一种尾矿库数字化安全监测系统方法及装置

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一种尾矿库数字化安全监测系统方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种安全监测系统方法及装置，尤其是一种尾矿库数字化安全监测系统方法及装置；主要用于尾矿库安全运行的检测与监控。\n背景技术\n[0002] 尾矿库是矿山选矿厂不可缺少的设备，也是矿山生产重大的危险源之一；由于尾矿库坝体特殊的材料和构造特性决定了尾矿库的安全问题突出，一旦坝体失事，所形成的高势能人造泥石流，不但造成环境破坏，而且给人民生命财产带来灾难性损失。\n[0003] 目前国内众多尾矿的安全主要靠人工巡视，由人工采用传统仪器到现场进行测量，测量出的尾矿技术参数易出现误差。人工测量工作量大，易受天气和现场条件的影响，所测量的参数不能及时反映尾矿库的现状。特别是在恶劣的天气环境下，不能实时掌握尾矿库的参数变化，给安全生产和人民生命财产安全带来重大的隐患。\n[0004] 目前国内已有一些单位对尾矿库的安全生产给予了一定的重视，也相应提出和研制成功一些尾矿库数字化安全监视系统。但这些研究成果都是针对个案提出的，且运行安装成本高，不利于普及，不能从根本上解决我国尾矿生产的安全隐患。因此很有必要进一步加以改进。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于：为了克服目前尾矿库安全生产的不利局面，提出一种通用尾矿库数字化安全监测系统，该数字化监测系统针对尾矿库安全隐患的共性，采取简易化的数字化监控的方式对尾矿库实施连续自动检测，从而有效降低安全监测视系统的运行安装成本，使广大矿山企业和业主能够用上尾矿库安全检测系统，能够用好尾矿库安全检测系统。\n[0006] 本发明的技术实施方案是：本发明是一套用于检测尾矿库的检测系统。该系统是在尾矿库的不同位置分别设置尾矿库各种数据的独立检测点，每一个独立检测点用于检测一种尾矿库的数据；各个独立检测点中分别设有检测各种数据值的检测系统和数据无线传输系统，同时在中央控制室内设有用于接收设尾矿库不同位置各个独立检测点所发送的检测数据信号的无线电信号传输系统，以及对所接收数据进行处理的中央数据处理系统，各个独立检测点与中央控制室采用无线网络传输信号数据。由各个独立检测点的检测系统检测出所需要的数据值，再通过数据无线传输系统将所采集的数据以无线传输的方式传给中央控制室的无线电信号传输系统，再由中央数据处理系统对各个独立检测点所检测的数据进行系统分析，并将根据所分析得出的结果对尾矿库实施控制。其中：所述的独立检测点至少包括库区水位监测点和坝体浸润线监测点；还可以根据需要增设坝体位移监测点或坝体沉降监测点。\n[0007] 所述的水位监测点是通过毫米波雷达方法通过毫米波雷达探测器检测库区水面的各种参数；并将所测量的库区水面参数通过无线网络数据传输方式传送给中央控制室，同时接收中央控制室的各种控制信号而作出相应的控制动作；水位监测点最佳设置在水面观测塔上，该观测塔设在库区水面排洪设施出水口处，测定库区水面与坝体高程有一个水位差。该水位差是保证尾矿库安全的一项重要参数。库区水位监测模块的主要作用就是检测库区水面水位高程干滩长度等各种参数。并将所测量的库区水面参数通过无线数据传输方式传送给中央控制室，同时接收中央控制室的各种控制信号而作出相应的控制动作。所述的库区水位监测模块的功能包括：\n[0008] 1、实时测量库区水面高程。\n[0009] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0010] 所述的坝体浸润线监测点是通过无线数据传输方式将坝体的地下水位数据实时传送至监控中心。监控坝体内部地下水位。在地下水位检测，传感器选用接触式液位传感器。坝体浸润线监测点设置在尾矿库坝体上，主要用于检测尾矿库坝体的地下水位，并将所测量的坝体的地下水位数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室。防止由于坝体内部地下水位抬升而造成的溃坝。所述的坝体浸润线监测点的功能包括：\n[0011] 1、量库区坝体地下水位。\n[0012] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0013] 所述的坝体位移监测点是指对坝体水平方向位移变形进行观测，主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置在水平方向的位移，并将所测量的坝体的水平位移数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室。防止由于坝体位移而造成的溃坝。所述的坝体位移监测点可以设在坝体的任意位置；所述的坝体位移监测点的功能包括：\n[0014] 1、实时测量坝体水平方向的位移量。\n[0015] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0016] 所述的坝体沉降监测点是指对坝体垂直位移变形进行观测，主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置在垂直方向的位移，并将所测量的坝体的沉降位移数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室。防止由于坝体发生沉降而造成的溃坝。所述的坝体沉降监测点也可以设在坝体的任意位置。所述的坝体沉降监测点的功能包括：\n[0017] 1、时测量坝体物理垂直位移量。\n[0018] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0019] 所述的中央控制室内无线信号接收系统和中央数据处理系统是一套工业控制计算机的数据处理系统，用于对尾矿库安全监测系统信息汇总、信息处理、信息显示、数据存储和远程通讯功能。所述的中央控制室内无线信号接收系统和中央数据处理系统主要完成如下的功能：\n[0020] 1、定时自动与库区水位监测点、坝体浸润线监测点、坝体变形位移监测点、坝体沉降监测点建立数据通讯，接收各监测点检测的参数。\n[0021] 2、对接收的数据参数进行处理。\n[0022] 3、采用图形方式实时显示库区地表水面的高程。\n[0023] 4、采用图形方式实时显示库区坝体地下水位的剖面线。\n[0024] 5、采用图形方式实时显示库区坝体的变形量及变形点。\n[0025] 6、在尾矿库安全指标超标时，具备报警功能。\n[0026] 7、可将检测数据定期保存功能，供查询及综合分析用。\n[0027] 8、具备网络接口，实现远程数据传输及报警。\n[0028] 所述的无线传输的方式是指各个独立检测点与中央控制室内无线信号接收系统和中央数据处理系统采用数据无线传输的方式进行数据交换，所述的数据无线传输系统共用以下技术进行无线传输：\n[0029] 1、数据双向无线网络传输，且传输距离应满足尾矿库作业范围需要，传输数据可靠性应在精度3‰以内；功耗应在0.3瓦/小时以内。\n[0030] 2、各个独立检测点采用蓄电池供电；且各个独立检测点中设有蓄电池供电的电源变换部分，蓄电池容量检测和报警部分。为了保证各种独立检测模块的供电，所述的蓄电池采用太阳能与风能结合的方式给蓄电池充电。\n[0031] 3、各个独立检测点中还可以考虑防雷击等极限条件下的保护。\n[0032] 根据本发明方法所提出的一种尾矿库的安全系统检测系统是，一种尾矿库的安全系统检测系统，在尾矿库的不同位置，分别设有用于监测尾矿库各种数据的监测点，各个监测点相互独立；所述的监测点至少包括水位监测点、坝体浸润线监测点；还可以根据需要增设坝体位移监测点、坝体沉降监测点；在各个独立检测点中均设有数据采集检测系统和数据无线传输系统；并在尾矿库的中央控制室内也设有用于接收各种监测点所发送数据信号的无线信号接收系统，以及用于分析各个独立检测点所检测数据的中央数据处理系统，各个独立检测点通过无线网络数据传输方式与中央控制系统之间的实现数据传输，中央数据处理系统根据各个独立检测点所检测的数据对尾矿库安全进行系统分析。\n[0033] 本发明的有益效果是：采用综合模块检测尾矿库的各种数据，并通过无线传输到中央控制室的计算机系统，再通过计算机进行分析，以确定尾矿库的安全程度。这种方式较以往的检测方式，更加方便，可以做到随即检测，且通过计算机分析数据具有快捷准确的优点，因此可以大大提高尾矿库的安全程度。本发明检测系统可以实现下述目的：\n[0034] 1、实时自动采集监视库区水面距坝体顶部的高度差数据。\n[0035] 2、实时自动采集监视坝体干滩长度数据。\n[0036] 3、实时自动采集监视坝体的浸润线位置数据。\n[0037] 4、实时自动采集监视坝体的水平方向位移数据。\n[0038] 5、实时自动采集监视坝体的垂直方向位移数据。\n[0039] 6、在监控中心能实时监视矿尾库各种安全数据。\n[0040] 7、可实现监测数据的远程监视。\n附图说明\n[0041] 图1是尾矿坝监控系统示意图\n[0042] 图2是本发明的系统框图；\n[0043] 图3是本发明的水位监测模块框图；\n[0044] 图4是本发明的坝体浸润线监测模块框图；\n[0045] 图5是本发明的坝体位移监测模块框图；\n[0046] 图6是本发明的坝体沉降监测模块框图\n[0047] 图7是本发明的中央数据处理系统框图；\n[0048] 图8是本发明的电源模块的原理框图。\n具体实施方式\n[0049] 下面将结合附图和实施例对本发明进一步说明。\n[0050] 附图1给出了一种本发明系统实时监控的主要显示画面图，它直接反映尾矿库水位真实变化模型。该系统框图直接在尾矿库中央控制室主屏监控显示屏上显示出来。从系统框图可以看出，本发明是一套用于检测尾矿库的检测系统。该系统是在尾矿库的不同位置分别设置尾矿库各种数据的独立检测点，每一个独立检测点用于检测一种尾矿库的数据；各个独立检测点中分别设有检测各种数据值的检测系统和数据无线传输系统，同时在中央控制室内设有用于接收设尾矿库不同位置各个独立检测点所发送的检测数据信号的无线电信号传输系统，以及对所接收数据进行处理的中央数据处理系统，各个独立检测点与中央控制室采用无线网络传输信号数据。由各个独立检测点的检测系统检测出所需要的数据值，再通过数据无线传输系统将所采集的数据以无线传输的方式传给中央控制室的无线电信号传输系统，再由中央数据处理系统对各个独立检测点所检测的数据进行系统分析，并将根据所分析得出的结果对尾矿库实施控制。其中：所述的各种独立检测模块至少包括库区水位监测点10、坝体浸润线监测点3；还可以根据需要增设坝体位移监测点5、坝体沉降监测点6。所述的坝体浸润线监测点3、坝体位移监测点5和坝体沉降监测点6可以安装在基础坝1内的坝基7的任意位置。所述的水位监测点10安装在水面8上方的固定建筑物上，也可以是安装在水面观测塔上。\n[0051] 所述的坝体浸润线监测点3通过浸润线传感器测量点2进行地下水位值的检测，传感器将检测出地下水位值，再将所检测地下水位值以电信号通过坝体浸润线监测点3上的无线传输装置以无线数据传输方式将坝体的地下水位数据实时传送至中央控制室。所述的坝体浸润线监测模块主要用于检测尾矿库坝体的地下水位，通过无线数据传输方式将坝体的地下水位数据实时传送至监控中心。坝体浸润线监测点3设置在尾矿库基础坝1内坝基7上，且坝体浸润线监测点3的无线传输装置部分可以设在尾矿库基础坝1内坝基顶部\n4。主要用于检测尾矿库坝体的地下水位，并将所测量的坝体的地下水位数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室。防止由于坝体内部地下水位抬升而造成的溃坝。\n[0052] 所述的坝体位移监测模块5和坝体沉降监测模块6的检测原理与方式与坝体浸润线监测模块3是一样的只是采用不同的传感器，所获得的数据分别是坝体位移或坝体沉降数据，并将所测量的坝体位移或坝体沉降数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室。\n分别防止由于坝体位移或坝体发生沉降而造成的溃坝。\n[0053] 所述的水位监测点10是通过毫米波雷达方法通过毫米波雷达探测器9检测库区水面的各种参数；并将所测量的库区水面参数通过无线网络数据传输方式传送给中央控制室，同时接收中央控制室的各种控制信号而作出相应的控制动作；水位监测点10最佳设置在水面观测塔上，该观测塔设在库区水面排洪设施出水口处，测定库区水面与坝体高程有一个水位差。该水位差是保证尾矿库安全的一项重要参数。库区水位监测点的主要作用就是检测库区水面水位高程干滩长度等各种参数。并将所测量的库区水面参数通过无线数据传输方式传送给中央控制室，同时接收中央控制室的各种控制信号而作出相应的控制动作。\n[0054] 附图2给出了一种本发明的系统框图，通过附图2可以看出，本发明为一种尾矿库的安全系统检测装置，它是在尾矿库的不同位置分别设置检测尾矿库水位监测点201、坝体浸润线监测点202、坝体位移监测点203和坝体沉降监测点204，在水位监测点201、坝体浸润线监测点202、坝体位移监测点203和坝体沉降监测点204中都安有一套无线网络通讯节点模块205，并分别通过各自的无线网络通讯节点模块203与中央控制室进行无线信号传输。在水位监测点201、坝体浸润线监测点202、坝体位移监测点203和坝体沉降监测点\n204中还分别设有水位监模块207、坝体浸润线监测模块208、坝体位移监测模块209和坝体沉降监测模块206，各检测模块检测各种数据，并将所检测数据通过各自无线网络通讯节点模块以无线传输方式发送到中央控制室210。而在中央控制室210内设有用于接收设尾矿库不同位置检测点所发出各种检测数据的无线电信号的网路通讯网关模块211，网路通讯网关模块211再将所接收的电信号传给中央控制室内的中央数据处理系统212，由中央数据处理系统212对各个检测点所检测的数据进行系统分析，并根据分析的结果下达控制指令，由各执行部件予以执行。\n[0055] 所述的无线传输方式是指各种独立检测点中的数据无线发送系统共用以下技术进行无线传输：\n[0056] 1、数据双向无线网络传输，且传输距离应满足尾矿库作业范围需要，传输数据可靠性应在精度3‰以内；功耗应在0.3瓦/小时以内。\n[0057] 2、各个独立检测点采用蓄电池供电；且各个独立检测点中设有蓄电池供电的电源变换部分，蓄电池容量检测和报警部分。为了保证各个独立检测点的供电，所述的蓄电池采用太阳能与风能结合的方式给蓄电池充电。\n[0058] 3、各个独立检测点中设置了防雷击等极限条件下的保护。\n[0059] 由于本系统各个监测点分布在矿区的各处，用有线的数据传输方式成本高，施工量大。因此，本系统采用中心频率在2.4GHz的通讯频段的无线数据传输方式；整个系统采用星型拓扑，包含一个网关和若干个节点。网关担负着与各个节点间信号交唤和控制整个网络的运行，同时与上位机进行通讯，实现数据交换。\n[0060] 对各模块的性能要求如下：\n[0061] 1、数据双向无线网络传输，应满足传输距离、传输数据可靠性、低功耗等要求。\n[0062] 2、由于各子部件模块均远离中央控制室，无法采用常规的供电方式，各子部件模块的电源都采用蓄电池供电。涉及蓄电池供电的电源变换，部件的低功耗设计，蓄电池容量检测和报警。\n[0063] 3、由于采用蓄电池供电方式，对蓄电池的能源补充采用太阳能与风能结合的方式给蓄电池充电。\n[0064] 4、由于库区水位监测点、坝体浸润线监测点、坝体位移监测点、坝体沉降监测点均安装在野外条件下，对以上部件的结构应能满足在雨、雾、雪、阳光爆晒、高温、高湿的条件下正常工作。\n[0065] 5、各个独立检测点充分考虑防雷击等极限条件下的保护。\n[0066] 6、满足各部件的特殊条件要求。\n[0067] 附图3给出了本发明的水位监测点具体监测原理示意框图，通过附图3可以看出，所述的库区水位监测点是通过毫米波雷达方法检测库区水面的各种参数；并将所测量的库区水面参数通过无线网络数据传输方式传送给中央控制室，同时接收中央控制室的各种控制信号而作出相应的控制动作。库区水位监测模块设置在观测塔，该观测塔是在库区水面的地下出水口处，标明库区地下管路的位置，同时定义库区水面与坝体高成的水位差。该水位差是保证尾矿库安全的一项重要参数。库区水位监测模块的主要作用就是检测库区水面水位高程干滩长度等各种参数。并将所测量的库区水面参数通过无线数据传输方式传送给中央控制室，同时接收中央控制室的各种控制信号而作出相应的控制动作。\n[0068] 所述的库区水位监测点是测量库区水面高程，是指通过水位监测模块301中的毫米波雷达传感器305采集观测塔顶距水面的距离数据，并将监测数据送到水位监测点自身的水位监测模块控制计算机303，由库区水位监测模块计算机计算出库区水面的高程数据，再通过网络通讯节点模块304将数据以电信号采用无线传输方式发给中央控制室；该方法较激光测距传感器、红外线测距传感器、超声波测距传感器采集数据受天气影响较小，在雾、雨、沙尘天气条件下亦能正常使用。采用毫米波雷达测量尾矿库库区水位，相对GPS方式，具有极大的节省成本和提高检测精度；相对采用激光测距传感器、红外线测距传感器、超声波测距传感器方式，在成本相差不大的情况下，极大地提高了可靠性和精度。因此，采用毫米波雷达测量尾矿库库区水位，具有极高的性价比。水位监测模块301由充电电源模块302供电。所述的库区水位监测点的功能是：\n[0069] 1、实时测量库区水面高程。\n[0070] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0071] 附图4给出了本发明的坝体浸润线监测点框图，通过附图4可以看出，所述的坝体浸润线监测点是通过坝体浸润线监测模块402中的投入式传感器405监测地下水位值，并将所监测的数据传给浸润线监测模块控制计算机403，再以无线电信号的方式，通过网络通讯节点模块404，用无线传输的方式将监测数据发给中央控制室。坝体浸润线监测点采用独立电源供电，系统通过充电电源模块402供电。坝体浸润线监测点可以设置在尾矿库坝上，主要用于检测尾矿库坝体的地下水位，并将所测量的坝体的地下水位数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室。防止由于坝体内部地下水位抬升而造成的溃坝。所述的坝体浸润线监测点的功能是：\n[0072] 1、测量库区坝体地下水位。\n[0073] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0074] 附图5给出了本发明的坝体位移监测点框图，通过附图5可以看出，所述的坝体位移监测点是指对坝体水平方向位移变形进行观测，主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置在水平方向的位移，并将所测量的坝体的水平位移数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室，防止由于坝体位移而造成的溃坝。坝体位移监测点监测方式是通过坝体位移监测模块501中的位移传感器505监测坝体的位移值，并将所监测的数据传给坝体位移监测模块控制计算机503，再以无线电信号的方式，通过网络通讯节点模块504，用无线传输的方式将监测数据发给中央控制室。坝体位移监测点采用独立电源供电，系统通过充电电源模块502供电。所述的坝体位移监测点的功能是：\n[0075] 1、实时测量坝体水平方向的位移量。\n[0076] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0077] 附图6给出了本发明的坝体沉降监测点框图，通过附图6可以看出，所述的坝体沉降监测点是指对坝体垂直位移变形进行观测，主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置在垂直方向的位移，并将所测量的坝体的沉降位移数据通过无线数据传输方式传送给中央控制室，防止由于坝体发生沉降而造成的溃坝。坝体沉降监测点监测方式是通过坝体沉降监测模块601中的位移传感器605监测坝体沉降值，并将所监测的数据传给坝体沉降监测模块控制计算机603，再以无线电信号的方式，通过网络通讯节点模块604，用无线传输的方式将监测数据发给中央控制室。坝体沉降监测点采用独立电源供电，系统通过充电电源模块602供电。\n[0078] 所述的坝体沉降监测模块的功能是：\n[0079] 1、实时测量坝体物理垂直位移量。\n[0080] 2、与中央控制室进行无线网络数据交换功能。\n[0081] 附图7给出了本发明的中央数据处理系统框图，通过附图7可以看出，所述的中央控制室是尾矿库数字化安全监测系统信息汇总、信息处理、信息显示和上报中心。中央控制室内设有中央数据处理系统，中央数据处理系统有一套工业控制计算机，其中包括对尾矿库安全监测系统信息汇总、信息处理、信息显示、数据存储和远程通讯部件，用于对尾矿库安全监测系统信息汇总、信息处理、信息显示、数据存储和远程通讯功能。所述的中央数据处理系统主要完成如下的功能：所述的中央数据处理系统主要完成如下的功能：\n[0082] 1、定时自动与库区水位监测模块、坝体浸润线监测模块、坝体变形位移监测模块、坝体沉降监测模块建立数据通讯，接收各监测模块检测的参数。\n[0083] 2、对接收的数据参数进行处理。\n[0084] 3、采用图形方式实时显示库区地表水面的高程。\n[0085] 4、采用图形方式实时显示库区坝体地下水位的剖面线。\n[0086] 5、采用图形方式实时显示库区坝体的变形量及变形点。\n[0087] 6、在尾矿库安全指标超标时，具备报警功能。\n[0088] 7、可将检测数据定期保存功能，供查询及综合分析用。\n[0089] 8、具备网络接口，实现远程数据传输及报警。\n[0090] 根据上述方法所提出的一种尾矿库数字化安全系统检测系统是，在尾矿库的不同位置，分别设置库区水位监测模块、坝体浸润线监测模块、坝体位移监测模块、坝体沉降监测模块，并在中央控制室内设置一个中央数据处理系统，各监测模块通过无线数据传输方式与中央数据处理系统之间的实现数据传输，并根据各监测模块所检测的数据对尾矿库安全进行系统检测和分析。其中：\n[0091] 所述的水位监测模块、坝体浸润线监测模块、坝体位移监测模块、坝体沉降监测模块均采用独立的电源模块供电；所述的电源模块是为各监测模块工作提供电源能量。其包括蓄电池、电源稳压及检测、充电管理控制、太阳能电池、风能发电机等环节。电源模块的原理如附图8所示，采用风能、光能互补充电系统，为各监测模块提供电源。\n[0092] 在所述的库区水位监测模块、坝体浸润线监测模块、坝体位移监测模块、坝体沉降监测模块的各监测模块处设置一套控制机，控制机通过网络节点接收或发射无线通讯信号，各模块接收或发射的信号量有：\n[0093] 1、电池剩余容量参数。\n[0094] 2、水面至观测塔顶的距离信号。\n[0095] 3、浸润线位置信号。\n[0096] 4、坝体测量基点的水平位移信号。\n[0097] 5、坝体测量基点的垂直位移信号。\n[0098] 控制机采用单片机开发。\n[0099] 各监测模块的防雨、防潮、防尘处理要求：\n[0100] 各监测模块由于安装于野外露天环境下，为保证装置的可靠运行，在其结构设计时必需充分考虑防雨、防潮、防尘。\n[0101] 各监控模块的结构采用内外两层机箱结构，内/外风道隔离，既有效地减少雨、雪、潮湿的影响，又能有效的避免阳光直射，能有效地降低机箱温度。室外机蓄电池有恒温防护箱。\n[0102] 各监测模块的防雷击处理要求：\n[0103] 各监测模块由于安装于野外露天环境下，如果安装在水面的高点上，应特别考虑装置的防雷处理。处理措施：\n[0104] 1、整套装置应置于主动防雷避雷针的保护之下。\n[0105] 2、装置的所有对外接口应安装防雷击抗浪涌装置加固。\n[0106] 3、装置应可靠的接地。