基于光纤传感的地表沉降监测预警技术应用

2018-05-11亓俊峰王怀佳孙增荣马继业

山东冶金 2018年2期

亓俊峰，王怀佳，孙增荣，姜龙，马继业，张勇

1 前言

随着开采技术的不断提高和大型机械化的应用，矿井开采强度和深度不断加大。岩体移动对生产和生活的影响日益严重，不仅危及井下工人的生命安全，也危及地表建筑物的安全，还会导致工农关系紧张，甚至影响企业生产，为此测定岩体位移并实施监测预警成为保障安全生产和生活的必要前提。传统现场岩体工程稳定性判断是地表建立位移观测基点[1-3]，通过观察基点位移判断岩体是否移动。基点观测是岩体移动的结果，而不是岩体移动的过程。在生产安全和生活安全中，需要把握深部岩体位移状况，通过对深部岩体位移状况的监测，适时预警波及采场和地表的时段，对确保安全有着极其重要的作用。

莱芜矿业有限公司胶固粉厂是维持井下生产的唯一胶凝材料生产基地，位于矿体下盘的东南方向，主要有粉磨车间、成品仓、原料仓、包装车间、烘干车间及辅助用房、厂区工程，还有一套完整的喷煤系统和散装系统。2012年3月12日原赵庄铁矿露天坑区域发生塌陷，塌陷区域体积为15 216 m3。胶固粉厂位于矿体下盘的东南方向，于2005年3月开始建设，当年10月建成。由于耿公清村选矿厂铁矿采矿原因，导致地面塌陷、沉降。胶固粉厂建筑设施和生产设备急需进行安全监测，确保作业人员生命安全和设施安全。

光纤传感技术具有高灵敏度、大动态范围、易于组网等优势［4］，开展基于光纤位移和光纤微震的岩体位移监测技术研究，使岩体位移高精度动态监测预警成为可能。

2 监测原理及系统设计

整个系统由岩体位移监测和岩体破裂微震监测组成，由位于井上监测室的工业计算机、光纤光栅解调仪、光纤位移传感器、光纤微震解调仪、光纤微震传感器及光缆等组成。系统拓扑结构见图1。

图1 系统拓扑结构

2.1 光纤位移监测

光纤位移传感器采用光纤光栅传感原理，其内部敏感元件为悬臂梁结构，采用差动法对温度进行补偿。安装时需要先进行打孔，打好孔后，传感器需要从地表安装。深基点、浅基点、传感器三者都为固定端，并通过连接线相连。当三者之间有相对位移时，传感器便可以检测出来，通过将深基点、浅基点布置在不同岩系岩层来监测不同深度岩层之间变化，并将数据通过光缆传输到上位机，通过软件进行分析监测。

2.2 光纤微震监测

微震传感器的结构模型如图2所示。光纤光栅直接固定在外壳上，k1为光纤的弹性系数，相同长度的光纤k1相同；k2为结构的弹性系数；c为介质阻尼系数；m为质量块的质量。

图2 微震传感器模型

微震传感器通过打孔后，放入设计深度，并进行注浆，使之与所放位置岩层可靠地耦合在一起。当岩体内部有破损发生微震动时，传感器可以及时采集，并通过光缆传输到上位机进行分析监测。

微震传感器检测的数据通过设备的实时采集，并通过软件的分析判断，便可以得出发生的微震事件的时间、能量大小、位置等信息。通过反馈的信息，可以更早地监测到岩体中正在发生的损伤和渐进性破坏过程，及时地给出岩体的失稳预警。

3 实施方案

根据矿体产状和胶固粉厂的相对位置，初步确定在地表布置4只微震传感器和3只位移传感器。传感器主要布置在矿体下盘莱芜矿业有限公司的工业建筑附近，为建筑安全进行预警。传感器布置信息见表1。光纤位移传感器安装结构见图3。

图3 光纤位移监测安装示意图

在地表用全站仪检测，设置4个基点，基点位置如图4所示。

图4 传感器及检测基点平面布置

微震传感器现场施工安装时需要专用安装杆，紧握安装杆和信号线把传感器正面朝上送入孔底，退出安装杆。把注浆管插入孔底，注浆管采用Φ25 mm塑料胶皮管。用手动注浆泵注入膨胀不收缩水泥浆。膨胀不收缩水泥浆由32.5强度的硅酸盐水泥、膨胀率≮0.02%的膨胀剂与井下清水配比而成。水、水泥、膨胀剂的质量比为2∶1∶0.12。

4 监测数据分析

4.1 光纤位移监测分析

2014年12月18日10:53:13监测室声光报警仪报警，报警原因为位移传感器监测到的累计变形超过5 cm。对2014年10月11日—12月18日的数据进行了分析，并对数据进行论证，认为赵庄矿（莱矿胶固粉厂）地表以下岩层确实存在下沉，从历史曲线整体分析，前期变化为连续缓慢变化，变化相对稳定，后期下沉加速。位移监测数据见表2。

表2 监测数据统计

7#点处40～81 m出现了0.7 cm的离层。6#和8#之间深基点处位移小于浅基点，是由于深基点以下的岩层下沉缓慢，浅基点上方离层，压实了深浅基点之间的岩层。2014年11月27日后下沉出现加速趋势。传感器安装在地表不同深度，检测到岩层存在下沉现象。对地表测量基点进行了测量，2013年5月—2014年12月，全站仪监测数据显示，地表最大下沉为16.6 cm，验证了系统测量的可靠性。

从传感器测量数据可以看出，莱矿赵庄矿地下岩层确实有下沉趋势，但是安装传感器数目相对较少，下沉范围还不能预测。此次研究也发现了一些问题，如软件显示精度相对较大，因此数据显示感觉有突变，目前显示精度已经从cm改为mm。其次，位移传感器锚固端受局部岩层影响较大，锚固部位岩石破坏后很容易造成监测失效，需要考虑更好更可靠的固定方式。

4.2 光纤微震监测分析

微震事件发生的垂高最大值为-2 m，最小值为-375 m。2014年12月27日16:47:38发生了1次典型微震事件，高程为-30.33 m。事件最大能量值为182 683 J，发生在-229 m。105J以上的微震事件发生在矿区周围。矿区范围内微震事件基本沿条带分布，垂直高度在-30～-127 m，说明在此区域存在1条活化断层，随断层活动微震事件集中出现。位移传感器6#和7#分别位于断层两侧，其深基点位移量分别为3 cm和4.2 cm。