数字尾矿库研究.pdf

Series No.340 October 2004 金 属 矿 山 METAL MINE 总 第340期 2004年第10期 3 安徽技术创新项目皖经技2003。 王山东,南京大学GIS/ RS实验室,博士研究生,210093江苏省南京 市。 机电与自动化 数 字 尾 矿 库 研 究 3 王山东 南京大学 赵景程 王昌民 陈佩富 马钢集团设计研究院 摘 要 阐述了建立数字尾矿库的必要性,重点研究了数字尾矿库中地形、 坝体、 气象、 水文、 工程地质、 调洪、 稳定分析等模型的有机集成。并根据模型间的数据流程,给出数字尾矿库决策支持系统的结构。建立数字尾矿库 系统后,可对尾矿库进行实时监测、 动态模拟,以指导生产,提高安全系数。 关键词 尾矿库 数学模型 实时监测 决策支持 Study on Digital Tailings Reservoir Wang Shandong Nanjing University Zhao Jingcheng Wang Changmin Chen Peifu Design T{ t1, t2,⋯, ti,⋯, tn}ftin P p ; 2 DEM{ zij}fdem T , 3 i 1,2,⋯, n- 1, n; j 1,2,⋯, m- 1, m; 式中, pi为平面坐标与高程构成的矢量点; Pp为散 点集; ti为散TIN ; T为TIN集; ftin为TIN建模方 程; DEM为数字地形模型;fdem为DEM建模方程。 2汇水区及坡度分析。 Ps {p1, p2,⋯, pi,⋯, pn} ,4 pi x i, yi ; Jsfslope DEM , Ps ; 5 式中,pi为汇水边界平面点,它由分水岭和坝体共 64 同构成; Ps为汇水边界点集; Js为汇水区的平均坡 度。fslope为坡度计算方程。 3工程地质建模。原始工程地质条件是坝体 稳定的基础,在设计前必须进行地质勘探。通过地 质勘探资料,结合地形模型,建立工程地质模型,能 分析任一点的工程地质特性。 Ddrill {d1, d2,⋯, di,⋯, dn} ,6 di{ x , y , z ,分类,厚度,水文,力学指标} ; Ggeofgeo DEM , Ddrill ; 7 式中, di为第i个钻孔的工程地质数据; Ddrill钻孔 集;fgeo为三维工程地质建模型方程; Ggeo为工程地 质三维模型。 1.2 区域气象水文模型 在区域范围内,依照气象地理分区和一系列历 史观测资料,建立年最大24、12、6、1 h降水点雨量模 型,供区域内的各尾矿库参照使用,本次采用国内通 用的P - III型频率曲线。由于尾矿库的流域面积一 般为特小型通常F 10 km2 , 除使用经过审批的 各历时点统计参数等值线图查读计算几种标准历时 的设计点雨量外,还应对统计参数作大比例尺的补 充分析。 Xfl{ x1, x2,⋯, xi,⋯, xa} ;8 Cvfv X fl , C sfs X fl , Hvhfvh X fl, h ; 9 Kphfp -Ⅲ P n, Hvh, Cs, Cv , 10 h 1,3,24, Pn 0.01,0.1,0.2,0.33,0.5,1,2,5,10,20; Hhfh K ph, Pn, Hvh, Cs, Cv ; 11 phfp H h , R hfr p h ; 12 nfn p 1, p24 ; 13 kfk F, Js,L , Rh ; 14 Qhfq n , k , t , t 1,2,⋯,24;15 式中, xi为第i次特大历史洪水变量; Xfl为特大历 史洪水集; fv、fs、fvh分别为Cv、Cs、Hvh的统计方 程; Pn为统计频率; Kph为某时段的Kp值; fp -Ⅲ为 皮尔逊 Ⅲ 型频率统计曲线方程; Hh、ph、Rh分别为 h时段的点、 面和净雨量,fh、fp和fr分别为计算公 式; n、fn分别为暴雨衰减系数与计算公式; k、fk分 别为流域特征值与计算公式; F、L分别为流域面 积、 长度; Qh、fq分别为洪水过程线中某一时段的 洪峰量与计算公式。 1.3 尾矿模型 根据设计要求或可参照的尾矿资料,建立尾矿 的物理、 化学、 岩土特性模型,能为坝体的设计、 干坡 段计算、 稳定性分析提供参数。并可随着生产的进 行,不断修正模型以符合实际情况。 1尾矿物理性质模型。 ptin{ Dp, Dpce, Rc, Ip,γg,Δ,ε,, t} ,16 Ptail{ pt1, pt2,⋯, ptn} ; Tdistfdist P tail, Qh,γk, P,pH ; 17 ipfi P tail, Qh, C, vb , 18 IpfI P tail,Lk ; 式中, Ptail为尾矿物理特性集合; Dp、Dpce、Rc、Ip、 γg、 Δ、 ε、 、t分别为尾矿的粒径、 粒级比、 岩石性 质、 塑性指数、 干密度、 比重、 孔隙比、 内摩擦角、 生产 批次等; Tdist、fdist分别是尾矿的沉积特征与计算方 程; Qh 、 γ k、P、pH、C、vb、B分别为尾矿的流量、 矿 浆密度、 矿浆浓度、pH值、 矿浆稠度、 尾矿流速、 冲积 宽度; ip、fi分别为干坡度与计算公式; Ip、fI分别为 水下坡度与计算公式;Lk粒子扩散长度。 1.4 坝体模型 根据库容要求及地形、 工程地质、 水文、 尾矿等 模型,建立初期坝、 各期子坝的动态模型,同时建立 泄洪构筑物、 防洪抢险等模型,在我国,绝大多数是 上游法筑坝。对上游法筑坝可根据生产实际情况对 坝体及其它模型作出修正。 1初期坝模型。 Df{ wt, ht, wb, hb,L , S} ,19 式中, Df为初期坝模型参数; wt、ht、wb、hb、L、S分 别为坝体的顶宽、 顶高、 底宽、 底高、 坝长、 坝体的水 文、 工程地质特性。 2后期坝模型。 dsi{ wt, ht, ii, io,L , S} ,20 Ds{ ds1, ds2,⋯, dsi,⋯, m} ; afa D f,Ds, Ptail,H, l , 21 yfy a , x ; 式中, dsi为某一期子坝; wt、ht、ii、io、L、S分别为子 坝的坝顶宽、 坝顶高、 内坡角、 外坡角、 子坝长、 子坝 的水文、 工程地质特性; Ds后期子坝集合; m为后期 总坡度; a、fa分别为浸润线截距、 计算方程; H、l分 别为上游水位高程、 化引渗透长度; fy、y、x分别为 浸润线平面方程、 垂直值、 水平值。 74 王山东等数字尾矿库研究 2004年第10期 3排水构筑物模型。 wi{ m , n , h , r,ωc,ωs, S ,⋯} ,22 W{ w1, w2,⋯, wn} ; Gj{ Lg, Sg, Fx, hc⋯} ;23 Qdfqd W , h , Gj ; 24 式中, wi为第i个排水井; m、n、h、r 、 ω c 、 ω s、S、 ⋯ 分别为排水井单层排水孔数、 总层数、 层高、 孔径、 过 水面积、 收缩面积、 结构、 其它属性; W排水井集合; Gj为排水管,Lg、Sg、Fx、hc⋯ 分别为排水管长度、 各 结构参数、 出口断面,出口高程等; Qd、fqd分别为排 水能力与计算方程; h为尾矿库上游水位。 1.5 分析模型 根据以上模型,可建立调洪模型和稳定分析模 型。这能满足常规分析的需要。再结合实时监测数 据能对在线分析结果作出决策提示,为防洪抢险赢 得时间。结合专家知识和经验,能处理复杂的计算 分析,基本杜绝重大事故的发生。 1库容模型。 Vrfr DEM , Ds, h ;25 Vtft DEM , Ds,h ;26 式中, Vr、fr分别为库容与库容方程; Vt、ft分别为 调洪库容与其库容方程; h为计算高程。 2综合分析模型。 Hkfhk D f, Q , Hd, e , ht, hj ; 27 QfQ V t, Qh, Qd, t ; 28 ksfks P tail, Tdist, Df, Ds, ip, Ip, a , ya, Q ; 29 式中, Hk、fhk分别为控制水位与计算公式; Hd、e、 ht、hj分别为坝顶高程、 安全超高、 调洪高度、 回水调 节高度; Q、fQ为调洪能力与计算方程; t为计算时 段; Ks、fks为稳定系数与计算方程; ya为浸润线实 际值。 1.6 模型集成 从以上各模型的表述可知,尾矿库的地形、 尾 矿、 坝体、 气象、 水文、 工程地质等各个模型相互关联 如图 1 。各模型的最终目标是增加有效库容、 提 高安全系数。在各模型中,地形、 原地基工程地质特 性、 尾矿、 生产规模、 气象、 水文等属性是设计尾矿库 的依据和前提条件,输入的尾矿性质、 坝体形态、 尾 矿堆积过程是尾矿生产的参数,渗流场、 浸润线、 坝 体变形、 降水过程是动态监测的对象。 图1 数字尾矿库模型数据流程 2 监测系统的建立 由上述各模型可以看出,系统中大部分参数如 尾矿性质、 工程地质特性、 坝体属性与模型在尾矿 库建立以后,一般在一定时间内是保持不变的,但与 尾矿库安全密切相关的调洪能力、 坝体安全与降水 量、 水位、 浸润线、 坝体变形等可实测参数密切相关。 所以为了使尾矿生产基于安全监督之下,系统提供 的模型必须有实时监测系统与之相配合,这样才能 对尾矿库进行实时的监控和在线分析,使尾矿库的 危险降到最低程度。当各独立数字尾矿库监测系统 联网后,安全生产监督部门也可对各生产单位进行 及时监督和指导如图 2 。在建立监控系统时,应 根据实际情况,由大型到中小型、 由重要到次要、 分 级分批建立。 图2 数字尾矿库决策支持模型 2.1 监测站 监测站是采集数据的源头,是系统运行的基础。 对于测点的设置可以根据实际需要设立。对于特别 重要的尾矿库应设立浸润线、 水位、 降雨、 坝体变形 等各种自动观测点。对于一般的尾矿库均应设立浸 84 总第340期 金 属 矿 山 2004年第10期 润线、 水位自动观测点。监测站的数据在有条件的 情况下应通过有线方式传输,否则以无线电台、 GSM、GPRS等方式传输。 2.2 系统架构 当在区域范围内建立监控系统时,系统可由监 测中心、 专家咨询组、 监测分中心、 尾矿监测站等机 构组成。信息传输采用无线、 有线、 专用网、 公共数 据网等方式。在监测站设计数据终端,数据服务器 设在市、 省信息中心,对于特别重要的尾矿库也可设 立数据库服务器。 对公众和专业部门的信息发送,可以在省、 市信 息中心设WEB服务器,通过Internet/ Intranet发布。 系统软件在GIS平台上进行开发,通过大型分布式 空间数据库管理空间和模型数据,实现数据的同步 更新,保持系统数据的一致性。通过模型计算分析, 作出实时决策。 3 系统开发与建设 本次系统开发采用面向对象的方法,对地形、 尾 矿、 钻孔、 地质体、 坝体、 泄洪构筑物、 水体均建立相 应的对象和可视化模型,同时对各计算模型根据计 算规范建立计算模型库和知识库,根据面向对象软 件工程方法对各子系统进行了封装,使数字尾矿库 这一复杂大系统进行降解,简化了计算步骤,从而保 证了计算结果的可靠,并可根据规范和输入、 输出数 据对计算结果进行校核。系统采用GIS与虚拟现实 技术对计算结果进行可视化表现,并与实时监测系 统相结合,使系统能够应用于尾矿库的设计、 生产、 复垦和矿物再利用等各个阶段。 4 结 论 数字尾矿库是根据尾矿库理论,采用信息技术 而构建的虚拟尾矿库管理系统,通过系统的在线监 测与分析功能达到优化设计和优化运行参数的目 的,最大限度地降低事故的发生。我们有理由相信, 通过政府和矿山企业的重视,再辅以建立在高技术 基础上的尾矿库监管系统和各管理部门的严格执 法,定能保证尾矿库的安全运行,使矿山持续稳定地 生产,实现经济与社会的可持续发展。 参考文献 1 编写组.尾矿设施设计参考资料.北京冶金工业出版社,1980 2 李作章,徐日升,等.尾矿库安全技术.北京航空工业出版社, 1996 3 郭腾峰,王 蒙.数字地面模型的核心技术研究.公路,2001 11 23～24 4 李建华,边馥苓.工程地质三维空间建模技术及其应用研究.武 汉大学学报信息科学版 ,20032 25～29 5 中华人民共和国水利部 能源部.水利水电工程设计洪水计算规 范SL44～93.1993.3 6 中华人民共和国水利部.水利工程水利计算规范 SL44～93. 1993.3 7 黄杏元,马劲松,汤 勤.地理信息系统概论.北京高等教育出版 社.2003 收稿日期 20042062 23 信息苑 2005年度部分科技期刊联合征订启事 矿业工程双月刊 大16开,64页,邮发代 号8 - 38。每期定价8100元,全年48100元,欢迎到 邮局或编辑部订阅。地址辽宁省鞍山市南胜利路 35号;邮编 114002 ;电话 0412 5537630 ;传真 0412 5538649。开户行鞍山市工商银行铁东支 行,帐号0704021009221016583 ,帐户矿业工程杂志 社。 理化检验-物理分册月刊 大16开,邮发 代号4 - 183 ,每册6100元,全年72100元。欢迎广 大读者到当地邮局订阅。漏订者请与编辑部联系, 地址上海市邯郸路99号;邮编 200437 ;电话 02165556775 - 361 ;传真02165544911。 黄金 月刊 大16开,国内邮发代号12 - 47 , 全国各地邮局均可订阅;国外发行代号M3331 ,由中 国国际图书贸易总公司承办。国内每期定价10100 元,全年定价120100元。 需订阅者,可到当地邮局所订阅,也可直接通 过 黄金 杂志社发行部订阅。我部长理办零订、 邮 购业务。地址吉林省长春市南湖大路6760号 黄金 杂志社发行部;邮编130012 ;电话0431 - 5529838、0431 - 5514586转3066 ;传 真 0431 - 5521861 ;网址http / /www. ccgri. com/ gold; E - mail journal ccgri. com 94 王山东等数字尾矿库研究 2004年第10期