金属矿山采空区安全监测方案设计

发布日期：2015-04-27 10:17　　　浏览次数：次

1 监测方法

一般岩土工程常用的监测方式主要采用：人工查看、多点位移计、断面收敛测量、水准测量、压力计、声发射、微地震等多种监测检测技术。如何有效、动态、综合、准确地监测采空冲击性灾害的发生、发展情况，建立全光纤、多参数、大范围、高集成性的灾害监测系统，仍有待本项目的进一步研究。
1.1 应力监测

应力监测是在矿山应用较为广泛的一种监测手段，测量结果可以直接与理论分析计算结果相互应证。空区围岩（含矿柱）应力的变化反映了采空区稳定状况，通过围岩应力监测得到应力变化规律，并可以应用模糊聚类分析的方法对监测结果进行聚类分析，从而就可以对各采空区稳定性进行分析比较，最后确定采空区稳定性等级与维护采空区稳定性的关键矿柱。通过对应力的连续监测，绘制应力-时间曲线，可以进一步研究矿压显现规律，判断围岩的稳定性。
在矿山应力监测中，最为传统的监测方法是采用压力盒，目前应用最广泛的是光弹性应力计。光应力计是一个具有双折射特性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，可视为无限大岩石平板中嵌入一个同心圆环的平面应力问题。应用弹性力学公式及光测弹性力学的应力光学定律，可以导出岩体应力值。对采空区矿压进行监测，需要在接近采空区的周边巷道向采空区方向钻孔，将应力传感器安设在钻孔内，通过铜绞线采集数据后传至地表进行矿压的实时在线分析。
目前，采用扫描式迈克尔逊白光干涉仪对应力场引起的高双折射保偏光纤（PMF）内部的分布式偏振模式耦合理论（天津大学光电学院），由偏振模耦合的强度计算应力的大小，通过由双折射引起的2个正交的偏振模的光程差可以计算应力的位置，可实现1km的测量范围，对应力作用点的空间位置定位，测试精度可达到mm量级，对偏振模耦合强度测试可达到-80dB的灵敏度，实现矿山采空区岩层的大范围监测和应力的定位，是应力监测研究的重点方向。

图4 分布式光纤应力传感原理示意图
1.2 位移监测
1.2.1 井下位移监测
在岩土工程中，位移监测采用最多的是对结构的变形监测。常规的围岩表面收敛测线的布置方式如图5所示，测线测得的数据反映的是相对两个壁面上两点间的相对位移，反映了两点间的收敛变形规律。

然而由于采空区顶板随时有可能冒落，垫层不稳定等安全原因，大多数采空区已经封闭，很难允许人员进入。在空区内无法安装收敛计等直接测量变形的监测传感器。为了满足无人条件下对采空区矿岩位移情况进行实时的监测，仍需要不断寻找和探索合适的测量仪器和测量方法。激光测距技术在此种情况下应运而生。其工作原理是：激光测距仪采用相位比较原理进行测量。激光传感器发射不同频率的可见激光束，接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，最后，用微处理器计算出相应相位偏移所对应的物体间距离，可以达到mm级测量精度。其工作原理图如下：

1.2.2 地表位移监测
（1）地表GPS测量
为了保证采空区周边建筑物的安全和土地资源的合理利用，防范采空区各类变形引起的危害，采空区影响范围内地表岩移变形监测也是反映采空区稳定性的重要指标。
地表位移监测一般采用水准测量的方式，应用水准仪、经纬仪、全站仪、GPS等仪器，测量地表高程变化。研究的重点是根据采空区空间形态合理布设监测站点，保证测量精度和准确性。为了能够直接探测空区覆盖岩层的位移情况，可以从地表向采空区钻孔，安设大应变传感器，直接监测采空区上方岩层移动情况，实现采空灾害监测的目的。
地表位移监测是最空区灾害最基本的监测方法之一，由于其操作简单，误差因素小，灵活性强，地表沉降位移的监测数据可以作为其它各种监测方法的比较和验证的依据。
（2）InSar卫星遥感监测
从20世纪90年代中后期以后，合成孔径雷达干涉测量技术逐渐成熟，应用领域不断扩展，成为SAR应用研究的热点之一。该技术具有测绘带宽、全天候、全天时的特点，可以获取地表高精度的三维信息合成孔径雷达利用卫星沿其轨道的移动，重新精确地构筑（合成）了可操作的大型天线，形成了数十英尺数量级的高空间分辨的成像能力。在由卫星雷达所生成的典型InSAR图像上，图像单元（像素）的大小可以小到1000平方英尺，大到10万平方英尺，具体取决于如何进行图像处理。
1.3 微震声发射系统监测
国内外大量研究资料表明，岩体在破坏之前，必然持续一段时间以声的形式释放积蓄的能量，这种能量释放的强度，随着结构临近失稳而变化。在应力达到岩石破裂强度的一半时，声发射信号显著增加，当微破裂进一步发展时，声发射频率由高频向低频变化。每一个声发射与微震信号都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，对接收到的信号进行处理、分析，可作为评价岩体稳定性的依据。因此，可以利用岩体声发射与微震的这一特点，对岩体的稳定性进行监测，从而预报岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等地压现象。
若声源周围以一定的网络形式布置一定数量的传感器，组成传感器阵列，当监测体内出现声发射时，传感器即可将信号拾取，并将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定声发射源的时空参数，达到定位之目的。对声发射源进行精确定位是该方法的关键技术之一。
声发射传感器种类很多，按频率响应来分，主要有谐振式传感器〔窄带传感器〕和宽带传感器。谐振式传感器具有高灵敏度，但频率响应范围相对较窄，其典型产品有鹏翔科技的PXR系列声发射传感器；宽带传感器响应灵敏度低，但响应灵敏度均匀平坦，频带较宽。主要用于声发射波形的时域和频域分析，国际上以日本富士的AE系列声发射传感器响应曲线较为平坦。
压电陶瓷换能器，大多数共振频率在100KHz~1MHz。除压电陶瓷外，还有新的压电材料如：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。其优点是：低成本、宽动态范围；缺点是：工作温度不能超过70℃，灵敏度比压电陶瓷差。
光纤声发射传感器原理较为多样，目前可以见到的有Michelson干涉式光纤声发射（AE）传感器、Fabery-Perot干涉式光纤（AE）传感器、MachZehnder干涉式光纤AE传感器、Sagnac干涉式光纤声发射传感器等。光纤干涉传感器的优点是：价廉、容易使用、灵敏度高。缺点是：绝对校准比较困难；对不同的声波模式（例如纵波和表面波）响应不同；频响很难避免传感器或电路的共振影响；检测时，传感器耦合在试件表面会引起传递声波的畸变；耦合剂的使用增加检测的未知因素；传感器尺寸相对较大，只能得到接触面区域的平均测量效果。
1.4 综合监测方法选取
根据上述各监测方法的适用范围、技术水平、稳定水平和开发成本，本着实用、先进、高效、经济的原则，建议采空区的安全监测采用光纤光栅应力监测、激光测距传感器监测和围岩破坏声发射监测的综合系统，主要出于以下原因：
1、实用性，对采空区稳定性的重要指标进行监测。采空区的安全监测是对岩石静态稳定性的监测，需要从岩石应力、表面位移和内部损伤三个方面掌握采空区变形破坏的表征，在灾害发生前进行提前预警。
2、先进性，以实时监测为前提条件，避免人员再次进入采空区的危险区域。传统的压力计、位移计和声发射仪需要技术人员进入采空区进行现场读数，存在较大风险，且采空区无法有效封闭，留下较大安全隐患。采用自动化信息监测技术在无人进入的前提下对采空区的状态进行实时动态的监测，是建立监测系统的前提。
3、高效性，光纤光栅监测系统在灵敏度、量程等测量指标上，与传统的压力盒、应力计等测量方法基本相同，但在数据传输和安装施工中具有更为轻便，不需要外界电源，光缆敷设占用主井和大巷的时间短，对生产影响小等特点，更适于工程应用。
4、经济性，光纤光栅监测系统的光源和解调系统可以直接布置在地表，井下只需要一根光缆串联布置各传感器，附属传输设备少，有效的降低了系统成本。同时由激光测距仪组成的顶板岩移监测系统取代了造价高昂的自动全站仪监测，较好的实现监测系统的成本控制。
2 传感器

监测系统传感器拟从以下各型号中选取：
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。测量范围+ / -8000με，分辨率1με，工作温度-50 ~ + 80℃，尺寸f6 * 100。
（2）GSPC光纤光栅压力计测量范围1~20MPa，测量精度1.0%FSR，分辨率0.02%FSR。GSYC-T2应变传感器，埋入式，可进行长期安全监测，实现远程多点分布式实时在线网络监测。测量范围+ / -8000με，测量精度+ / -0.2%FS，分辨率1με。
（3）MS-GXS系列光纤应变传感器，不受电磁、射频及闪电干扰，检测速度高，可用于静态、动态测量，长距离、高质量信号传输，测量精度不受传输光纤损耗变化影响，量程+ / -4000με，灵敏度1με，精确度±1με，带宽0-200kHz。光纤压力传感器压力范围 0～40 MPa（量程可选），精度±0.05%。
（4）AQ8603 基于BOTDR原理的分布式光纤应变传感器，拥有良好性能，是分布式光纤应变传感器中最为成熟稳定的产品。最小分辨率1m，测量精度0.1%，测量范围35公里。
（5）MOI分布式光纤温度应变传感器，应变精度20µe （0.002%），温度精度1°C，测量距离达30 km。
（6）Sentinel－DTS光纤温度应力传感器。测量范围达10公里（最大范围30公里）、温度分辨率达0.5摄氏度，应力分辨率达10με，实现温度和应力不交叉测量。
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毫米连续测量：有水平泡：有激光类型：635纳米，二级安全，防水防尘：IP54。温度范围，操作：-10到+50度，存放：-30到+70度。外形尺寸：131 X 62 X 33毫米。带标准数据232接口，带模拟接口。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设备，功能强大、坚固耐用，专为工业测量市场设计。该设备拥有许多卓越的性能：测程 0.2-200 m；串行接口（RS232或RS422）；单根RS422线可连接多达10个模块；范围宽广的供电电压（9…30V）；可编程模拟输出；两个可编程数字输出端。
2.3 微震声发射传感器
（1）压电陶瓷传感器、40-100通道数字声发射系统，及声发射信号处理软件，可实现空间声发射源的三维定位。传感器频率范围22～260 KHz，灵敏度>-25dB，内置放大器。
（2）PXR系列声发射传感器，频率范围10 kHz ~70kHz，灵敏度>-70dB。振动/声发射复合传感器，频率范围2mV/m/s2~20kHz，150k~600kHz，灵敏度>-63dB，内置放大器。
（3）1045D型宽带声发射传感器，频率范围100~1300kHz，灵敏度>-52dB。
（4）光纤声发射传感器，频率范围10 kHz ~100kHz，动态范围80dB，传输距离可达5公里。
（5）AEi-１型声发射传感器，有效测量半径80m，灵敏度0～2g，频响范围0.2～4kHz，信号传送距离＞2km。
（6）AS04系列压电加速度传感器，AS0409灵敏度10pc/g，频率范围1Hz~12kHz。
（7）LC0102T传感器，灵敏度5mV/g，分辨率0.004g，频率范围2 Hz ~13kHz。
（8）分布式光纤光栅震动传感器，频率范围0~400Hz，动态范围100 dB，监测距离10公里。
2.4 传感器的选取
由于岩土体的复杂性，岩土体的响应可能没有规律可循，故监测也是一项艰巨而细致的工作，这就要求在监测过程中根据监测目的和工程条件认真的选择和使用传感器。
在选择传感器的过程中，首先要明确被测参量对象。岩土工程中的监测对象大多是位移和压力。因为传感器的种类比较多，用于测量压力、位移、温度的就有多种，力平衡式、振弦式、电容式、电感式物理传感器，所以需要了解传感器的工作原理。基于现场情况复杂，需要保证采集数据的精确性和稳定性以及与现有采集仪器的匹配性，就需要合理地选择传感器的使用材料，常用如半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器，金属材料传感器、高分子传感器、超导体材料传感器、光纤材料传感器以及纳米传感器等。
对于采空区的安全监测，主要考虑以下几方面要素：
（1）灵敏度，通常传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，则传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有微小变化时，传感器就有较大的信号输出，当然灵敏度较高的传感器也较容易被外界一些无关的信号干扰，所以，往往又要求传感器的信噪比越大越好。
（2）响应特性，在所测的频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件，响应的延迟时间越短越好，一般利用光电效应、压电效应等物性传感器，响应较快，可工作频率范围宽，而结构型，如电感、电容、电磁式传感器等，固有频率较低，可工作效率也低。
（3）线性范围，任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出和输入成比例关系，线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。
（4）稳定性和可靠性，指传感器在规定的条件下、规定的时间内可完成规定功能的能力，只有产品的主要性能参数均处于规定的误差范围内，方能视为可完成规定的功能。
（5）精确度，表示传感器的数据输出与被测真值一致的程度，传感器能否真实地反映被测值，对整个测试系统有直接影响，但是精确度高的传感器都比较昂贵，因此要根据测试需要的精确度和经济性来统筹考虑选用的仪器。
（6）介质相容性，在测量过程中传感器的敏感部分要和一定的介质接触，长期使用可能受到介质的腐蚀等损害作用，因此选择时也要根据使用的地质条件和使用期要求来合理选择。另外传感器的几何尺寸、质量等因素也是选择的重要指标，几何尺寸也通常受到测量范围和测点布置的限制。
3 监测系统结构设计
3.1 光纤光栅监测系统
3.1.1 岩石应力监测
采用光纤光栅埋入式压力盒传感器，实时监测采空区关键矿柱应力变化。测点数和布点位置根据现场实际情况而定，计划5个以上，其中一个最关键矿柱监测三向应力，预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，沿巷道方向布置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，实时监测锚杆应力。

3.2 激光测距监测系统
选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情况，在各剖面下边帮围岩处钻孔、埋置固定支架，按照设计角度安放激光测距传感器，监测采空区顶底板和边帮的位移变化情况。

3.3 微震声发射监测系统
在采空区顶底板围岩内以立体网络结构形式安装8支声发射传感器，对采空区围岩破坏情况进行预警监测。

3.4 系统结构与数据传输
监测系统采用3个子系统完成采空区24个测量点的状态在线监测。各子系统在井下独立供电，独立工作。监测数据直接传输到距离采空区较近的井下数据采集硐室，由各子系统数据采集模块完成原始数据采集，通过光缆直接传送至地表的数据采集中心，由控制台的分析终端对监测数据进行处理和显示，对危险情况进行预警。

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