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金属矿山采空区宁静监测打算设想

宣布日期:2017-05-05 16:56    阅读次数:次

1 监测体例
普通岩土工程经常操纵的监测体例首要接纳:野生检查、多点位移计、断面收敛丈量、水准丈量、压力计、声发射、微地动等多种监测检测手艺。若何有用、静态、综合、切确地监测采空打击性灾难的产生、成长环境,成立全光纤、多参数、大规模、高集成性的灾难监测体系,仍有待本名目标进一步研讨。
1.1 应力监测
应力监测是在矿山操纵较为普遍的一种监测手腕,丈量成果能够或许间接与现实阐发计较成果彼此应证。空区围岩(含矿柱) 应力的变更反应了采空区不变状况,经由进程围岩应力监测获得应力变更纪律,并能够或许操纵恍惚聚类阐发的体例对监测成果停止聚类阐发,从而就能够或许对各采空区不变性停止阐发比拟,最初肯定采空区不变性品级与保护采空区不变性的关头矿柱。经由进程对应力的延续监测,绘制应力-时候曲线,能够或许进一步研讨矿压闪现纪律,判定围岩的不变性。
在矿山应力监测中,最为传统的监测体例是接纳压力盒,今朝操纵最普遍的是光弹性应力计。光应力计是一个具备双折射特征的带有轴向圆孔的弹性玻璃圆柱体,将它埋设到岩体钻孔内,可视为无穷大岩石平板中嵌入一个齐心圆环的平面应力题目。操纵弹性力学公式及光测弹性力学的应力光学定律,能够或许导出岩体应力值。对采空区矿压停止监测,须要在靠近采空区的周边巷道向采空区标的目标钻孔,将应力传感器安设在钻孔内,经由进程铜绞线收罗数据后传至地表停止矿压的及时在线阐发。
今朝,接纳扫描式迈克尔逊白光干与仪对应力场引发的高双折射保偏光纤(PMF)外部的散布式偏振情势耦合现实(天津大学光电学院),由偏振模耦合的强度计较应力的巨细,经由进程由双折射引发的2个正交的偏振模的光程差能够或许计较应力的地位,可实现1km的丈量规模,对应力感化点的空间地位定位,测试精度可到达mm量级,对偏振模耦合强度测试可到达-80dB的活络度,实现矿山采空区岩层的大规模监测和应力的定位,是应力监测研讨的重点标的目标。
 
图4 散布式光纤应力传感道理表现图

1.2 位移监测
1.2.1 井下位移监测
在岩土工程中,位移监测接纳最多的是对布局的变形监测。惯例的围岩外表收敛测线的安排体比方图5所示,测线测得的数据反应的是绝对两个壁面上两点间的绝对位移,反应了两点间的收敛变形纪律。
 
可是由于采空区顶板随时有能够或许冒落, 垫层不不变等宁静缘由, 大大都采空区已封锁,很难许可职员进入。在空区内没法装置收敛计等间接丈量变形的监测传感器。为了知足无人前提下对采空区矿岩位移环境停止及时的监测,仍须要不时寻觅和摸索适合的丈量仪器和丈量体例。激光测距手艺在此种环境下应运而生。其任务道理是:激光测距仪接纳相位比拟道理停止丈量。激光传感器发射差别频次的可见激光束,领受从被测物前往的散射激光,将领遭到的激光旌旗灯号与参考旌旗灯号停止比拟,最初,用微处置器计较出呼应相位偏移所对应的物体间间隔,能够或许到达mm级丈量精度。其任务道理图以下: 

1.2.2 地表位移监测
(1)地表GPS丈量
为了保障采空区周边修建物的宁静和地盘资本的公道操纵,提防采空区各类变形引发的风险,采空区影响规模边疆表岩移变形监测也是反应采空区不变性的首要目标。
地表位移监测普通接纳水准丈量的体例,操纵水准仪、经纬仪、全站仪、GPS等仪器,丈量地表高程变更。研讨的重点是根据采空区空间形状公道布设监测站点,保障丈量精度和切确性。为了能够或许间接探测空区笼盖岩层的位移环境,能够或许从地表向采空区钻孔,安设大应变传感器,间接监测采空区上方岩层挪动环境,实现采空灾难监测的目标。
地表位移监测是最空区灾难最根基的监测体例之一,由于其操纵简略,偏差身分小,矫捷性强,地表沉降位移的监测数据能够或许作为别的各类监测体例的比拟和考证的根据。
(2)InSar卫星遥感监测
从20世纪90年月中前期今后,分解孔径雷达干与丈量手艺逐步成熟,操纵范畴不时扩大,成为SAR操纵研讨的热门之一。该手艺具备测绘带宽、全天候、全地利的特色,能够或许获得地表高精度的三维信息分解孔径雷达操纵卫星沿其轨道的挪动,从头切确地修建(分解)了可操纵的大型天线,构成了数十英尺数目级的地面间分辩的成像才能。在由卫星雷达所天生的典范InSAR图象上,图象单位(像素)的巨细能够或许小到1000平方英尺,大到10万平方英尺,详细取决于若何停止图象处置。

1.3 微震声发射体系监测
国际外大批研讨资料标明,岩体在粉碎之前,必然延续一段时候以声的情势开释积储的能量,这类能量开释的强度,跟着布局邻近失稳而变更。在应力到达岩石分裂强度的一半时,声发射旌旗灯号明显增添,当微分裂进一步成长时,声发射频次由高频向低频变更。每个声发射与微震旌旗灯号都包罗着岩体外部状况变更的丰硕信息,对领遭到的旌旗灯号停止处置、阐发,可作为评估岩体不变性的根据。是以,能够或许操纵岩体声发射与微震的这一特色,对岩体的不变性停止监测,从而预告岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等地压景象。
若声源四周以必然的收集情势安排必然数目标传感器,构成传感器阵列,当监测体内呈现声发射时,传感器便可将旌旗灯号拾取,并将这类物理量转换为电压量或电荷量,经由进程多点同步数据收罗测定各传感器领遭到该旌旗灯号的时辰,连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解,便可肯定声发射源的时空参数,到达定位之目标。对声发射源停止精肯定位是该体例的关头手艺之一。
声发射传感器品种良多,按频次呼应来分,首要有谐振式传感器〔窄带传感器〕和宽带传感器。谐振式传感用具备高活络度,但频次呼应规模绝对较窄,其典范产物有鹏翔科技的PXR系列声发射传感器;宽带传感器呼应活络度低,但呼应活络度均匀平展,频带较宽。首要用于声发射波形的时域和频域阐发,国际上以日本富士的AE系列声发射传感器呼应曲线较为平展。
压电陶瓷换能器,大大都共振频次在100KHz~1MHz。除压电陶瓷外,另有新的压电资料如:用亚乙烯氟(Vinylidenefluoride)和三氟乙烯(Trifluroethylene)的聚合物作敏感元件的换能器。其长处是:低本钱、宽静态规模;错误谬误是:任务温度不能跨越70℃,活络度比压电陶瓷差。
光纤声发射传感器道理较为多样,今朝能够或许见到的有Michelson干与式光纤声发射(AE)传感器、Fabery-Perot干与式光纤(AE)传感器、MachZehnder干与式光纤AE传感器、Sagnac干与式光纤声发射传感器等。光纤干与传感器的长处是:价廉、轻易操纵、活络度高。错误谬误是:绝对校准比拟坚苦;对差别的声波情势(比方纵波和外表波)呼应差别; 频响很难防止传感器或电路的共振影响;检测时,传感器耦合在试件外表会引发通报声波的畸变;耦合剂的操纵增添检测的未知身分;传感器尺寸绝对较大,只能获得打仗面地区的均匀丈量结果。

1.4 综合监测体例拔取
根据上述各监测体例的合用规模、手艺水平、不变水平和开辟本钱,本实在用、进步前辈、高效、经济的准绳,倡议采空区的宁静监测接纳光纤光栅应力监测、激光测距传感器监测和围岩粉碎声发射监测的综合体系,首要出于以下缘由:
1、适用性,对采空区不变性的首要目标停止监测。采空区的宁静监测是对岩石静态不变性的监测,须要从岩石应力、外表位移和外部毁伤三个方面把握采空区变形粉碎的表征,在灾难产生前停止提早预警。
2、进步前辈性,和时监测为前提早提,防止职员再次进入采空区的风险地区。传统的压力计、位移计和声发射仪须要手艺职员进入采空区停止现场读数,存在较大风险,且采空区没法有用封锁,留下较大宁静隐患。接纳主动化信息监测手艺在无人进入的前提下对采空区的状况停止及时静态的监测,是成立监测体系的前提。
3、高效性,光纤光栅监测体系在活络度、量程等丈量目标上,与传统的压力盒、应力计等丈量体例根基不异,但在数据传输和装置施工中具备更加简便,不须要外界电源,光缆敷设占用主井和大街的时候短,对出产影响小等特色,更适于工程操纵。
4、经济性,光纤光栅监测体系的光源息争调体系能够或许间接安排在地表,井下只须要一根光缆串连安排各传感器,从属传输装备少,有用的下降了体系本钱。同时由激光测距仪构成的顶板岩移监测体系代替了造价昂扬的主动全站仪监测,较好的实现监测体系的本钱节制。

2 传感器
监测体系传感器拟从以下各型号中拔取:
2.1 光纤应力应变传感器
(1)光纤光栅应力传感器,型号OETMS—100。丈量规模+ / -8000με,分辩率1με,任务温度-50 ~ + 80℃,尺寸f6 * 100。
(2)GSPC光纤光栅压力计丈量规模1~20MPa,丈量精度1.0%FSR,分辩率0.02%FSR。GSYC-T2应变传感器,埋入式,可停止持久宁静监测,实现长途多点散布式及时在线收集监测。丈量规模+ / -8000με,丈量精度+ / -0.2%FS,分辩率1με。
(3)MS-GXS系列光纤应变传感器,不受电磁、射频及闪电搅扰,检测速率高,可用于静态、静态丈量,长间隔、高品质旌旗灯号传输,丈量精度不受传输光纤消耗变更影响,量程+ / -4000με,活络度1με,切确度±1με,带宽0-200kHz。光纤压力传感器压力规模 0~40 MPa(量程可选),精度±0.05%。
(4)AQ8603 基于BOTDR道理的散布式光纤应变传感器,具有杰出机能,是散布式光纤应变传感器中最为成熟不变的产物。最小分辩率1m,丈量精度0.1%,丈量规模35千米。
(5)MOI散布式光纤温度应变传感器,应变精度20µe (0.002%),温度精度1°C,丈量间隔达30 km。
(6)Sentinel-DTS光纤温度应力传感器。丈量规模达10千米(最大规模30千米)、温度分辩率达0.5摄氏度,应力分辩率达10με,实现温度和应力不穿插丈量。

2.2 位移传感器
(1)ZCCJ型激光测距传感器,量程:0.05-200米 精度:小于+/-1毫米 延续丈量:有水平泡:有激光范例:635纳米,二级宁静,防水防尘:IP54。温度规模,操纵:-10到+50度,寄存:-30到+70度。形状尺寸:131 X 62 X 33毫米。带规范数据232接口,带摹拟接口。电源:6v-24v。
(2)DLS-A激光测距传感器、激光传感器是新一代的测距装备,功效壮大、坚忍耐用,专为产业丈量市场设想。该装备具有很多出色的机能: 测程 0.2-200 m;串行接口(RS232或RS422);单根RS422线可毗连多达10个模块;规模宽阔的供电电压(9…30V);可编程摹拟输入;两个可编程数字输入端。

2.3 微震声发射传感器
(1)压电陶瓷传感器、40-100通道数字声发射体系,及声发射旌旗灯号处置软件,可实现空间声发射源的三维定位。传感器频次规模22~260 KHz,活络度>-25dB,内置缩小器。
(2)PXR系列声发射传感器,频次规模10 kHz ~70kHz,活络度>-70dB。振动/声发射复合传感器,频次规模2mV/m/s2~20kHz,150k~600kHz,活络度>-63dB,内置缩小器。
(3)1045D型宽带声发射传感器,频次规模100~1300kHz,活络度>-52dB。
(4)光纤声发射传感器,频次规模10 kHz ~100kHz,静态规模80dB,传输间隔可达5千米。
(5)AEi-1型声发射传感器,有用丈量半径80m,活络度0~2g,频响规模0.2~4kHz,旌旗灯号传递间隔>2km。
(6)AS04系列压电加速率传感器,AS0409活络度10pc/g,频次规模1Hz~12kHz。
(7)LC0102T传感器,活络度5mV/g,分辩率0.004g,频次规模2 Hz ~13kHz。
(8)散布式光纤光栅震撼传感器,频次规模0~400Hz,静态规模100 dB,监测间隔10千米。

2.4 传感器的拔取
由于岩土体的庞杂性,岩土体的呼应能够或许不纪律可循,故监测也是一项艰难而详尽的任务,这就请求在监测进程中根据监测目标和工程前提当真的挑选和操纵传感器。
在挑选传感器的进程中,起首要明白被测参量工具。岩土工程中的监测工具大多是位移和压力。由于传感器的品种比拟多,用于丈量压力、位移、温度的就有多种,力均衡式、振弦式、电容式、电感式物理传感器,以是须要领会传感器的任务道理。基于现场环境庞杂,须要保障收罗数据的切确性和不变性和与现有收罗仪器的婚配性,就须要公道地挑选传感器的操纵资料,经常操纵如半导体传感器、陶瓷传感器、复合资料传感器,金属资料传感器、高份子传感器、超导体资料传感器、光纤资料传感器和纳米传感器等。
对采空区的宁静监测,首要斟酌以下几方面身分:
(1) 活络度,凡是传感器活络度越高越好,由于活络度越高,则传感器所能感知的变更量越小,被丈量稍有细小变更时,传感器就有较大的旌旗灯号输入,固然活络度较高的传感器也较轻易被外界一些有关的旌旗灯号搅扰,以是,常常又请求传感器的信噪比越大越好。
(2)呼应特征,在所测的频次规模内,传感器的呼应特征必须知足不失真丈量前提,呼应的提早时候越短越好,普通操纵光电效应、压电效应等物性传感器,呼应较快,可任务频次规模宽,而布局型,如电感、电容、电磁式传感器等,固有频次较低,可任务效力也低。
(3)线性规模,任何传感器都有必然的线性规模,在线性规模内输入和输入成比例干系,线性规模越宽,则标明传感器的任务量程越大。
(4)不变性和靠得住性,指传感器在划定的前提下、划定的时候内可实现划定功效的才能,只要产物的首要机能参数均处于划定的偏差规模内,方能视为可实现划定的功效。
(5)切确度,表现传感器的数据输入与被测真值分歧的水平,传感器可否实在地反应被测值,对全部测试体系有间接影响,可是切确度高的传感器都比拟高贵,是以要根据测试须要的切确度和经济性来兼顾斟酌选用的仪器。
(6)介质相容性,在丈量进程中传感器的敏感局部要和必然的介质打仗,持久操纵能够或许遭到介质的侵蚀等侵害感化,是以挑选时也要根据操纵的地质前提和操纵期请求来公道挑选。别的传感器的多少尺寸、品质等身分也是挑选的首要目标,多少尺寸也凡是遭到丈量规模和测点安排的限定。

3 监测体系布局设想
3.1 光纤光栅监测体系
3.1.1 岩石应力监测
接纳光纤光栅埋入式压力盒传感器,及时监测采空区关头矿柱应力变更。测点数和布点地位根据现场现实环境而定,打算5个以上,此中一个最关头矿柱监测三向应力,估计需光纤光栅压力传感器8个。

3.1.2 锚杆应力监测
在采空区较近的连通巷道内,沿巷道标的目标安排3根锚杆,嵌岩深度5米。装入光纤光栅锚杆应力传感器,用混凝土封装钻孔,及时监测锚杆应力。

3.2 激光测距监测体系
拔取采空区正交的两个剖面和两剖面的交线,监测围岩位移的收敛环境,在各剖面下边帮围岩处钻孔、埋置牢固支架,根据设想角度安顿激光测距传感器,监测采空区顶底板和边帮的位移变更环境。

3.3 微震声发射监测体系
在采空区顶底板围岩内以平面收集布局情势装置8支声发射传感器,对采空区围岩粉碎环境停止预警监测。

3.4 体系布局与数据传输
监测体系接纳3个子体系实现采空区24个丈量点的状况在线监测。各子体系在井下自力供电,自力任务。监测数据间接传输到间隔采空区较近的井下数据收罗硐室,由各子体系数据收罗模块实现原始数据收罗,经由进程光缆间接传递至地表的数据收罗中间,由节制台的阐发终端对监测数据停止处置和显现,对风险环境停止预警。

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