Distribuerte fiberoptiske strekk- og temperatursensorer under bakken i kullgruver BOTDR

BOTDR-sensorsystemet har følgende fordeler:

1) Den kan samtidig oppdage temperatur og stress;

2) Høy målefølsomhet, temperatur på 0,2 °C, stress av 4 μ ε; Tre

3) Deteksjonsrekkevidden er lang, opptil 100 Kilometer, og den romlige oppløsningen når 5 Meter;

4) Lavpris.

Etter utgraving av tunnelen, Deformasjon og svikt i den omkringliggende bergarten fører ofte til tunnelsvikt eller kollaps. Konvensjonelle overvåkingsteknikker, som ekstensometre, spenningsmålere, Konvergensstasjoner, etc., kan bare oppdage spennings- eller tøyningsdata i grunne omkringliggende bergarter, krever en stor mengde manuell betjening. I tillegg, i de ovennevnte overvåkingsteknikkene, Overvåkingsinstrumentene installeres etter utgravningsflaten, slik at de ikke kan oppdage belastningen og deformasjonen som oppstår før utgravingen. For å overvinne disse manglene, En ny type bergdeformasjonskontroll- og overvåkingssystem basert på Brillouin optisk tidsdomenereflektometer er utviklet. Sammenlignet med konvensjonelle overvåkingssystemer, Dette systemet gir en pålitelig, nøyaktig, og sanntids overvåkingsmetode for å kontrollere deformasjonen av omkringliggende bergarter i brede og langstrakte tunneler. Installering av fiberoptiske sensorer i borehullene foran utgravningsflaten kan effektivt beskytte sensorene og studere deformasjonsegenskapene til den omkringliggende bergarten. Systemet har blitt brukt i TBM-utgravningstunnelen til Zhangji kullgruve. Nøyaktig oppdagelse av deformasjonsoppførselen til omkringliggende stein, Overvåkingsresultatene gir nødvendig referansegrunnlag for kontroll av omkringliggende bergdeformasjoner.

Tidligere 20 År, med uttømming av grunne kullressurser, kullgruvevirksomheten har kontinuerlig skiftet mot dypere lag. I Kina, omtrent 60% kullgruver utvinnes på dybder på over 800 Meter. Dyp gruvedrift står overfor utfordringer fra høy grunnspenning og komplekse geologiske forhold. Disse nye problemene har ført til betydelig deformasjon, skade, og tunnelkollaps av den omkringliggende steinen, utgjør en alvorlig trussel mot sikkerheten til gruvearbeidere og begrenser kullproduksjonen. Tunnelkollapsulykker står for 80% av det totale antallet kullgruveulykker, noe som resulterer i 43% av gruvearbeidere som dør. Tradisjonelle teknikker for overvåking av grunne tunneler, som ekstensometre, spenningsmålere, Konvergensstasjoner, etc., på grunn av deres lave nøyaktighet og overdreven manuell betjening, ikke lenger kan oppfylle overvåkingskravene til dype lag.

For å løse problemet med deformasjonsovervåking av omkringliggende bergarter i dype kullgruver, Mange nye måleteknologier har blitt utviklet i underjordiske kullgruveflater og tunnelgraving. Zhao et al. Bruk av mikroseismisk teknologi for å overvåke skadeprosessen av omkringliggende berg i tunneler. Zhao et al. En forskyvningsovervåkingsmetode for overliggende lag i kullsømmer basert på fiberoptiske gitterforskyvningssensorer har blitt foreslått. Kajzar et al. anvendt 3D-laserteknologi for å overvåke deformasjon av kullsøyler og tak i underjordiske tunneler. Yu et al. Deformasjonen av omkringliggende bergarter og konvergens av tunneler ble studert ved hjelp av en laseravstandsmåler. Martino og Chandler studerte deformasjons- og skadesoneutviklingsatferden til omkringliggende stein ved hjelp av borehullskamerabilder [9]. Bl ü ling et al. foreslo den langsiktige prosessen med bergskader ved hjelp av mikrofokal røntgentomografi. Lubosik et al. foreslo en teknikk for måling av aksial kraft og bergartforskyvning av ankerstenger ved hjelp av instrumenterte ankerstenger innebygd med strekkmålere og tensorsensorer. Liu et al. Den foreslåtte forbigående elektromagnetiske metoden (TEM) brukes til å oppdage rekkevidden og deformasjonen av den omkringliggende bergskadesonen. Erich studerte kollapsegenskapene til kullgruvetunneler ved hjelp av seismisk refleksjonsmetode.

Til tross for noen fremskritt innen overvåkingsteknologi, De ovennevnte kontrollmetodene har fortsatt mangler i visse aspekter. Mikroseismisk teknologi og transiente elektromagnetiske og seismiske refleksjonsmetoder kan påvise utvikling av sprekker i omkringliggende bergarter, men overvåkingsnøyaktigheten av bergforskyvning er ikke høy (opptil meter). Mikrofokal røntgentomografi kan bare måle skader i bergartsprøver og kan ikke brukes til overvåking på stedet. Compared with fully distribuert fiberoptikk sensing systems, Fiberoptiske gittersystemer krever for mange sensorer og har høyere kostnader. I tillegg, de fleste kommersielt tilgjengelige forhørsledere kan bare håndtere en betydelig mengde FBG, Sett grenser for antall sensorpunkter, og tettheten langs fiberoptikken. Bilder fra borekameraer kan oppdage skader og sprekker i det omkringliggende berget, Men sanntidsovervåking kan ikke oppnås, og bildeanalyse er avhengig av manuell betjening. På grunn av begrensningen av ankerstanglengden (vanligvis mindre enn 2.5 μ m), Instrumentankerstenger kan bare brukes til å måle spenningen og tøyningen i den grunne delen av den omkringliggende bergarten. 3D-laserteknologi gir et høypresisjonsinstrument for tunnelkonvergens, og deformasjonen og skaden inne i tunnelen kan ikke måles.

Brillouin optisk tidsdomenereflektometer (BOTDR) er en fullt distribuert sensorteknologi som brukes til å måle tøyning og temperatur langs alle bestemte områder, der bare én fiber stimuleres av en laserpuls, så mange diskrete sensorer kan byttes ut. BOTDR gir raske og pålitelige målinger, samt tidlig oppdagelse av deformasjoner som kan påvirke sikkerheten ved gruvedrift, og dermed tilrettelegge nødvendig arbeid på forhånd for å redusere potensielle risikoer. De siste årene, Botdr-systemet har blitt mye brukt under jorden i kullgruver. Naruse et al. gjennomførte BOTDR-overvåking ved El Teniente-gruven i Chile. Den optical fiber is aligned along the tunnel and set inside the tunnel, slik at den kan måle konvergensen til tunnelen. Cheng et al. Målte deformasjonen av overliggende lag i kullsømmer ved hjelp av en BOTDR-basert overvåkingsmetode. Zhang og Wang etablerte en fibernettstruktur på overflaten av tunnelen og utførte botdr-tøyningsmålinger.

I tidligere BOTDR-applikasjoner, optiske fibre ble installert omtrent 5 meter bak veibanens utgravingsflate for å unngå forstyrrelser i installasjonen av bærende konstruksjoner (ankerstenger, kabel ankerstenger, stålnett, etc.). Derfor, kun deformasjon som endres over tid kan måles, og deformasjon som oppstår kort tid etter utgraving kan ikke studeres umiddelbart. Imidlertid, 80% av veiskader og kollapsulykker skjer i nærheten av graveflater. Derfor, Overvåking av hele kjørestrekningen, inkludert den dypere omkringliggende steinen og utgravningsflaten, har alltid vært et sentralt tema for å sikre sikker produksjon under jorden i kullgruver.

Et overvåkingssystem for den omkringliggende bergarten i kullgruvetunneler basert på botdr. Strukturen til overvåkingssystemet er modifisert for å muliggjøre sanntidsovervåking av den øyeblikkelige og tidsavhengige deformasjonen av den omkringliggende bergarten. Overvåking av systemet i tunneler på stedet ble foreslått, og overvåkingsresultatene ble analysert og sammenlignet med måleresultatene fra konvensjonelle overvåkingsteknikker.

Det grunnleggende prinsippet for BOTDR-overvåkingssystem

Overvåkingssystemet basert på botdr har oppnådd Brillouin-spredning, som er en grunnleggende fysisk prosess som representerer interaksjonseffekten mellom lys og optiske medier i forplantningsmediet. Når lys passerer gjennom optiske fibre, det meste forplanter seg langs den opprinnelige retningen, mens en liten del avviker fra den opprinnelige retningen, noe som resulterer i spredning. Det er tre typer lysspredning i optiske fibre: Rayleigh-spredning forårsaket av endringer i fiberbrytningsindeks, Raman-spredning forårsaket av optiske fononer, og Brillouin-spredning forårsaket av akustiske fononer. I Brillouin-spredning, Det spredte lyset når sitt høydepunkt i spekteret, og dens frekvensskifter fra pulslyset. Dette frekvensskiftet kalles Brillouin frekvensskift.

Fiberoptisk temperatursensor, Intelligent overvåkingssystem, Distribuert fiberoptisk produsent i Kina