基于GPS数据的尾矿坝监测系统的研究与应用

研究了小波理论在尾矿坝安全监测系统中对于GPS坝体表面变形监测数据的具体应用,总结了尾矿坝GPS坝体表面变形监测的实际数据的常见问题,提出了GPS变形监测数据处理实现程序流程图,确定了小波阈值收缩去噪法各环节的选取方法及具体参数,讨论了异常值对于尾矿坝变形数据处理的影响,研究了小波分析的实时方法,实现了基于组态软件的尾矿库在线监测平台,以实际工程案例说明此系统的可行性和有效性。     

基于贝叶斯决策的尾矿坝干滩长度预警研究

为合理确定尾矿坝干滩长度的监测预警阈值,首先,分析干滩长度和渗透系数的变化特性,结合尾矿坝稳定性分析与贝叶斯决策理论,将干滩长度数据离散化,采用随机变量表示干滩长度的不确定性;然后,依据相关规程将坝体安全系数的范围离散化,建立安全系数与干滩长度间关联的贝叶斯决策模型,并依据最小风险分析原则划分贝叶斯决策分类,再通过最大后验概率确定干滩长度的预警阈值;最后,将该预警模型应用于陕西某尾矿库的干滩长度预警。研究表明：当干滩长度小于170 m时,该尾矿坝存在溃坝风险,通过排渗可使干滩长度增加至175 m以满足坝体稳定性要求。贝叶斯决策预警数据与企业监测数据吻合,预警阈值能客观反应尾矿坝的稳定性状况。     

尾矿坝变形规律的灰色Verhulst预测

尾矿坝变形规律预测是矿山尾矿库安全技术管理的重要内容.尾矿坝的变形受多种因素的影响,其中有些因素是可知的,但有部分因素是不确定的,因此尾矿坝本身实际上是一个灰色系统.为了实现对尾矿坝变形趋势的预测,在充分认识尾矿库工程系统及坝体变形数据特性的基础上,采用灰色Verhulst模型对尾矿坝的变形进行预测,并结合某铁矿尾矿坝变形监测实际数据进行预测,模型精度满足要求,表明灰色Verhulst模型用于尾矿坝变形规律预测具有很好的适用性.     

尾矿坝位移分级预警阈值研究及规律分析

针对尾矿坝在线监测重建设、轻利用的现状,基于尾矿坝位移在线监测时间序列,通过多步逆向云变换算法(Multi-step Backward Cloud Transformation Algorithm Based on Sampling with Replacement, MBCT-SR)改进云模型,根据“3E_n原则”和内外包络曲线确定在线监测位移的正常运行值,从而建立尾矿坝位移分级预警阈值模型,并利用某尾矿坝全球导航卫星(Global Navigation Satellite System, GNSS)技术表面位移在线监测数据进行实例验证。结果表明：该尾矿坝水平方向位移的黄、橙、红预警阈值分别为8.41 mm/d、12.94 mm/d、19.41 mm/d,呈现出坝体中间预警阈值最大、并由中间向两侧减小的空间变化规律;尾矿坝垂直方向位移的黄、橙、红预警阈值分别为16.56 mm/d、25.48 mm/d、38.22 mm/d,且随着子坝的堆积,预警阈值逐渐增大。     

尾矿库在线监测系统中位移数据分析方法探讨

尾矿库的安全稳定在矿山安全生产和环境保护中具有十分重要的意义,国家已明确要求三等及三等以上尾矿库应安装在线监测系统。本文在总结我国尾矿库在线监测系统结构和建设情况基础上,分析了当前已建成系统中坝面位移或坝内位移处理方法的现状和存在的不足,并提出科学合理地分析位移数据是关系到尾矿库在线监测系统有效性和适用性的关键技术之一。在总结归纳尾矿库安全领域坝体变形和稳定安全评价方法的基础上,提出了尾矿库在线监测系统中坝面位移和坝内位移定量分析处理的新思路,指出尾矿坝变形过程的数值仿真是校核在线监测系统所得位移数据,进而有效地分析和预测尾矿坝变形趋势的重要手段之一。     

基于渗透稳定性分析的尾矿库坝体稳定性研究

论述了尾矿库坝体稳定性分析主要理论,鉴于浸润线位置对坝体稳定性的重要影响,从尾矿库坝体渗透稳定性分析出发,提出通过坝体渗流稳定分析计算坝体稳定性的理论;强调了水对尾矿坝稳定性分析的重要作用,总结了尾矿库坝体产生渗漏的原因及种类,得出通过尾矿坝排渗固结提高尾矿坝稳定性的结论.最后提出综合运用各种排渗措施,以降低坝体浸润线,加速尾矿固结,从而提高坝体稳定性.     

尾矿坝堆坝材料非线性力学特性试验研究及数学模型拟合

加强尾矿库安全管理,准确把握尾矿坝堆坝材料物理力学特性和运行规律,对于减少和防止尾矿库溃坝事故的发生,确保尾矿库的安全运行有重要意义.在总结有关尾矿库稳定性分析方法的基础上,利用三轴试验系统,以北京和尚峪尾矿库堆坝材料为研究对象.开展了尾砂非线性力学特性试验研究,整理并得到了用于描述尾砂应力变形特性的三轴试验曲线,并利用邓肯-张EB非线性数学模型对试验过程进行了拟合,拟合结果表明,邓肯-张EB模型能够较好地描述尾砂的受力变形特性.研究结果可为尾矿库安全监测系统位移预警指标的定量预警方法研究提供参考.     

尾矿坝边坡失稳判据研究

为避免尾矿库失稳破坏所带来的巨大损失和灾难,依据尾矿坝边坡破坏特征,将坝体边坡的破坏全过程分为连续的变形阶段和非连续的滑动阶段。建立相应的数学模型,采用蠕变理论及李雅普诺夫函数法分析尾矿坝边坡变形、滑动过程的稳定性,提出尾矿坝边坡失稳的加速度判据,得出滑动过程位移解析解。运用FLAC3D对山西某尾矿坝边坡进行计算,得到安全系数为1.67,边坡稳定;通过坝体边坡表面某点位移监测曲线可以看出ü<0,采用加速度判据可得此边坡稳定,与数值模拟结论相同。     

尾矿材料渗透系数序贯概率反演分析

为保证尾矿库坝体渗流分析的准确性,推断尾矿材料渗透系数概率分布并减少其不确定性,提出基于贝叶斯更新的尾矿材料参数序贯概率反演方法,建立尾矿坝水位代理模型及似然函数,并以大黑山尾矿坝为工程背景,利用不同时刻从不同监测点测得的尾矿坝水位值,对多层尾矿材料的渗透系数进行序贯概率反演分析。结果表明:提出的基于贝叶斯更新的序贯概率反演方法能够有效推断大黑山尾矿材料渗透系数及概率分布,降低渗透系数变异系数,与水位监测点位置距离较近土层渗透系数的变异系数缩减了18.25%;单独利用尾矿坝水位监测值不能准确推断尾矿材料渗透系数及表征其真实不确定性,需要进一步收集多源监测信息并融合到参数概率反演分析中。     

地震条件下尾矿坝稳定性分析

坝体稳定性不足引起的溃坝事件是尾矿库常见的一种病患。本文以某尾矿库为工程背景，运用拟静力法分析了尾矿坝在地震条件下的稳定性，运用理正岩土软件对其结果进行必要的校核，得出影响运用该方法计算尾矿坝地震稳定性精确性的重要因素——超空隙水压力变化值，该变化值主要由坝体材料渗透性决定，在此基础上提出了相应的安全对策。     

基于无人机摄影测量的尾矿坝边坡表面变形监测

为弥补传统基于GPS/GNSS的单点监测方式无法反映尾矿坝整体变形的局限性,提出1种结合坝坡现有位移监测系统的无人机尾矿坝边坡表面变形监测方法.利用单镜头轻小型多旋翼无人机和计算机视觉技术对尾矿坝的空间三维地理信息进行数据采集与重建;基于设置在坝坡表面的位移人工监测点(水泥桩)对多期尾矿坝点云数据进行配准;通过对不同时...     

基于时序InSAR的覆砂石尾矿坝形变演化研究

为解决目前采用在尾矿坝坝体及滩面覆盖砂石进行防尘治理与闭库,但传统监测手段难以实现坝体整体监测的问题,采用时序InSAR技术对2014年10月至2018年7月的Sentinel-1A影像进行处理,提取了对应时间段内卡房尾矿坝的形变信息,并结合实地调查及尾矿坝建设资料,研究了卡房尾矿坝的时序形变演化规律。结果表明:SBAS InSAR监测到坝体出现第1次异常形变加速运动时间与坝体开始铺设砂石工程的施工时间节点完全吻合,体现SBAS InSAR技术在受人为工程影响的坝体形变监测方面具有极高的敏感性。坝体在施工结束后,坝体形变加剧趋势并未缓解,并且出现2次加速现象,分析认为是由于在坝体铺设约2 m厚的碎砂石极大地增加了坝体荷载,打破了坝体原有的应力平衡状态,且识别出雨季对坝体形变影响显著,表明铺设砂石会使得降雨在坝体中的停滞时间加长,进一步引发非雨季期间坝体形变加剧。研究结果不仅能还原坝体出现异常形变的时间与演化过程,而且还可以对引起异常形变的内在影响因素进行分析与论证,对指导尾矿坝灾害识别、分析与治理具有重要的指导意义。     

基于多点关联性的尾矿坝位移监测序列异常值诊断*

针对尾矿坝位移监测序列中噪声和真实异常值的区分问题,提出1种基于多点关联性和改进孤立森林（IF）算法的异常数据诊断模型。通过IF算法对监测序列中的各样本点异常程度进行量化计算,引入云模型（CM）算法确定IF量化的异常得分与异常概念的相互映射关系以实现异常点的初步诊断,根据Apriori算法计算多测点序列间的关联性,找出强关联序列组合,结合序列关联性以及异常点诊断结果区分噪声与真实异常值。以某尾矿坝位移监测序列为例进行模型验证。研究结果表明:基于多点关联性的异常诊断模型能够有效区分尾矿坝位移监测序列中的噪声与真实异常值,提高监测系统的准确性。     

基于PCA-BBO-SVM的尾矿坝变形预测模型与性能验证研究*

为准确预测尾矿坝变形趋势,通过主成分分析法（PCA）对尾矿坝变形影响因子进行优选,基于生物地理学优化算法（BBO）对支持向量机（SVM）参数进行寻优,建立PCA-BBO-SVM尾矿坝变形预测模型,并以杨家湾尾矿坝为例对模型性能进行验证。研究结果表明:PCA-BBO-SVM模型在4个测点的RMSE为0.139 6,0.274 2,0.317 0,0.530 6;MAE为0.112 5,0.213 5,0.269 0,0.412 9;MAPE为0.525 0%,0.692 3%,2.621 2%,1.311 2%;预测精度及对局部波动的预测能力均高于BP、GS-SVM、GA-SVM和PSO-SVM模型,研究结果可为尾矿坝变形预测提供模型支撑。     

基于灰色系统理论的尾矿库坝体形变位移预测方法

为了降低尾矿库在金属非金属矿山安全生产中的危险,提高尾矿库在线监测数据的准确性,提高尾矿库工程溃决的预报预测水平,将尾矿库坝体形变位移作为研究重点,以在线监测技术测得的数值为原始数据,利用灰色系统理论的方法,以时间为主线,建立尾矿库坝体位移数学模型.最后,进行了工程实际坝体形变位移预测,结果表明,利用灰色系统理论建立的模型进行预测可以排除天气、人工、现场条件等许多因素的影响,为人工监测提供可靠依据.     

基于无人机建模的尾矿库溃坝事故推演*

为诠释尾矿库溃坝后水砂演进过程,提升尾矿库事故灾害应急处置能力,采用无人机倾斜摄影技术获取尾矿库全息影像,建立尾矿库三维数字高程模型,导入三维流体计算软件对尾矿库进行溃坝事故推演。结果表明:尾矿库实景三维模型能高精度还原尾矿库实际情况,尾矿库溃坝将淹没库区临时厂房建筑及下游村落;其中,上游沟谷临时厂房建筑水位高程最大达8 m,尾砂淤积厚度最高达10.5 m,下游沟谷村落水位高程最大达10 m,尾砂淤积厚度最高达2.5 m;通过对库区下游布设监测点,得出各监测点处水位高程和尾砂淤积厚度变化规律,分析溃坝主要影响区域。研究结果可为尾矿库风险防控、应急响应工作提供借鉴。     

基于空天地三维数据的尾矿库安全监管技术研究

为提高尾矿库安全状态,解决当前尾矿库监管难度大、代价高、盲区多的现实问题,以四川省盐边县小水井尾矿库为研究对象,采用高分遥感、无人机和三维激光组成的空天地三维数据,建立多层级、多精度三维数据的协同流转模式,通过周边关系分析、关键指标检查、防排洪验算、稳定性分析和溃坝模拟等手段,提供了尾矿库风险管控与定量化评价的参数,研究结果表明:该技术可有效提升尾矿库安全监管的技术能力,有助于促进运营方和监管者建立尾矿库监测-预警-避灾-救援工作体系。     

数字尾矿库系统结构及功能实现方法

我国三等以上尾矿库均建成了尾矿库在线监测系统,为进一步提升尾矿库管控水平,提出可在在线监测系统基础上建设数字尾矿库工程的思路。数字尾矿库工程是借助全数字测量、遥感、地理信息系统或全球定位系统等现代化手段采集基础数据,实现尾矿库地形地势、水文气象、监测监控、调洪、尾矿坝稳定、风险分析、设备设施管理、应急培训等功能有机集成的统一管控平台。在总结数字尾矿库研究现状的基础上,借鉴水利水电工程中数字黄河、数字长江工程建设理论和方法,研究了数字山谷型尾矿库系统的功能和实现方法,提出了数字山谷型尾矿库系统的结构框架,并对数字平台建设、调洪演算实现、坝体稳定在线分析预警及应急培训等子系统的实现方法进行了深入研究,研究成果可为后期数字尾矿库建设提供参考。     

中线式尾矿库洪水漫顶溃坝演化规律模拟研究

为了解中线式尾矿库洪水漫顶溃坝的过程和机理,并提出可行的工程措施,以某中线式尾矿库及下游周边环境为研究对象,采用物理模型试验和数值模拟法对中线式与上游式尾矿库安全性进行对比研究。研究结果表明:由于中线式尾矿库外坝坡堆积粗尾砂的渗透系数偏大,其较上游式尾矿库溃口发展的速率更快,溃坝过程持续时间约14.5 h,坝顶被泄流冲刷形成的溃口宽约289 m,尾矿库下游沟道研究范围内尾矿淤积约871万m3,大量的尾矿仍滞留在库内;采用数值模拟得出的演化趋势与物理模型试验基本一致,但数值模拟计算的尾砂流动速度较快;在拦砂坝下游修建应急拦砂坝工程,物理模型试验表明拦滞尾矿洪水时间约38 min,数值模拟结果表明拦滞尾矿洪水时间约16 min,因此应急拦砂坝措施可有效延长应急逃生时间,减轻溃坝对下游居民的影响。     

基于GDEM-PDyna的尾矿库溃坝三维数值模拟分析研究*

为进一步探究尾矿坝溃决后特有泥石流运移规律,掌握坝体破坏前至溃坝结束全流程发展状态,依托广东省某案例尾矿库为研究对象,采用基于有限元与离散元耦合方法的GDEM-PDyna软件构建泥石流类流体下泄演化数值模型,开展尾矿坝溃决演化分析,动态模拟尾矿库溃决过程中泥砂运动规律及淹没范围,并与MIKE 21软件计算结果进行对比。研究结果表明:尾矿坝溃决后,泥石流类流体流速升高、持续时间较短且尾砂流量发展迅速,2种模拟方法对比结果表明溃坝后坝基位置下泄流量变化与下游敏感点溃坝淹没深度变化情况一致。研究结果可为实现尾矿库下游重点区域灾害评估提供量化支撑,可有效提高尾矿坝溃决后灾害影响评估的精准性。