光纤光栅位移传感器在边坡监测中的应用研究.pdf

第 4 o卷 第 2 期 2 0 1 4年 2月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 0 No ． 2 Fe b ． 2 O 1 4 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 2 0 0 9 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 2 5 孙健． 光纤光栅位移传感器在边坡监测中的应用研究E J 3 ． 工矿 自动化， 2 0 1 4 ， 4 0 2 9 5 9 8 ． 光纤光棚位移传感器在边坡监测中的应用研究 孙 健 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 摘要 针对传统的边坡监测不能依据边坡 工程实际实时动 态地 掌握边坡发展 、 变形、 破坏过程的问题 ， 提 出将 光 纤光栅 位 移传 感 器布设 在 露天矿 工程 潜在 滑动 面上对位 移 数据 进行 精确 采 集并预 警 的方 法。该 方法 根据 得 到 的位移 数据 掌握 边坡 变形破 坏过程 ， 然后依 据 边坡发 展 变化规 律判 别 滑坡 的 临滑 时刻 ， 从 而作 出及 时准确的预警。试验结果表明， 将光纤光栅位移传感器应 用在边坡监测中能够得到动态的位移监测曲线， 同 时依 此 作 出的预 警 十分 准确 有效 。 关 键词 边 坡监 测 ； 光 纤光栅 ；位移 传 感 器 ；滑坡预 警 中图分类 号 T D8 2 4 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 4 0 1 2 4 0 8 3 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 卜2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 2 5 ． h t m1 App l i c a t i o n r e s e a r c h o f f i b e r gr a t i n g d i s pl a c e me n t s e ns o r i n s l o p e mo n i t o r i ng SU N J l a n CCTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9，Ch i n a Abs t r a c t I n vi e w o f pr o bl e m t ha t t r a d i t i o na l s l o pe m o ni t or i n g c a n no t ma s t e r pr o c e s s o f de ve l op me nt ， de f o r m a t i on a n d f a i l ur e of s l o p e i n r e a l t i me a nd d y na mi c a l l y a c c o r d i n g t o a c t u a l s l o pe e ng i ne e r i n g，t he pa pe r pr o po s e d a me t h od t o s e t f i be r gr a t i ng di s pl a c e me n t s e n s o r on po t e n t i a l s l i di n g s ur f a c e i n o pe n pi t mi ne e ng i ne e r i ng t o c o l l e c t di s pl a c e me nt da t a a c c ur a t e l y a n d m a k e e a r l y wa r n i ng． The m e t h od ma s t e r s de f o r m a t i on f a i l ur e pr o c e s s o f t he s l op e b a s e d u p on t he de t e c t e d da t a，a nd t h e n di s c r i m i n a t e s s l i d i ng t i me o f l a n ds l i de a c c o r di ng t o d e v e l o pme n t a nd c h a ng e l a w of t h e s l o pe S O a s t o ma ke e a r l y wa r n i ng i n t i m e a n d a c c ur a t e l y．The t e s t r e s ul t s ho ws t ha t t he f i be r gr a t i n g d i s pl a c e me nt s e n s or a p pl i e d i n s l o p e mon i t o r i ng c a n ob t a i n d yn a mi c d i s pl a c e me nt mo ni t o r i ng c ur v e a nd ma ke e a r l y wa r ni n g a c c ur a t e l y a n d e f f e c t i v e l y． Ke y wo r d s s l op e m o ni t or i n g；f i b e r g r a t i ng；d i s p l a c e m e nt s e ns or ；e a r l y wa r ni n g f o r s l i d i ng 0 引言 边 坡 的稳定 性 涉及 矿 山工程 地 面设施 的安 全 和 生产 的连 续性 ， 一 旦发 生滑 坡后 果不 堪设 想 ， 不 仅威 胁装备和人员的安全 ， 同时还会造成生产问断 ， 清理 滑体更会浪费大量的劳动力和装备 ， 严重影响经济 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 4； 修回 日期 2 0 1 3 1 2 0 3 。 作者简 介 孙健 1 9 8 0 一 ， 男 ， 辽 宁朝 阳人 ， 工程 师 ， 主要从 事矿 用安 全仪 表、 控 制 系统、 泵 类 的研究及 检验 工作 ， E ma il 1 3 2 7 2 7 0 1 9 8 8 WO COm．Cn 。 参考文献 [ 1 ] 师 宝 山． 基 于 AT 8 9 S 5 1的多参 数 气体 检测 仪 的研 制 E J ] ． 微计算机 信息 ， 2 0 0 7 ， 2 3 1 9 1 9 0 1 9 1 ． E e l 黄强． 煤矿 智能 多参 数气体 检测 仪 的研 制 E D ] ． 重 庆 重庆 大学 ， 2 0 0 7 ． E 3 3 蒋 玉华 ． 一种矿用无线搜救仪 的设计 E J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 1， 3 7 4 3 4 3 7 ． E 4 2 G B 3 8 3 6 ． 4 2 O O O爆 炸性气 体环境用电气设备 第 4部 分 本质安全型“ i ” [ s ] ． E 5 2 贾运红． 煤矿井下 Z i g B e e 无线传 感器 网络 路 由协议 的 研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 1 3 1 6 ． 9 6 工 矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 0卷 效益。若在边坡滑坡前作 出预警 ， 就可以提早撤 出 人 员 和装备 ， 避 免损 失 ， 因此 ， 需 要 对 边 坡 的稳 定 性 状态进行及时有效地监测 。传统 的边坡变形监测方 法主要包括边坡岩体 内部应力监测_ 1 ] 、 工程爆破震 动监测 、 岩体深部地音监测、 地下水状态监测等 ， 其 中， 边 坡岩 体 内部应 力 监 测 可 以在 滑 动 面 清 楚 的条 件下锚 固深层滑坡 ， 但该方法不仅难 以实施， 而且考 虑到弱层下部岩体破碎容易产生脱锚现象 ， 不利于 锚头上的应力传感器 的测量 ， 从理论上来讲 ， 不会取 得很 好 的效果 。工 程 爆 破震 动监 测 、 岩 体 深 部 地 音 监测 、 地下水状态监测都不能够直观地展现边坡岩 体的变形与破坏过程口 ] 。大量 的滑坡资料和工程 实践 表 明 ， 边坡 岩 体从 开 始 受 力 变 形发 展 到最 终 破 坏一 般需 要经 历一 个 漫 长 的 演化 过 程 ， 经 过 分 析 后 发现在边坡失稳的过程 中， 边坡地表通常都会 出现 一 系列宏观和微观的变形现象 ， 主要体现在边坡地 表变形移动的快慢以及地面裂缝不断延伸扩展、 贯 通 。本文利用光纤光栅位移传感器进行边坡变形监 测 ， 可 以实 时掌握 边坡 变形 破坏 的发 生及发 展 过程 。 在诸多监测手段中 ， 边坡位移监测相对于岩体 内部 应 力监 测更 加容 易 实 现 ， 且能 够 直 观 反 映 边坡 的稳 定性状态 ， 同时设备的可操作性和精度也相对较高 ， 具 有一 定 的应用 价值 l 5 ] 。 1 边 坡位 移监 测原 理及 系统 组成 1 ． 1边 坡 位 移 监 测 原 理 露天 矿 的边 坡 失稳现 象 主要表 现为 边坡 岩体 的 变形 移动 和破 坏 ， 因此 ， 边 坡位 移监 测 主要通 过在 滑 坡敏感区域布置监测点来反馈地表的变形信息。本 文依据光纤光栅的传感原理， 设计了一种能够用于 露 天矿边 坡 变形监 测 的拉绳 式结 构 的光纤光 栅位 移 传感 器 ， 主要 由弹 簧 、 悬 臂 梁 和 楔形 滑 块 组 成 ， 可 实 现 光纤 光栅 位移传 感 器 的差 动式 测量 。它 具有 体积 小 、 灵敏度高、 耐腐蚀 、 长期稳定性好、 信号传输距离 远等独特优点 ， 适于在矿山边坡等较为恶劣 的工程 环 境 中应用 。 基 于 光纤 光 栅 的 应变 测 量原 理 由探 杆 探测 边 坡的位移变化 ， 在拉伸 的作用下将位移变化通过滑 块转化成悬臂梁 自由端挠度 的变化 ， 由此使 悬臂梁 上下表面发生应变 ， 等强度的悬臂梁上下表面的应 变数值相等， 而方向相反 ， 通过测量悬臂梁上下表面 的波长变化差值来反映边坡的位移变化量[ 7 _ 8。 光纤光栅是应变和温度交叉的敏感元件， 本文 采用 悬臂 梁和 双光栅 结构 ， 可 达到温 度补 偿 的 目的 。 在该结 构 中可认 为 2个 光 栅 处 在 同一 温度 场 中 ， 所 受 到 的温度 影 响相 同 ， 但 是悬 臂 梁 上 下 表 面 的应 变 数值相等 ， 方向相反_ 9 ] 。 当悬臂梁的 自由端出现 了一定 的位移时， 根据 布拉格光栅原理便可得到 2个光栅 F B G1 、 F B G 2的 表达 式 △ B l ／ A R 1一 K l ￡ 1 KT 1 AT1 1 △ B 2 ／ B 2一 K 2 e 2 KT 2 AT2 2 式 中 为 光栅 中心反 射波 长 的位移 量 ； 为 布拉 格 波长 ； K 为光 栅 的应 变 灵敏 度 ， K 一 1 一P， P 为 光纤光栅光弹系数 ； e为光栅 的热光 系数 ； K 为光 栅的温度灵敏度 ； △ T为环境温度的变化量。2个光 栅 的应 变特 性 、 温 度 相 同 ， 且 K 一 K K KT 2 ， 而 e 1 一 一￡ 2 ， △T1 一△T 2 。 将 式 1 和式 2 相 减 _ ／ k AB 1 一 _ ／ X AB z 一 2 1一 P ￡ 3 B 1 ， L B 2 由 式 3 可 以 看 出 ， 悬 臂 梁 上 下 表 面 光 栅 F B G1 、 F B G 2的波 长漂 移 量 的差 值 只受 到 悬 臂 梁 应 变 的影 响 ， 由此 排除 了温度 的影 响 ， 达到 了温度 补偿 的 目的 ， 而 且光 栅波 长 漂 移 量 的差 值 与 应 变 成线 性 关系 。 1 ． 2监 测 系统组成 露天 矿边坡 位 移监测 系统 主要 由传 感器 采集 发 射和远程数据接收处理 2个部分组成。传感器采集 发射 部分 即所 谓 的监 测 点 ， 布 设 在 工作 帮 台 阶坡 顶 1 0 m 左右 ， 监 测点 的布置 能够 反 映边坡 变 形破 坏 的 敏感 区域状态 ， 即最危险的滑动面 ， 可以通过边坡稳 定性 刚 体极 限平衡 计 算 软 件 算 出 的结 果 来 确 定 ； 远 程数据接收处理部分可以 自动接收并处理现场传来 的数据 ， 从 而生成 动态 的位 移监测 曲线 ， 然 后依 据不 同的滑坡判据模式形成预警监测曲线 ， 通 过分析监 测 曲线 便 可 及 时 准 确 地 判 断 现 场 边 坡 的 稳 定 性 状 况 。该边坡位移监测系统具有连续 自动 、 快速性强 的优点， 能够满足矿 山工程对安全生产形势的评估 需要 ， 同 时对于 生产 方 可 以做 到实 时准 确 地 掌握 边 坡 的变 形发 展破 坏 过 程 ， 为边 坡 滑 坡 采 取 预 防措 施 提供 了强 有力 的技术 依据 ] 。 2边坡位 移监 测试 验 2 ． 1 位 移监 测点 布设 神东 天隆集 团马家塔 2号 露 天矿于 2 0 0 3年 8月开始剥离工程作业 ， 随着工程的深入 ， 在 3 1 0 、 3 3 8 、 3 4 6平 盘 处 已经 多 次 出现 滑 坡 。 随着 采 2 0 1 4年 第 2期 孙 健 光纤 光栅位 移传 感 器在 边坡 监测 中的应 用研 究 9 7 场的不断降深 ， 滑坡的可能性 日益增大 ， 对安全生产 威胁与 日俱增 ， 部分区域出现大量裂缝 ， 而且裂缝不 断延伸扩展 、 贯通， 排土场坡底 附近地表 出现鼓胀 、 裂缝等 ， 严重 影响 了采场 、 破碎 站和工业广场 的安 全。2 0 1 0年 1 0月 1 5日和 1 8日， 南 帮 4 1 6平 盘 2 4 O O至 3 0 0 0 剖 面 间煤 掌 子 又 连 续 发 生 2次 滑 坡 ， 危及 电镐 采 剥作业 的正 常进行 。为 了保 持南 帮边 坡 稳定性 ， 东南 帮边坡以 4 0 m平盘宽度 临时靠界 ， 形 成现有边坡 ； 原设计以 2 6 r n平盘宽度靠界 ， 形成设 计边坡 ； 改扩建设计 台阶并段靠界 ， 形成最终边坡 。 现有 边坡 到 最终 边 坡造 成东 南 帮 压 煤 ， 而 边 坡 的稳 定性必将影响到压煤的安全、 顺利回采。因此 ， 对边 坡稳定性进行位移监测 ， 实时动态掌握边坡变形破 坏过程 ， 对于确保边坡上 防洪沟、 联络公路、 供水管 路、 6 6 k V联络线路等重要设施 的安全 ， 顺利回采边 坡 压 煤 和尽快 实 现 内排 ， 实 现安 全 生 产 具 有 重 要 的 现实 意义 。 通过对边坡稳定性分析评价找到最危险的滑动 面 ， 监测点就布置在能够有效监测滑 动面的工作平 盘上 ， 同时依据边坡工程地质实际确定监测点的具 体位置、 数量等。监测点布置与滑坡主轴方向一致 ， 监测点布置在位移变形敏感位置。依据边坡稳定性 计算结果 ， 共布置 6 个地表位移监测点 ， 如图 1中黑 点所示 。在监测点处将光纤光栅位移传感器的拉绳 与边坡滑体及传感器探杆 固定连接 ， 从而获得滑体 的位移信息_ 1 j 。 图 1 边 坡 位 移 监 2 1lIl 点 断 面 2 ． 2 位 移监 测数 据 分析 大量的边坡变形监测数据表明， 边坡 的变形破 坏通 常具 有 蠕变 的特 点 ， 即从 开始 出现 变 形 到 最 后 失稳破坏往往需要经历与岩土体蠕变曲线相类似的 初始变形、 等速变形及加速变形 3 个 阶段 ， 如图 2所 示。由边坡位移一时间 s 一 ￡ 曲线 图 2中曲线 1 ， 分别 求 出位 移对 于 时 间 的一 阶导 数 和 二 阶 导数 ， 可 得到边坡位移速度一 时间 一 曲线 图 2中曲线 2 与位移加速度一 时间 n 一 曲线 图 2中曲线 3 。从 图 2可 看 出 ， 边 坡在 初 始变 形 阶段 AB ， 位 移加 速 度 n 0 。边 坡 在初 始变 形 阶段 和 等 速 变形 阶段 是 稳 定 的 ， 只 有 进入加速变形阶段 ， 才预示着边坡演化将进入到整 体失稳破坏的临界状态 ， 此时滑坡即将发生 ， 据此可 以判定 边坡 的稳 定状 态l 1 引。 初始变形阶段 等速变形阶段 加速变形阶段 1 一 r B ／ 2 C ’ ／ 日 ． ／ 1 、 ／ ／ ／ L 图 2典 型 边 坡 位 移 特 征 曲线 基 于边 坡位 移 测 量 数 据 获取 的复 杂 性 ， 测量 数 据时引入的误差是随机的l_ 】 。 ， 因此， 在等速变形阶 段实际获得 的位移一时间曲线是震荡 的， 可 以将 获 得 的位 移数 据看 作 是 随 机 变量 ， 对 位 移 分 别 进行 一 阶和二 阶求 导 就可 得 到 速度 变 量 和 加 速 度变 量 ， 由 此 也 可认为 速度 变 量 和 加 速度 变 量 都 是 随机 变 量 。 对获得的监测数据进行 分布形态检验 ， 当异常值 出 现 时 即 预 示 着 边 坡 变 形 进 入 新 的 阶 段 ， 滑 坡 即将 来 临 。 2 ． 3位移 监 测结果 分析 由于光纤光栅位移传感器监测 的数据太多 ， 本 文 只选 择 D VI I 一 2监 测 点后 期 的 监测 数 据 2 0 1 1年 8月 1 1日至 2 0 1 2年 9月 7日 ， 监 测 结果见 表 1 。 对 表 1数据 逐 次 进 行分 布 形 态 检 验 ， 首 先选 取 D VI I 一 2监测 点 在 2 0 1 1 年 8月 1 1日至 2 O 1 2年 3月 2 0日期 间 的位 移 速度构 成 随机 变量 ， 运 用 L i l l i e f o r s 检 验方 法对 其进 行正 态分 布形 态检 验 ， 结 果为 真 ， 它 的正态分布函数曲线如 图 3 a 所示 。依次纳入新 的位移速度值 ， 并对所形成的随机变量逐个进行正 态检验 ， 截止到 2 0 1 2年 8月 2 8日， 新形成的随机变 量都服从正态分布 ， 如 图 3 b 所示 。当纳入2 0 1 2年 9月 6日的位 移 速 度值 时 ， 经检 验 发 现 位 移速 度 随 机变量 已经不再服从正态分布 ， 即出现 了数据异常 点 ， 并 且 该 时 刻 的 位 移 速 度 增 加 ， 说 明 边 坡 在 9 8 工矿 自动化 2 0 1 4 年 第 4 O卷 表 1 D VI I 一 2监测点水平方向上的监测结果 位移累积量／ 位移速度／ 位移加速度／ 监测时 间 c m r f l m ．d r f l F l 1 ．d C m ‘d o J 2 0 1 1 - 0 8 1 1 2 O l 卜0 8 1 7 2 O 1 1 O 8 2 l 2 O 1 1 0 9 1 9 2 O 1 1 1 0 一 l 1 2 O 1 1 1 1 0 7 2 O 1 1 1 2 - 0 5 2 O 1 2 0卜0 5 2 01 2 O 2 2 7 2 0 1 2 O 3 2 O 2 O l 2 04 1 2 2 0 1 2 05 - 2 4 2 01 2 0 6 2 9 2 O1 2 0 7 2 2 2 O1 2 O 8 0 9 2 O l 2 0 8 2 8 2 01 2 0 9 - 06 2 01 2 0 9 - 0 7 4 ． 3 8 1 9 ． 7 0 5 O ． 9 7 6 4 ．1 6 7 6 ． 7 0 9 8 ． 7 2 l 2 5 ． 6 O 1 5 2 ． 8 7 1 7 9 ．1 0 1 9 4 ．1 5 22 】 ． O 2 25 6 ． 2 3 3 0 4 ． 7 4 3 4 7 ．8 O 3 8 O ．7 8 4 L 2 0 ．9 9 4 4 1 ． 9 6 4 9 5 ． 9 2 6 ． 2 6 5 ． 21 5 ． 76 4 ． 5 5 5 ． 7 0 8 ． 1 6 9．60 8 ． 80 4 ． 9 5 6 ． 8 9 9 ． 2 6 1 1 ． 5 0 1 6 ． 0 6 l 8 ． 5 7 1 9 ． 8 6 2 3 ． 6 3 41 ． 9 4 5 3 ． 9 6 O 0 嚣 。 槲 0 O 系统非 常 适 用 于露 天 矿 的 滑 坡 预 警 。在 工 程 实 践 中， 该系统能够进行现场勘测数据 的 自动采集和实 时接收 ， 结果表明整个 变形破坏过程 的信息能够以 动 态位移 变化 曲线 的形 式 向工 作 人 员 展 示 出来 ， 现 场负责人可及时通过互联网进行数据访问， 实现了 边坡 稳定 状态 的远 程 自动无 线 监 测 ， 且 数 据 传 送 和 接 收不受 距离 限制 。通 过工程 实践 成功 验证 了该 位 移 传感器 的可靠性 ， 对 露 天 矿 的安 全 生产 具 有 重 大 的现实 意义 。 参考文献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 6] [ 7] [ 8] 位移速 度／ ram 位移速度／ m m． d - a 2 0 1 1 o 8 一 l l 2 0 1 2 0 3 2 0 b 2 0 1 1 0 8 1 l 2 0 1 2 - 0 8 2 8 [9 ] 图 3 等 速 变 形 不 I 时 段 位 移 速 度 随机 变 量 正态分布函数曲线 2 0 1 2年 8月 2 8 E t 至 2 O 1 2年 9 月 6 E t 这段 时 间 内的 某一 时刻 已经 进入 加 速 变 形 阶段 ， 而这 一 时刻 即为 露天 矿边 坡 的 临 滑 时 刻 。2 0 1 2年 9月 7 日的 位 移 加速 度 猛 增 到 5 3 ． 9 6 mm／ d 。 ， 预 示 滑 坡 即将 发 生 ， 2 0 1 2年 9 月 7日 0 9时 D VI I 线采 区立 即停 止 生产 ， 并于 2 0 1 2年 9月 7日2 3时 1 5分将所有采掘设备 和人 员 安全撤 离 ， 2 0 1 2年 9月 8日 0 4时 2 6分 滑 坡 发生。结果验证了将光纤光栅位移传感器应用在边 坡监测中能够得到动态 的位移监测 曲线 ， 同时依此 做 出 的预警 十分 准确有 效 。 3 结 语 基 于光纤 光栅 位移 传感 器设 计 的边坡 位移监 测 [ 1 O ] [ u] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] 郭永建 ， 王少飞 ， 李文杰． 应力监测在公路岩质边坡 中 的应用研究[ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 1 3 ， 3 4 5 1 3 9 7 1 4 0 2 ． 黄卫清 ， 穆大耀 ， 谭俊伦 ， 等． 兰坪铅 锌露 天矿 爆破震 动监测与分析[ J ] ． 矿冶 ， 2 0 1 2 ， 2 1 2 7 9 8 3 ． 程 秀芝． 矿井 地音 监 测 技术 的研 究 [ J ] ．中国 矿业 ， 20 08， 1 7 6 84 86 ． 王宁涛． 矿区地下水监测 与预警 系统研究 [ D] ． 武汉 中国地质大学 ， 2 0 0 9 ． 郑 颖 人 ， 陈 祖 煜 ， 王 恭 先 ， 等． 边 坡 与 滑 坡工 程 治 理 [ M] ． 北京 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 7 ． 李海 蒙 ， 李军财． 国内外 矿 山边 坡监测 技术应 用 的最 新进 展[ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 6 ， 1 5 4 4 6 4 7 ． 刘波 ， 牛文成 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