围岩应力-水压-水温多功能监测仪研发与应用

李长生,王 军,刘景军

(1.山东省淄博市淄川区水利局; 2.山东理工大学建筑工程学院; 3.山东建勘集团有限公司)

引 言

地下矿产资源的开发进入深部后,由此产生的地应力分布情况和地下水渗流愈发复杂,围岩稳定性更差,导致深部矿山更容易发生安全事故,严重威胁矿山运营安全。地下工程突水事故因具有复杂性和突发性,易给矿山造成严重破坏,是矿山安全事故预防的重点[1-2]。因此,众多学者对井下突水事故的预测进行了大量研究工作。李天宇等[3]研发了自动围岩应力采集仪,实现了对地下矿山巷道围岩应力的自动监测。汤兆光等[4]借助物理试验和数值模拟分析了Druck、Keller和Kulite 3种传感器的响应性能和影响因素。戴强等[5]研制了TY-25型贴片式应变计和SDY-1数字式应变指示仪。颜丙乾等[6-7]基于贝叶斯原理探索构建了海底矿山地下水害的实时监测系统。夏元友等[8]研制了适合岩土工程使用的光纤光栅水压力计。

三山岛金矿是中国首个海底金矿,因缺乏海底开采经验,相关的安全措施、安全预案等都没有可供参考的资料,海底开采扰动大,2个大断层破碎带贯穿矿区,更容易造成突水事故[9-10]。调查发现,由于海底矿山特有的地下采场高温高湿环境,当前的水压计在使用过程中存在可靠性差等问题,严重干扰了对矿山突水事故的科学判定。因此,研发了一种适应滨海深部矿山开采环境的多功能装置,实现一个安装孔可获取围岩应力、水温度、水压等多种信息,并实现信息的自动存储传输,对于预防突水事故,建设现代智慧矿山具有重大意义[11-12]。本文在前人研究的基础上,开发了一种新型的可以同时测量围岩应力-水压-水温的多功能监测仪,实现数据信息的自动存储和无线传输,并在三山岛金矿进行了安装应用实践,取得了较好的效果。

1 设备组成及工作原理

围岩应力-水压-水温多功能监测仪主要用于监测岩体中渗流的水压、水温度和围岩应力数据,通过无线信号将数据传输到控制室,实现远程监测。

1.1 设备组成

1)测水压模块。压力陶瓷模块是用于测量水压的元件,其量程为0～2.0 MPa,压力陶瓷模块的压力精度为满量程的1 %,供电电压为8～30 V。

2)测温模块。采用DS18B20芯片测量温度,其上预留有3P圆孔座,工作电压3～6 V,电源的正极连接VCC端,负极和GND端连接。测温量程-10 ℃～85 ℃,实测中的工作误差为±0.5 ℃[13]。

3)空心包体应变计。空心包体应变计用于测量应力解除过程中小孔孔壁的三维应变值。应变片的布片方式采用环向布置。3个环向的应变片每环布设3个应变片,环与环首尾相接,形成三环相连的布局。

4)存储和无线传输。本装置采用自主研发的数据采集、存储、无线传输电路板。数据采集电路板位于探头内部,连接测水压模块和测温模块。所测数据传输至数据采集电路板,经电路板的放大处理,传送给孔外的数据存储和无线发射电路板。若无线传输出现故障,可用蓝牙无线接收方式,使用手机接收数据,也可取下内存卡,读取仪器监测所得的数据。采用433 MHz无线串口模块进行无线传输,可实现一个无线接收模块同时接收多个探头所发射的数据,节约资源,同时方便数据整理。采用433 MHz吸盘天线进行信号发射和无线接收,无线传输之间的通信协议采用RS485通信协议,无线接收端带有通信协议转换组件,把RS485通信协议转化为现场现有网络的通信协议,实现并网传输[14]。

1.2 工作原理

围岩应力-水压-水温多功能监测仪中的压力陶瓷模块和DS18B20芯片测得所处环境的水压和温度信息后,将其传输至数据采集电路板,电路板可将模拟信号转化为数字信号,再通过信号线将信号传输到安装孔外的数据存储和无线发射电路板,进行存储和无线发射。同时,空心包体应变计采集到的围岩应力信息的模拟信号经空心包体应变计内的电路板转化,以数字信号形式通过信号线被传输至孔外的数据存储和无线发射电路板,进行存储和无线发射。信号接收端的信号接收电路板完成信号接收并转换信号实现并网,通过现有网络,将信号传输至控制室。

2 系统组装

2.1 水压-水温计安装

水压计探头选用压电式陶瓷压力传感器作为压力数据采集模块(如图1所示),该模块能够更精确地测量水压数据,且压电式陶瓷模块结构简单,体积小,便于安装和更换。

图1 压力数据采集模块

压力数据采集模块安装时,根据其特点制作专用的外壳(如图2所示),外壳前端开口允许水进入,将水压作用在压力数据采集模块上,压力数据采集模块前端放置橡胶垫圈起到防水作用,并保证水压完全作用在压力数据采集模块上,使测量数据精准。仪器探头安装测温传感器DS18B20芯片(如图3所示)。

图2 压电模块外壳

图3 DS18B20芯片

2.2 采动应力计

选用当前先进的双温度补偿空心包体应变计[15](如图4所示)。这种应变计采用双温度补偿采集电路板,可连续获取监测数据。根据双温度补偿空心包体应变计的结构特征,将应力-水压-水温计很好地结合在一起,有效避免了温度变化对应力监测精度的影响,使测量数据准确可靠。

图4 空心包体应变计

3 工程应用

以围岩应力-水压-水温多功能监测仪为基础,建立海底地下采场监测设备系统,在三山岛金矿西山矿区-825 m、-855 m和-870 m 3个水平中段进行仪器安装,每个水平中段设置3个监测孔。首先钻孔并安装仪器探头(如图5所示)。钻孔区域位于断层两侧和岩脉巷。仪器安装后,插入用于存储数据的内存卡,接通仪器供电电源开始工作。在弧形巷道和巷道转弯处安装信号中继站,保证信号连续传输到有工业以太网接口的基柜(如图6所示)附近。通过并网,将信号传输到地面控制室(如图7所示)。系统装置整体运行逻辑如图8所示。为了验证设备的可靠性,在-870 m的监测孔内同时安装CS-YZM36水压计,并定时对孔内水温进行现场监测对比。经过2年监测发现,研发的围岩应力-水压-水温多功能监测仪水压最大误差为0.1 MPa,水温误差0.3 ℃,误差值符合工程要求。

图5 仪器安装

图6 联络基柜

图7 地面控制室

图8 矿山监测系统运行逻辑

在2022年5—6月35天中-870 m水平3个监测孔获取的水压、水温和围岩应力数据如图9所示。由图9可知:围岩应力-水压-水温多功能监测仪测得的水温、水压和围岩应力数据及变化规律与文献[6]和[16]的数据变化规律吻合,证明了设备的可靠性和准确性。

图9 监测点数据

4 结 论

1)研制了围岩应力-水压-水温多功能监测仪,达到了一个监测孔同时监测3种数据的目的,实现了对深部海底矿山采场的实时连续监测。

2)在三山岛金矿海底采场的应用实践证明:以围岩应力-水压-水温度多功能监测仪为基础的海底矿山监测系统运行可靠,采集到的数据准确,测得水压最大误差为0.1 MPa,水温误差为0.3 ℃,误差值符合工程要求,能够为预防地下矿山突水事故提供科学依据。