基于光纖傳感的地表沉降監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用

亓俊峰，王懷佳，孫增榮，姜 龍，馬繼業(yè)，張 勇

1 前言

隨著開采技術(shù)的不斷提高和大型機械化的應(yīng)用，礦井開采強度和深度不斷加大。巖體移動對生產(chǎn)和生活的影響日益嚴(yán)重，不僅危及井下工人的生命安全，也危及地表建筑物的安全，還會導(dǎo)致工農(nóng)關(guān)系緊張，甚至影響企業(yè)生產(chǎn)，為此測定巖體位移并實施監(jiān)測預(yù)警成為保障安全生產(chǎn)和生活的必要前提。傳統(tǒng)現(xiàn)場巖體工程穩(wěn)定性判斷是地表建立位移觀測基點[1-3]，通過觀察基點位移判斷巖體是否移動?；c觀測是巖體移動的結(jié)果，而不是巖體移動的過程。在生產(chǎn)安全和生活安全中，需要把握深部巖體位移狀況，通過對深部巖體位移狀況的監(jiān)測，適時預(yù)警波及采場和地表的時段，對確保安全有著極其重要的作用。

萊蕪礦業(yè)有限公司膠固粉廠是維持井下生產(chǎn)的唯一膠凝材料生產(chǎn)基地，位于礦體下盤的東南方向，主要有粉磨車間、成品倉、原料倉、包裝車間、烘干車間及輔助用房、廠區(qū)工程，還有一套完整的噴煤系統(tǒng)和散裝系統(tǒng)。2012年3月12日原趙莊鐵礦露天坑區(qū)域發(fā)生塌陷，塌陷區(qū)域體積為15 216 m3。膠固粉廠位于礦體下盤的東南方向，于2005年3月開始建設(shè)，當(dāng)年10月建成。由于耿公清村選礦廠鐵礦采礦原因，導(dǎo)致地面塌陷、沉降。膠固粉廠建筑設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)備急需進(jìn)行安全監(jiān)測，確保作業(yè)人員生命安全和設(shè)施安全。

光纖傳感技術(shù)具有高靈敏度、大動態(tài)范圍、易于組網(wǎng)等優(yōu)勢［4］，開展基于光纖位移和光纖微震的巖體位移監(jiān)測技術(shù)研究，使巖體位移高精度動態(tài)監(jiān)測預(yù)警成為可能。

2 監(jiān)測原理及系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由巖體位移監(jiān)測和巖體破裂微震監(jiān)測組成，由位于井上監(jiān)測室的工業(yè)計算機、光纖光柵解調(diào)儀、光纖位移傳感器、光纖微震解調(diào)儀、光纖微震傳感器及光纜等組成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 光纖位移監(jiān)測

光纖位移傳感器采用光纖光柵傳感原理，其內(nèi)部敏感元件為懸臂梁結(jié)構(gòu)，采用差動法對溫度進(jìn)行補償。安裝時需要先進(jìn)行打孔，打好孔后，傳感器需要從地表安裝。深基點、淺基點、傳感器三者都為固定端，并通過連接線相連。當(dāng)三者之間有相對位移時，傳感器便可以檢測出來，通過將深基點、淺基點布置在不同巖系巖層來監(jiān)測不同深度巖層之間變化，并將數(shù)據(jù)通過光纜傳輸?shù)缴衔粰C，通過軟件進(jìn)行分析監(jiān)測。

2.2 光纖微震監(jiān)測

微震傳感器的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。光纖光柵直接固定在外殼上，k1為光纖的彈性系數(shù)，相同長度的光纖k1相同；k2為結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)；c為介質(zhì)阻尼系數(shù)；m為質(zhì)量塊的質(zhì)量。

圖2 微震傳感器模型

微震傳感器通過打孔后，放入設(shè)計深度，并進(jìn)行注漿，使之與所放位置巖層可靠地耦合在一起。當(dāng)巖體內(nèi)部有破損發(fā)生微震動時，傳感器可以及時采集，并通過光纜傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行分析監(jiān)測。

微震傳感器檢測的數(shù)據(jù)通過設(shè)備的實時采集，并通過軟件的分析判斷，便可以得出發(fā)生的微震事件的時間、能量大小、位置等信息。通過反饋的信息，可以更早地監(jiān)測到巖體中正在發(fā)生的損傷和漸進(jìn)性破壞過程，及時地給出巖體的失穩(wěn)預(yù)警。

3 實施方案

根據(jù)礦體產(chǎn)狀和膠固粉廠的相對位置，初步確定在地表布置4只微震傳感器和3只位移傳感器。傳感器主要布置在礦體下盤萊蕪礦業(yè)有限公司的工業(yè)建筑附近，為建筑安全進(jìn)行預(yù)警。傳感器布置信息見表1。光纖位移傳感器安裝結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 光纖位移監(jiān)測安裝示意圖

在地表用全站儀檢測，設(shè)置4個基點，基點位置如圖4所示。

圖4 傳感器及檢測基點平面布置

微震傳感器現(xiàn)場施工安裝時需要專用安裝桿，緊握安裝桿和信號線把傳感器正面朝上送入孔底，退出安裝桿。把注漿管插入孔底，注漿管采用Φ25 mm塑料膠皮管。用手動注漿泵注入膨脹不收縮水泥漿。膨脹不收縮水泥漿由32.5強度的硅酸鹽水泥、膨脹率≮0.02%的膨脹劑與井下清水配比而成。水、水泥、膨脹劑的質(zhì)量比為2∶1∶0.12。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 光纖位移監(jiān)測分析

2014年12月18日10:53:13監(jiān)測室聲光報警儀報警，報警原因為位移傳感器監(jiān)測到的累計變形超過5 cm。對2014年10月11日—12月18日的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行論證，認(rèn)為趙莊礦（萊礦膠固粉廠）地表以下巖層確實存在下沉，從歷史曲線整體分析，前期變化為連續(xù)緩慢變化，變化相對穩(wěn)定，后期下沉加速。位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

7#點處40～81 m出現(xiàn)了0.7 cm的離層。6#和8#之間深基點處位移小于淺基點，是由于深基點以下的巖層下沉緩慢，淺基點上方離層，壓實了深淺基點之間的巖層。2014年11月27日后下沉出現(xiàn)加速趨勢。傳感器安裝在地表不同深度，檢測到巖層存在下沉現(xiàn)象。對地表測量基點進(jìn)行了測量，2013年5月—2014年12月，全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表最大下沉為16.6 cm，驗證了系統(tǒng)測量的可靠性。

從傳感器測量數(shù)據(jù)可以看出，萊礦趙莊礦地下巖層確實有下沉趨勢，但是安裝傳感器數(shù)目相對較少，下沉范圍還不能預(yù)測。此次研究也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如軟件顯示精度相對較大，因此數(shù)據(jù)顯示感覺有突變，目前顯示精度已經(jīng)從cm改為mm。其次，位移傳感器錨固端受局部巖層影響較大，錨固部位巖石破壞后很容易造成監(jiān)測失效，需要考慮更好更可靠的固定方式。

4.2 光纖微震監(jiān)測分析

微震事件發(fā)生的垂高最大值為-2 m，最小值為-375 m。2014年12月27日16:47:38發(fā)生了1次典型微震事件，高程為-30.33 m。事件最大能量值為182 683 J，發(fā)生在-229 m。105J以上的微震事件發(fā)生在礦區(qū)周圍。礦區(qū)范圍內(nèi)微震事件基本沿條帶分布，垂直高度在-30～-127 m，說明在此區(qū)域存在1條活化斷層，隨斷層活動微震事件集中出現(xiàn)。位移傳感器6#和7#分別位于斷層兩側(cè)，其深基點位移量分別為3 cm和4.2 cm。

5 結(jié)語

地表以下60 m范圍內(nèi)出現(xiàn)離層，最大離層量達(dá)3.5 cm；60～81 m基本無離層出現(xiàn)，整體下沉；81 m以下巖層下沉緩慢。2014年11月27日后下沉出現(xiàn)加速趨勢。微震事件發(fā)生的垂高距離地表最大值為2 m，最小值為375 m，最大能量為182 683 J。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了1條活化斷層。

通過本次研究實現(xiàn)了觀察巖體移動的目的，驗證了監(jiān)測方法的可行性；其次，掌握了極傾斜礦體開采后下盤巖體的移動規(guī)律，下盤上部和下部巖體移動速度基本一致。同時，進(jìn)一步驗證了微震和巖體位移（離層）存在密切關(guān)系。

由于傳感器數(shù)量過少，并且微震有效事件較少，因而監(jiān)測結(jié)果有待進(jìn)一步驗證。需要增加監(jiān)測點，通過長期觀測，并與常規(guī)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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