BOTDR分布式光纤传感技术在充填法采矿模型试验中的应用

Series No.399 Sep te mber　2009 金 属 矿 山M ET AL M I N E总第399期2009年第9期周冬冬(1983—),女,北京科技大学土木与环境工程学院,博士研究生,100083北京市海淀区学路30号北京科技大学395信箱。

BOT DR分布式光纤传感技术在充填法采矿模型试验中的应用周冬冬　高　谦　翟淑花　许凤光　张梅花(北京科技大学)摘　要　为研究司家营铁矿南区开采过程中采场稳定性以及地表沉降情况,选取一个盘区所在的剖面进行物理力学模型试验,并引入布里渊散射光时域反射技术(BOT DR)对开采过程中模型内部的应变进行监测。

试验结果表明模型总体呈稳定状态,采场顶板和地表沉降量较小,矿柱应变变化平稳,阶段空场嗣后充填法开采是可行的。

BOT DR传感技术对模型变形监测十分有效,其分布式、精度高、易布置、不易受开采扰动等优点,可以作为模型试验监测技术加以推广。

关键词　分布式光纤　BOT DR　阶段空场　嗣后充填　模型试验Appli ca ti on of D istr i buted O pti ca l F i ber Sen sor Ba sed on B O T D Ri n the M odel Tests of Backf illM i n i n gZhou Dongdong　Gao Q ian　Zhai Shuhua　Xu Fengguang　Zhang Meihua(U niversity of Science and Technology B eijing)Abstract　I n order t o study the stability of st ope and the subsidence of gr ound surface during the course of m ining in s outhern district of Sijiaying ir on m ine,one secti on of m ining panel was selected t o do the physical and mechanics model test.The distributed op tical fiber based on BOT DR was used t o monit or the strain of model.It was indicated that the BOT2 DR2based distributed detecti on technique f or the model was quite effective.Test results show that the model is stable,the move ment of st op r oof and gr ound surface is less,the change of strain in the p illar is stable,Bench open st op ing and subse2 quent filling m ining is feasible.There were obvi ous advantages f or BOT DR such as distributing,high p recisi on,easy layout, str ong anti2interference,and it was a very potential technique for si m ulati on experi m ent.Keywords　D istributed op tical fiber,BOT DR,Bench open st op ing,Subsequent filling,Model experi m ent 河北滦县司家营铁矿矿石品位低,地表拥有大量村庄、农田,矿体上的厚层第四系含有丰富地下水,开采一直受到限制。

南区现计划建成年产铁矿石1500万t的充填采矿法矿山,大规模采用充填法采矿的铁矿山,在国内尚属首次。

为了开展了南区充填采矿设计方案的可行性、可靠性论证以及开采设计参数优化,不仅需要采取现场调研、数值模拟等研究方法,模型试验研究也是重要的研究手段之一。

相似材料模拟试验是采矿工程常用的一种研究方法,国内外学者先后研制出多种模拟试验方法和测试技术[126]。

由于矿山开采注重研究的是岩层破坏和运动过程中的应力应变规律,传统测试技术仅能测出模型表面位移,而工程实际需要对模型内部位移进行测试,因此探索新的测试技术是模型试验进一步发展的需要。

光纤传感[7]这门新兴技术刚好有助于解决这一问题。

BOT DR分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射(OT DR)技术发展起来的一种新型传感技术,由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术,因此成为目前传感技术研究领域的热点[8210]。

本研究采用BOT DR传感技术,通过在模型中埋设分布式光纤,对开采过程中模型内的变形情况进行监测。

・961・1　布里渊散射及其传感机理在光纤中传播的光波,其大部分是前向传播的,但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构,有一小部分光会发生散射。

光纤中的光散射包括光纤中折射率的变化引起的瑞利散射(Rayleigh scattering ),由光学声子引起的喇曼散射(Ra man scattering )和由声学声子引起的布里渊散射(B ril 2l ouin scattering )等3种类型。

瑞利散射由于是光与物质发生的非弹性散射,因而其波长不发生变化;而喇曼散射和布里渊散射是光与物质发生非弹性散射时所携带的信息,将使入射光波长发生变化,参见图1。

图1　石英系(S i O 2)光纤中的背向散射光谱BOT DR 的基本原理是利用光纤中的自然分布布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的线性关系,得到光纤的轴向应变(图2)。

1989年Horiguohi 等人提出的光纤B rill ouin 应变传感技术,其中光纤的轴向应变与B rill ouin 散射光频率的漂移量可用下式表示v B (ε)=v B (0)+dv B (ε)d εε,(1)式中,v B (ε)为光纤发生应变时B rillouin 散射光频率的漂移量,GHz ;v B (0)为光纤无应变时B rillouin散射光频率的漂移量,GHz ;dv B (ε)/dε为比例系数,为0.5GHz /%(应变);ε为光纤的轴向应变。

利用B rill ouin 散射光的这一性质,BOT DR 分析仪可获得光纤最大的B rill ouin 光强度值。

根据式(1),将光纤中发生应变前后的B rill ouin 散射光最大强度值所对应的频率漂移量换算出光纤的应变值,再通过计算B rill ouin 散射光回到光源起始点的时间t,由z =v g t/2n,就可以得到沿光纤各点的变形量及距离。

当脉冲光在光纤中传输时,在光纤的脉冲光发送端就可以检测到由布里渊散射产生的背向散射光,背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量,背向散射光的强度提供对光纤的衰减的测量。

由于布里渊散射受温度和应变的影响,因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。

图2　B O T D R 应变测量的原理自发布里渊散射信号相当微弱(比瑞利散射约小2个数量级),检测比较困难,因此基于BOT DR 的分布式光纤传感技术的研究主要集中在布里渊信号的检测上。

本试验使用了日本NTT 光纤研究所与安藤公司运用ODTR 技术和B rill ouin 分光技术,研制的光纤应变/损失分析仪AQ8603进行模型内应变监测(图3)。

图3　光纤应变/损失分析仪及其测量示意BOT DR 传感技术所采用的光纤体积小,能以任意形式埋设于模型中实现分布式测量,对结构影响小。

对整个测试光纤,由于检出量是波长信息,因此不受接头损耗、光路损耗因素的影响,对环境干扰不敏感。

2　模型试验设计司家营铁矿采用阶段空场嗣后充填采矿法,从矿体中部向两翼推进。

根据采矿设计,取南区S16勘探线附近采场进行相似模型试验,盘区沿矿体走向布置,长120m ,宽为矿体水平厚,高100m ,间柱宽20m 。

沿走向取3个盘区,沿倾向取一个盘区宽度50m ,矿区首采中段为-450m ,地表高度20m 。

考虑模型试验架的尺寸2500mm ×300mm ×3000mm ,根据相似准则[123]C ε=C σ=C L C γ,确定几何相似常数C L =1∶165,即模型尺寸为2500mm ×300mm ×2800mm;密度相似常数C γ=0.6∶1;应力相似常数C σ=1∶275。

制作模型过程中在两侧空场上方顶板以及地表处埋设分布式光纤,接入分布式光纤应变测量仪(图4)。

在监测系统中设定每隔20c m 取一采样点进行变形监测。

在模型首采盘区顶板上部和地表处每隔15c m 布置一个位移计进行沉降监测。

在矿柱・071・总第399期 金 属 矿 山 2009年第9期内部,每隔15c m 布置一个压力盒监测模型内部应力变化情况。

图4　制作成功的模型为了减小采场曝露面积,对每个盘区的矿体开采分2步,按对角线隔1采1进行,回采顺序如图5所示。

一步回采1#,2#矿房采用阶段嗣后胶结充填;在相邻胶结充填体的支撑下二步回采3#,4#矿房,最后采用尾砂充填。

图5　典型盘区开采回填每个盘区沿走向两侧的矿房均被开挖回填,因此选择一个盘区所在的剖面进行模拟开采,相当于平面应力模型试验。

而对于每个盘区,进行对角线开挖回填过程的模拟,又可以看成一个准三维模型。

选取这样的试验剖面,既可以模拟出开采过程中地表沉降、矿柱的应力应变状态,又可以对采场对角线开挖回填时模型的稳定状态进行观测。

3　监测结果分析对比模型首采区采场顶板变形与地表最终沉降(图6,图7),位移计与光纤监测曲线变化趋势基本一致。

由于位移计是固定在模型表面,受开掘扰动影响较大,其监测数据略微偏大,而且部分位移计松动失效。

图8为对应位移计布置在阶段空场1,3的上方的光纤监测曲线,一次开采回填过程中因为单侧只形成矿房1,矿柱3尚未开采有足够的支撑能力,最大变形量发生在空场顶板的中部。

而二次开采后,由于阶段空场3的形成,而且充填体支撑能力弱于矿柱,采场顶板中部的变形发生突变,采场上方各测点处均产生较大变形。

充填后顶板的沉降量变化趋于缓慢,可见充填体对顶板起到一定的支撑作用,有助于保证采场的稳定。

图6　采场场顶板位移监测结果对比◆—光纤测点;■—位移计测点图7　地表最终沉降监测结果对比◆—光纤测点;■—位移计测点图8　顶板沉降随开采过程监测结果■—开挖1;▲—开挖2;○—回填1;◇—回填2;●—开挖3;△—开挖4;□—回填3; —回填4研究地表沉降曲线发现(图9),地表在一次开采和二次开采时沉降变化较快,在充填后由于充填体的支撑作用,沉降变化趋于缓慢。