有高势能的人造泥石流危险源，一旦发生溃坝事故，破坏力巨大的泥石流将涌向下游区域，对人类的生存环境，如周围的空气、地下水、土壤、植被及生态环境都将造成巨大的危害。因此，尾矿库的安全监测对于将强尾矿库的安全监管，把握尾矿库的安全现状，减少尾矿库的事故发生和等有着重要意义。

当前，我国尾矿库安全运行的主要技术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期用传统仪器到现场进行测量，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，存在较大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特点，这些都将影响尾矿库的安全生产和管理水平。因此，我国矿山安全生产急需尾矿库实时、自动化监测的技术和系统。

尾矿库在线监测系统是利用传感器技术、信号传输技术、计算机图形图像处理技术、网络技术和软件工程技术，从宏观和微观、理论和实践相结合的全方位角度，来监测影响尾矿库及坝体安全的各种关键技术指标，依据所记录的历史数据和现有的实时数据，分析未来的走势，以便辅助企业及政府决策，提升尾矿库安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故发生。

目前，比较常用的尾矿库监测方法主要是分析一些单点的监测数据。首先，部分单点的监测数据不够全面。其次，监测结果根据不同的监测手段存在不同的误差。另外，这样的监测结果无法从整体上准确把握尾矿库的变形及其强度。

发明内容

为了更好的解决以上技术问题，本发明提供一种尾矿库渗流监测系统及其综合预警方法，可以更好的实现尾矿库在线监测自动化监测，确切做到监测数据的实时性、真实性、稳定性、准确性，为矿山企业有效掌握尾矿库的渗流情况，安全生产做好风险管控。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种尾矿库渗流监测系统，包括对尾矿库坝体进行监测的水文气象监测模块、干滩监测模块以及土壤监测模块；

其中，所述水文气象监测模块用于对尾矿库的矿区温度、降雨量及降雨量变化率的实时监测，其包括降雨量监测模块，降雨量监测模块将实时监测到的数据传送至水位高程监测模块；

所述干滩监测模块包括滩顶高程监测模块和所述的水位高程监测模块，干滩监测模块用于对尾矿库干滩安全参数的实时监测并将实时监测到的数据传送至土壤监测模块；

土壤监测模块，用于结合所接收到的实时监测数据并对尾矿库坝内部竖井监测点进行空管长度监测，然后将监测到的空管长度数据传送到浸润线监测模块和浸润面监测模块进行处理，浸润线监测模块的处理结果传送至浸润面监测模块进行组合预测，得出预警数值。

进一步的，所述降雨量监测模块包括雨量计和MCU数据处理模组，通过实时监测雨量计的瞬时雨量，计算出小时雨量、日雨量的数据。

进一步的，水位高程监测模块用于接收降雨量监测模块的数据并对尾矿的水位高程进行实时监测，干滩监测模块包括物位计、激光测距仪、485总线模组及激光通信模组，尾矿水位高程和滩顶高程通过监测点物位计测得，干滩长度和坡比通过激光测距仪结合滩顶高程、库水位高程、激光测距仪倾角进行测量计算。

进一步的，所述干滩监测模块也可通过摄像机和无人机拍摄等图像传感器进行组合监测。

进一步的，所述土壤监测模块包括空管长度监测模块，空管长度监测模块用于对尾矿库坝内部竖井监测点进行空管长度监测。

进一步的，所述浸润线监测模块和浸润面监测模块均包括渗压计和MCU数据处理模组，各监测点为竖向深井结构，在每个深井底部安装1个渗压计传感器。

一种尾矿库渗流监测系统的综合预警方法，该综合预警方法用于对尾矿库的断面进行单点预警，该综合预警方法包括以下步骤：

S1：获取断面上所有浸润线监测点中渗压计的压力大小，并计算出各监测点水深；

S2：根据各监测点渗压计埋深和水深，二者相减获得监测点空管长度；

S3：根据尾矿库设计时确定的空管长度报警阈值，判断各监测点是否需要报警；

S4：根据各监测点安装的渗压计高程与水深，计算出各监测点水面高程；

S5：根据各监测点水面中心点位置，利用最小二乘法，计算该断面的浸润线近似函数式；

S6：以监测点为分隔点，将浸润线分隔为多个区间；

S7：在相邻两个监测点间的浸润线上，等间距统计10~20个浸润点，计算在垂直于浸润线方向上与地表线之间的距离；

S8：计算所有监测点的线间距、线间距的平均值、最大值、最小值，以及最大值和最小值的位置；

S9：根据尾矿库设计时确定的线间距平均值和最小值的预警阈值，判断是否需要报警，并确定报警区间位置和报警点位置。

本发明的优点表现为以下各方面：

一、水文气候条件对尾矿库的影响；不同气候降雨量差别很大，库水位、干滩长度及其变化率会直接引起尾矿库洪水漫顶，浸润线、空管长度及其变化率会使尾矿库受到渗流破坏，因此本发明在不同水文气候条件下对尾矿库进行重点加强监测能有效掌握尾矿库的渗流情况，降低事故发生概率；

二、提出了一种新的浸润线综合预警方法；本发明中提出的浸润线综合预警算法，可有效模拟出尾矿库内部浸润程度，并能计算和预测出浸润线上除监测井水面中心点之外的许多浸润点与地表线之间的距离，从而有效预测整个浸润线与地表线之间的距离，重点突出二者之间的线间距的平均值和最小值的重要性，并同时将土壤浸润情况进行非线性预测表征为浸润线和浸润面，使得尾矿库坝的监测更为清楚直观，为保证尾矿库坝安全提供了重要的方案；

三、提出了一种渗流综合预警方法；本发明将测得的尾矿库水文气象数据、干滩数据、土壤渗流数据等各类监测结果进行数据处理，相互比较，重点将雨量、干滩长度、渗流量等参数结合起来，综合预测尾矿库漫坝和坍塌风险，为尾矿库渗流预警提供了一种可行性高、机制更完善的预警方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种尾矿库渗流监测系统的结构示意图；

图2是本发明的雨量历史记录的结构示意图；

图3是本发明的浸润线剖面的结构示意图；

图中标记：1-尾矿库渗流监测系统，2-水文气象监测模块，3-干滩监测模块，4-土壤监测模块，5-降雨量监测模块，6-水位高程监测模块，7-滩顶高程监测模块，8-空管长度监测模块，9-浸润线监测模块，10-浸润面监测模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种尾矿库渗流监测系统，包括对尾矿库坝体进行监测的水文气象监测模块2、干滩监测模块3以及土壤监测模块4；

其中，所述水文气象监测模块2用于对尾矿库的矿区温度、降雨量及降雨量变化率的实时监测，其包括降雨量监测模块5，降雨量监测模块5将实时监测到的数据传送至水位高程监测模块6；

所述干滩监测模块3包括滩顶高程监测模块7和所述的水位高程监测模块6，干滩监测模块3用于对尾矿库干滩安全参数的实时监测并将实时监测到的数据传送至土壤监测模块4；

土壤监测模块4，用于结合所接收到的实时监测数据并对尾矿库坝内部竖井监测点进行空管长度监测，然后将监测到的空管长度数据传送到浸润线监测模块8和浸润面监测模块10进行处理，浸润线监测模块8的处理结果传送至浸润面监测模块10进行组合预测，得出预警数值。

进一步的，所述降雨量监测模块5包括雨量计和MCU数据处理模组，通过实时监测雨量计的瞬时雨量，计算出小时雨量、日雨量等数据。由于小时雨量、日雨量分别是瞬时雨量在各时间段的累计，因此有效估计不同降雨情况下库内水位高程及其变化率。雨量的历史记录见图2所示；

进一步的，水位高程监测模块6用于接收降雨量监测模块5的数据并对尾矿的水位高程进行实时监测，干滩监测模块3包括物位计、激光测距仪、485总线模组及激光通信模组，尾矿水位高程和滩顶高程通过监测点物位计测得，干滩长度和坡比通过激光测距仪结合滩顶高程、库水位高程、激光测距仪倾角进行测量计算。

进一步的，所述干滩监测模块3也可通过摄像机和无人机拍摄等图像传感器进行组合监测。

进一步的，所述土壤监测模块4包括空管长度监测模块8，空管长度监测模块8用于对尾矿库坝内部竖井监测点进行空管长度监测。

进一步的，尾矿库土壤的渗流量问题采用单点监测空管长度及其随各单位时间的变化率，多点相对监测坝体浸润线的变化情况。浸润线监测模块、浸润面监测模块实现对尾矿库内部含水量的实时监测，所述浸润线监测模块8和浸润面监测模块10均包括渗压计和MCU数据处理模组，各监测点为竖向深井结构，在每个深井底部安装1个渗压计传感器。需要说明的是，根据尾矿库设计时确定的空管长度为浸润线监测模块8的处理结果传送至浸润面监测模块10进行组合预测，得出预警数值。通过实时监测各传感器的压力，计算出该检测点的水面高程，然后计算出空管长度，其值等于渗压计埋深与水深之差，同时计算空管长度随各单位时间长度的变化率。并利用安装在坝体某断面上的多个检测点水面高程计算出浸润线，及其随各单位时间长度的变化率。浸润面监测模块主要利用数据预测方法结合空管长度和浸润线进行处理，得出更为形象和有效的预警数值，得出浸润线剖面图如图3所示；由于尾矿库呈现阶梯型，如图3中地表线所示。利用单层坝上监测点向内部打井对土壤的浸润程度进行监测，获得监测点的空管长度，可根据尾矿库设计时提供的空管长度预警值进行单点预警。

将每个监测点中水面中心点用平滑的曲线连接起来，获得该断面的浸润线，如图3中浸润线所示。由图3可知，浸润线与地表线的距离大小直接体现了尾矿库内部含水量多少及塌陷风险大小。为此，本发明将该断面上的浸润线以监测井为分隔点，分为多个监测区间，如图3区间1~区间5所示。在相邻两个监测点间的浸润线上，等间距统计10~20个浸润点，计算在垂直于浸润线方向上与地表线之间的距离，如图3中的线间距所示。计算所有监测点的线间距，及线间距的平均值、最大值、最小值，以及最大值和最小值的位置。增加对间距平均值和最小值与设定阈值的比较，如果平均值和最小值都低于阈值，则立即对监测点的位置进行预警备案。

一种尾矿库渗流监测系统的浸润线综合预警方法，该综合预警方法用于对尾矿库的断面进行单点预警，该综合预警方法包括以下步骤：

S1：获取断面上所有浸润线监测点中渗压计的压力大小，并计算出各监测点水深；

S2：根据各监测点渗压计埋深和水深，二者相减获得监测点空管长度；

S3：根据尾矿库设计时确定的空管长度报警阈值，判断各监测点是否需要报警；

S4：根据各监测点安装的渗压计高程与水深，计算出各监测点水面高程；

S5：根据各监测点水面中心点位置，利用最小二乘法，计算该断面的浸润线近似函数式；

S6：以监测点为分隔点，将浸润线分隔为多个区间；

S7：在相邻两个监测点间的浸润线上，等间距统计10~20个浸润点，计算在垂直于浸润线方向上与地表线之间的距离；

S8：计算所有监测点的线间距、线间距的平均值、最大值、最小值，以及最大值和最小值的位置；

S9渗流综合预警：根据尾矿库设计时确定的线间距平均值和最小值的预警阈值，判断是否需要报警，并确定报警区间位置和报警点位置。

渗流综合预警主要结合降雨量大小、干滩长度值大小、渗流量大小进行综合安全预警，三者的大小与预警等级间的关系如表1所示。

表1 基于渗流的尾矿库综合安全预警

本系统实现了尾矿库监测数据的采集、处理、集成等功能，在软件设计过程中，对多个数据的采集和计算方法都进行了改进：

一、水文气候条件对尾矿库的影响；不同气候降雨量差别很大，库水位、干滩长度及其变化率会直接引起尾矿库洪水漫顶，浸润线、空管长度及其变化率会使尾矿库受到渗流破坏，因此本发明在不同水文气候条件下对尾矿库进行重点加强监测能有效掌握尾矿库的渗流情况，降低事故发生概率。

二、提出了一种新的浸润线综合预警方法；本发明中提出的浸润线综合预警算法，可有效模拟出尾矿库内部浸润程度，并能计算和预测出浸润线上除监测井水面中心点之外的许多浸润点与地表线之间的距离，从而有效预测整个浸润线与地表线之间的距离，重点突出二者之间的线间距的平均值和最小值的重要性，并同时将土壤浸润情况进行非线性预测表征为浸润线和浸润面，使得尾矿库坝的监测更为清楚直观，为保证尾矿库坝安全提供了重要的方案。

三、提出了一种渗流综合预警方法；本发明将测得的尾矿库水文气象数据、干滩数据、土壤渗流数据等各类监测结果进行数据处理，相互比较，重点将雨量、干滩长度、渗流量等参数结合起来，综合预测尾矿库漫坝和坍塌风险，为尾矿库渗流预警提供了一种可行性高、机制更完善的预警方法。

还需要说明的是，在本文中，诸如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

Claims (7)

1.一种尾矿库渗流监测系统，其特征在于：包括对尾矿库坝体进行监测的水文气象监测模块、干滩监测模块以及土壤监测模块；

其中，所述水文气象监测模块用于对尾矿库的矿区温度、降雨量及降雨量变化率的实时监测，其包括降雨量监测模块，降雨量监测模块将实时监测到的数据传送至水位高程监测模块；

所述干滩监测模块包括滩顶高程监测模块和所述的水位高程监测模块，干滩监测模块用于对尾矿库干滩安全参数的实时监测并将实时监测到的数据传送至土壤监测模块；

土壤监测模块，用于结合所接收到的实时监测数据并对尾矿库坝内部竖井监测点进行空管长度监测，然后将监测到的空管长度数据传送到浸润线监测模块和浸润面监测模块进行处理，浸润线监测模块的处理结果传送至浸润面监测模块进行组合预测，得出预警数值。

2.根据权利要求1所述的一种尾矿库渗流监测系统，其特征在于：所述降雨量监测模块包括雨量计和MCU数据处理模组，通过实时监测雨量计的瞬时雨量，计算出小时雨量、日雨量的数据。

3.根据权利要求1所述的一种尾矿库渗流监测系统，其特征在于：水位高程监测模块用于接收降雨量监测模块的数据并对尾矿的水位高程进行实时监测，干滩监测模块包括物位计、激光测距仪、485总线模组及激光通信模组，尾矿水位高程和滩顶高程通过监测点物位计测得，干滩长度和坡比通过激光测距仪结合滩顶高程、库水位高程、激光测距仪倾角进行测量计算。

4.根据权利要求1所述的一种尾矿库渗流监测系统，其特征在于：所述干滩监测模块也可通过摄像机和无人机拍摄等图像传感器进行组合监测。

5.根据权利要求1所述的一种尾矿库渗流监测系统，其特征在于：所述土壤监测模块包括空管长度监测模块，空管长度监测模块用于对尾矿库坝内部竖井监测点进行空管长度监测。

6.根据权利要求1所述的一种尾矿库渗流监测系统，其特征在于：所述浸润线监测模块和浸润面监测模块均包括渗压计和MCU数据处理模组，各监测点为竖向深井结构，在每个深井底部安装1个渗压计传感器。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的一种尾矿库渗流监测系统的综合预警方法，该综合预警方法用于对尾矿库的断面进行单点预警，其特征在于，该综合预警方法包括以下步骤：

S1：获取断面上所有浸润线监测点中渗压计的压力大小，并计算出各监测点水深；

S2：根据各监测点渗压计埋深和水深，二者相减获得监测点空管长度；

S3：根据尾矿库设计时确定的空管长度报警阈值，判断各监测点是否需要报警；

S4：根据各监测点安装的渗压计高程与水深，计算出各监测点水面高程；

S5：根据各监测点水面中心点位置，利用最小二乘法，计算该断面的浸润线近似函数式；

S6：以监测点为分隔点，将浸润线分隔为多个区间；

S7：在相邻两个监测点间的浸润线上，等间距统计10~20个浸润点，计算在垂直于浸润线方向上与地表线之间的距离；

S8：计算所有监测点的线间距、线间距的平均值、最大值、最小值，以及最大值和最小值的位置；

S9：根据尾矿库设计时确定的线间距平均值和最小值的预警阈值，判断是否需要报警，并确定报警区间位置和报警点位置。

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