석탄 광산의 지하 분산형 광섬유 변형 및 온도 센서 BOTDR

BOTDR 감지 시스템에는 다음과 같은 장점이 있습니다:

1) 온도와 응력을 동시에 감지할 수 있습니다.;

2) 높은 측정 감도, 0.2oC의 온도, 의 스트레스 4 μ ε; 3

3) 감지 범위가 멀리 떨어져 있습니다., 까지 100 킬로미터, 그리고 공간 해상도는 도달합니다. 5 미터;

4) 저가.

터널 굴착 후, 주변 암석의 변형과 파괴는 종종 터널 실패 또는 붕괴로 이어집니다. 기존 모니터링 기법, 신율계와 같은, 스트레스 게이지, 수렴 스테이션, 등., 주변의 얕은 암석에서 응력 또는 변형률 데이터만 감지할 수 있습니다., 많은 양의 수동 작업이 필요합니다.. 또한, 상술한 모니터링 기법에서, 모니터링 장비는 굴착 표면 뒤에 설치됩니다., 따라서 굴착 전에 발생하는 변형과 변형을 감지할 수 없습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해, Brillouin 광학 시간 영역 반사계를 기반으로 하는 새로운 유형의 암석 변형 제어 및 모니터링 시스템이 개발되었습니다. 기존 모니터링 시스템과 비교, 이 시스템은 신뢰할 수 있는, 정확한, 그리고 넓고 길쭉한 터널에서 주변 암석의 변형을 제어하기 위한 실시간 모니터링 방법. 굴착면 앞의 시추 구멍에 광섬유 센서를 설치하면 센서를 효과적으로 보호하고 주변 암석의 변형 특성을 연구할 수 있습니다. 이 시스템은 Zhangji 석탄 광산의 TBM 굴착 터널에 적용되었습니다.. 주변 암석의 변형 거동을 정확하게 감지, 모니터링 결과는 주변 암석 변형을 제어하는 데 필요한 참조 기반을 제공합니다.

과거에는 20 년, 얕은 석탄 자원의 고갈과 함께, 석탄 채굴 활동은 지속적으로 더 깊은 층으로 이동해 왔습니다. 중국 내, 약 60% 의 석탄 광산은 이상의 깊이에서 채굴됩니다. 800 미터. 심층 채굴은 높은 지반 응력과 복잡한 지질학적 조건으로 인한 문제에 직면해 있습니다.. 이러한 새로운 문제는 심각한 변형을 초래했습니다, 손상, 그리고 주변 암석의 터널 붕괴, 광부의 안전에 심각한 위협을 가하고 석탄 생산을 제한합니다.. 터널 붕괴 사고는 다음과 같습니다. 80% 총 탄광 사고 건수, 결과 43% 죽어가는 광부들의 비율. 기존의 얕은 터널 모니터링 기법, 신율계와 같은, 스트레스 게이지, 수렴 스테이션, 등., 낮은 정확도와 과도한 수동 조작으로 인해, 더 이상 Deep Strata의 모니터링 요구 사항을 충족할 수 없습니다..

깊은 탄광에서 주변 암석의 변형 모니터링 문제를 해결하기 위해, 많은 새로운 측정 기술이 지하 석탄 채광면 및 터널 굴착에서 개발되었습니다. 자오 외. 터널에서 주변 암석의 손상 과정을 모니터링하기 위해 미소 지진 기술을 사용합니다.. 자오 외. 광섬유 격자 변위 센서를 기반으로 석탄층의 지층 위에 놓이기 위한 변위 모니터링 방법이 제안되었습니다. Kajzar 외. 지하 터널에서 석탄 기둥 변형 및 지붕을 모니터링하기 위해 3D 레이저 기술 적용. Yu 외. 주변 암석의 변형과 터널의 수렴은 레이저 거리 측정기를 사용하여 연구되었습니다. 마르티노(Martino)와 챈들러(Chandler)는 시추공 카메라 이미지를 사용하여 주변 암석의 변형 및 손상 영역 진화 동작을 연구했습니다 [9]. Bl ü ling et al. 미세초점 X선 단층촬영을 이용한 암석 손상의 장기 과정을 제안했다.. Lubosik 외. 스트레인 게이지 및 텐서 센서가 내장된 계장화된 앵커 로드를 사용하여 앵커 로드의 축방향 힘과 암석 변위를 측정하는 기술을 제안했습니다.. 리우 외. 제안된 과도 전자기 방법 (템) 주변 암석 손상 영역의 범위와 변형을 감지하는 데 사용됩니다.. Erich는 지진 반사법을 사용하여 탄광 터널의 붕괴 특성을 연구했습니다..

모니터링 기술의 일부 발전에도 불구하고, 위에서 언급한 모니터링 방법은 여전히 특정 측면에서 단점이 있습니다. 미세 지진 기술과 과도 전자기 및 지진 반사 방법은 주변 암석의 균열 발달을 감지할 수 있습니다., 그러나 암석 변위의 모니터링 정확도는 높지 않습니다 (최대 미터). 미세초점 X선 단층촬영은 암석 샘플의 손상만 측정할 수 있으며 현장 모니터링에는 사용할 수 없습니다. Compared with fully 분산형 광섬유 sensing systems, 광섬유 격자 시스템에는 너무 많은 센서가 필요하고 비용이 더 많이 듭니다.. 또한, 대부분의 상용 인터로게이터는 상당한 양의 FBG만 처리할 수 있습니다, 감지 지점 수에 대한 제한 설정, 그리고 광섬유에 따라서 조밀도. 드릴링 카메라 이미지는 주변 암석 내의 손상과 균열을 감지할 수 있습니다., 그러나 실시간 모니터링은 불가능합니다, 그리고 이미지 분석은 수동 조작에 의존합니다.. 앵커 로드 길이의 제한으로 인해 (일반적으로 다음보다 작음 2.5 μ m 거리), 계기 앵커 로드는 주변 암석의 얕은 부분의 응력과 변형률을 측정하는 데만 사용할 수 있습니다. 3D 레이저 기술은 터널 융합을 위한 고정밀 기기를 제공합니다., 그리고 터널 내부의 변형 및 손상은 측정할 수 없습니다.

Brillouin 광학 시간 영역 반사계 (봇DR) 는 결정된 모든 영역을 따라 변형률과 온도를 측정하는 데 사용되는 완전 분산 감지 기술입니다., 하나의 광섬유만 레이저 펄스에 의해 자극되는 경우, 많은 개별 센서를 교체할 수 있습니다.. BODDR은 빠르고 신뢰할 수 있는 측정을 제공합니다., 또한 광산 작업의 안전에 영향을 줄 수 있는 변형을 조기에 감지할 수 있습니다, 따라서 잠재적 위험을 완화하기 위해 필요한 작업을 미리 준비합니다. 최근 몇 년 동안, botdr 시스템은 탄광의 지하에서 널리 사용되었습니다. 나루세 외. 칠레 엘 테니엔테(El Teniente) 광산에서 BOTDR 모니터링 실시. 이 optical fiber is aligned along the tunnel and set inside the tunnel, 따라서 터널의 수렴을 측정할 수 있습니다.. 쳉 외. BOTDR 기반 모니터링 방법을 사용하여 석탄층의 위에 놓인 지층의 변형을 측정했습니다.. Zhang과 Wang은 터널 표면에 섬유 메쉬 구조를 확립하고 botdr 변형률 측정을 수행했습니다.

이전 BOTDR 응용 프로그램, 광섬유는 대략 설치되었습니다. 5 지지 구조물 설치에 대한 간섭을 피하기 위해 도로의 굴착면 뒤에 미터 (닻 막대, 케이블 앵커 로드, 스틸 메쉬, 등.). 그러므로, 시간이 지남에 따라 변하는 변형만 측정할 수 있습니다, 그리고 굴착 직후에 발생하는 변형은 즉시 연구할 수 없습니다. 그렇지만, 80% 의 도로 손상 및 붕괴 사고가 굴착 표면 근처에서 발생. 그러므로, 도로의 전체 구간 모니터링, 더 깊은 주변 암석과 굴착면을 포함하여, 탄광의 지하에서 안전한 생산을 보장하는 데 있어 항상 중요한 문제였습니다.

botdr을 기반으로 한 탄광 지하 터널의 주변 암석에 대한 모니터링 시스템. 모니터링 시스템의 구조는 주변 암석의 순간 및 시간에 따른 변형을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 수정되었습니다. 터널 내 시스템의 현장 모니터링이 제안되었습니다, 그리고 모니터링 결과를 분석하여 종래의 모니터링 기법의 측정 결과와 비교하였다.

BOTDR 모니터링 시스템의 기본 원리

botdr을 기반으로 하는 모니터링 시스템은 Brillouin 산란을 달성했습니다., 이는 전파 매체에서 빛과 광학 매체 사이의 상호 작용 효과를 나타내는 기본적인 물리적 과정입니다. 빛이 광섬유를 통과할 때, 대부분은 원래 방향을 따라 전파됩니다, 작은 부분이 원래 방향에서 벗어나는 동안, 결과적으로 산란이 발생합니다.. 광섬유에는 세 가지 유형의 광 산란이 있습니다: 섬유 굴절률의 변화로 인한 Rayleigh 산란, 광학 포논에 의한 라만 산란, 그리고 어쿠스틱 포논에 의한 Brillouin 산란. Brillouin 산란에서, 산란된 빛은 스펙트럼에서 최고조에 이릅니다, 그리고 그 주파수는 펄스 라이트에서 이동합니다.. 이 주파수 이동을 Brillouin 주파수 이동이라고 합니다.

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