礦壓監(jiān)測系統(tǒng)方案

礦壓傳感器

1礦壓傳感器設(shè)計(jì)

在礦山應(yīng)力監(jiān)測中，*為傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是采用壓力盒，目前應(yīng)用*廣泛的是光彈性應(yīng)力計(jì)。光應(yīng)力計(jì)是一個具有雙折射特性的帶有軸向圓孔的彈性玻璃圓柱體，將它埋設(shè)到巖體鉆孔內(nèi)，可視為無限大巖石平板中嵌入一個同心圓環(huán)的平面應(yīng)力問題。應(yīng)用彈性力學(xué)公式及光測彈性力學(xué)的應(yīng)力光學(xué)定律，可以導(dǎo)出巖體應(yīng)力值。針對傳統(tǒng)機(jī)械式礦壓傳感器我們設(shè)計(jì)了光纖光柵礦壓傳感器。如圖1所示：

圖1 光纖光柵礦壓傳感器

傳統(tǒng)礦壓測量主要指標(biāo)：                   光纖光柵礦壓傳感器指標(biāo)：

量程：0～40MPa                            量程：0-20MPa

精度：2.5%FS                             精度：0.5%FS

對結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測采用*多的是位移監(jiān)測。常規(guī)的圍巖表面收斂測線的布置方式如圖2所示，測線測得的數(shù)據(jù)反映的是相對兩個壁面上兩點(diǎn)間的相對位移，反映了兩點(diǎn)間的收斂變形規(guī)律。

圖2 常規(guī)的圍巖表面收斂觀測測線布置圖

然而由于采空區(qū)頂板隨時有可能冒落，墊層不穩(wěn)定等**原因，大多數(shù)采空區(qū)已經(jīng)封閉，很難允許人員進(jìn)入。為了較準(zhǔn)確的對采空區(qū)礦巖位移情況進(jìn)行探測，需要在空區(qū)內(nèi)安裝直接測量變形的監(jiān)測傳感器。光纖光柵位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)變形監(jiān)測，圖三為我們設(shè)計(jì)的光纖光柵位移傳感器。我們的傳感器主要用來對頂板下落位移進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 礦山用光纖光柵位移傳感器

傳統(tǒng)頂班離層儀指標(biāo)：                           光纖光柵頂板離層儀指標(biāo)：

測點(diǎn)深度：5～6米，                           測點(diǎn)深度：3～4米

讀數(shù)精度：1mm                                讀數(shù)精度：0.5mm

量程：0～200mm                               量程：0～100mm

上述光纖傳感器指標(biāo)是根據(jù)設(shè)計(jì)而得來的，目前傳感器指標(biāo)還需要進(jìn)一步測試落實(shí)。

2 礦壓傳感器井下安裝

圖4 傳感器安裝示意圖

我們經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，決定對這兩種傳感器采用如下安裝方式：

光纖錨桿測力計(jì)：先用鉆孔機(jī)在采空區(qū)頂板鉆一個20的孔，然后將錨桿采用水泥澆注在孔里面，測力傳感器安裝在頂板外部，當(dāng)水泥固化后，通過預(yù)緊外部螺栓，使測力計(jì)受到預(yù)壓力。

光纖離層儀：同樣先用鉆孔機(jī)在采空區(qū)頂板鉆一個孔，然后將離層儀頂部固定點(diǎn)用水泥澆注于孔頂部，待水泥固化后，再將離層儀尾段固定于孔外端。

光纜鋪設(shè)

圖5 整個監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

谷架臺鐵礦礦壓和礦震監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如上圖所示，我們采用一套礦壓監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測10個點(diǎn)礦壓和10個點(diǎn)位移，一套礦震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測四個點(diǎn)礦震信號。兩套監(jiān)測系統(tǒng)都放在監(jiān)控室，通過16芯通信光纜與井下傳感器連接。

圖6 谷架臺礦井井上平面圖

谷架臺鐵礦礦區(qū)結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，有兩個井口，我們的監(jiān)測設(shè)備安裝在主井口的監(jiān)控室內(nèi)，而根據(jù)現(xiàn)場考察結(jié)果，我們的傳感器安裝地方在副井口下面+74m水平面處，所以為了施工方便，在從主井口到副井口這段光纜我們在地面上順著機(jī)車軌道鋪設(shè)，這段距離大約接近兩千米。然后光纜順著井口直接下到+74m水平面處。一直順著巷道將光纜鋪到采空區(qū)附近，該水平面平面圖如下圖所示。然后在該處16芯光纜連接接續(xù)盒，從接續(xù)盒出來3mm鎧裝光纜。這些鎧裝光纜直接用塑料管保護(hù)進(jìn)入采空區(qū)頂部，在采空區(qū)頂部與安裝在頂部的傳感器尾纖進(jìn)行焊接。在頂部的傳感器和光纜焊接點(diǎn)都用金屬保護(hù)蓋加以保護(hù)。在現(xiàn)場進(jìn)行光纜
鋪設(shè)時，必須記錄每一路光纖損耗和連接信息。

圖7 谷架臺礦井立體圖

圖8 東副井立體圖

圖9谷架臺井下+74m水平面平面圖

圖10光纜鋪設(shè)簡圖

圖11采空區(qū)注漿填充實(shí)物圖                    圖12采空區(qū)地面狀況

圖11顯示了采空區(qū)采完后上面頂板為一般巖石，下層采用水泥砂漿進(jìn)行空區(qū)填充后實(shí)景。我們可以看到在填充后，注漿體和巖石之間還會有間隙，因此我們的礦壓傳感器可以固定在頂板上，光纖也盡量從上部進(jìn)行鋪設(shè)，避免注漿施工過程對傳感器和光纖損壞。

圖12為采空區(qū)地面實(shí)景，由于在注漿時需要水，所以整個采空區(qū)濕度很大，同時地面和巖壁水很多，所以對我們施工和傳感器設(shè)計(jì)提出了更高的要求，在整個安裝過程中，先要保證傳感器密封防水，其次要保證熔接點(diǎn)防水，光纜接續(xù)盒防水，熔接過程防水（熔接機(jī)可放置在平板車上）

另外針對礦震傳感器的安裝我們采用的類似于礦壓傳感器的方式，直接先在頂板上打孔，然后將整個礦震傳感器放置在鉆好的孔里，用水泥澆注在里面。對于礦震傳感器安裝方向我覺得還應(yīng)該再仔細(xì)討論一下。

1主要設(shè)備、傳感器和材料清單

2、鋪設(shè)光纜所需材料及其要求