振弦式传感器在深部采场充填体监测中的应用.pdf

S e r i a l N o ． 5 5 1 Ma r c h． 2 01 5 现代矿业 M0DERN MI NI NG 总 第5 5 1 期 2 0 1 5 年 3月第 3期 振弦式传感器在深部采场充填体监测 中的应用 枣 王 昆 吕文生 王金海 北京科技 大学土木与环境工程学院 摘要随着地下矿 山开采向深部发展 ， 对充填体稳定性 的研 究越来越 必要。振弦式传感器 具有精度高， 抗干扰能力强， 安装简单等优点， 对于深部开采复杂的采场环境具有较高的可靠性。 介绍 了振 弦式传感器的工作原理， 并根据新城金矿深部采场充填体监测的工程应用实例分析 ， 得到 了深部采场充填体 受力及沉降的规律 。最后总结了振 弦式传感器在深部采场充填体监测应 用中需 要 注意 的 问题 。 关键词深部开采振弦式传感器充填体监测 Ap pl i c at i o n o f Vi br at i ng W i r e S e n s or s i n M o n i t o r i ng t he De e p St op e Fi l l i ng Bod y Wa n g Ku n L v We n s h e n g Wa n g J i n h a i C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g Abs t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f un d e r g r o un d mi n i n g t o t he d e e p，t h e s t u d y o n f i l l i n g b o d y s t a bi l i t y i s be c o mi n g mo r e a nd mo r e ne c e s s a r y．Vi b r a t i n g wi r e s e n s o r s whi c h ha s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h p r e c i s i o n，s t r o n g a nt i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a nd s i mp l e i n s t a l l a t i o n a r e r e l i a b l e f o r t h e c o mp l i c a t e d s t o p e e n v i r o n me n t i n d e e p mi n i n g ．T h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f v i b r a t i n g w i r e s e n s o r s i s d i s c r i b e d，a c c o r d i n g t o t h e印 一 pl i c a t i o n e x a mp l e s o f t h e d e e p s t o p e f i l l i n g b o d y mo n i t o rin g i n Xi n c he n g g o l d mi n e，t he s t r e s s a n d s e t t l e me n t r u l e s o f d e e p s t o p e fil l i n g bo d y a r e o b t a i ne d．Be s i d e s t ha t ，t h e p r o b l e ms t h a t s h o u l d b e t a ke n a t t e n t i o n a b o u t t h e a p p l i c a t i o n o f v i b r a t i n g w i r e s e n s o r s i n mo n i t o ri n g t h e fi l l i n g b o d y i n d e e p s t o p e a r e s u mma - r i z e d ． Ke y wo r d s De e p mi n i n g，Vi b r a t i n g w i r e s e n s o r ，F i l l i n g b o d y mo n i t o ri n g 随着浅部资源的枯竭 ， 深部开采是未来采矿发 展的必然趋 势。一直 以来 ， 深部采矿作业 深受 “ 三 高一扰动” 的困扰⋯， 而充填采矿法作为一种安全、 环保的采矿方法 ， 近些年在深部 开采中得到广泛应 用 。充填体的稳定性是控制深部采场地压、 维持采 场稳定 、 保证 深部采矿作业 安全高 效 的重要 因素。 传统的数值模拟计算等方法分析充填体的稳定性具 有一定 的局限性 ， 相 比之下充填体稳定性监测更为 直观 、 准确 。 目前 ， 国内外文献 中关 于充填体稳定性监测介 绍 的较少 ， 随着深部开采的持续推进 ， 充填体的稳定 性监测越来越必要。然而 ， 在深部开采复杂 的环境 “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目 编号 2 0 1 2 B A B O 8 B 0 1 。 王昆 1 9 9 1 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 1 0 0 0 8 3北京 市海淀区学院路 3 O号 。 下， 传统的电感式传感器的可靠性、 稳定性都很难保 证 。振弦式传感器是一种非 电量电测 的传感器 ， 相 比于传统的电阻应变计， 该传感器具有抗干扰能力 强 、 性能稳定 、 寿命长等优点 ， 对于复杂的深部采场 环境具有较好的适应能力 ， 现在 已广泛应用在 国内 外 隧道 、 路基 、 大坝 、 边坡 、 矿 山等工程及科学研究 中 。 1 振弦式传感器的工作原理 振弦式传感器一般由弹性外壳 或膜片 、 紧固 夹头 、 钢弦、 线圈等部分组成。根据弹性体 自振理论 的推导 ， 钢弦震动频率／与施加于钢弦两端的拉应 力 、 钢弦长度 以及钢弦的材料有关。因此 ， 在钢弦 材料和尺寸确定 的情况下 ， 钢弦振动频率 ．厂 的变化 量即可表征拉应力的大小 。 现 以双线圈激振方式来表述振弦式传感器的工 作原理 。如 图 l所示 ， 工作时开启电源 ， 激振线圈通 1 6 9 总第 5 5 1期 现代矿业 2 0 1 5年 3月第 3期 电后激发钢弦振动， 在磁场中切割磁力线， 所产生的 感应 电势 由接收线 圈接收并输 出， 同时将输出信号 的一部分反馈到激励线圈， 保持钢弦的振动 ， 然后由 接收线圈输出与钢弦拉应力有关的频率信号 。 图 1 振 弦式传感器工作原理 钢弦连续等幅振动的状态符合柔软无阻尼微振 动的条件 ， 钢弦的振动频率可由下式确定 f ， ㈩ 式 中， 为钢弦有效长度 ； 为钢弦拉应力 ； P为钢 弦材料密度。 当钢弦材料、 几何尺寸一定时 ， 钢弦的有效长度 L、 材料密度 P可视 为常数 。外力未施加在 弹性外 壳时 ， 钢弦按初始拉应力振动 ， 输 出初始频率； 当施 加外力时， 则弹性外壳发生变形， 固定于弹性外壳的 两个夹头随之产生转动 ， 绷紧于夹头上 的钢弦所受 的拉应力随之变化 ， 此 时测得钢弦输 出频率值。将 式 1 转化为 4 L 2 f P． 2 由式 2 可见 ， 与，的二次方成正比。由此可 以得出振弦式传感器测试技术的计算理论基础。当 弹性外壳在外力的作用下 ， 钢 弦所受拉应力的变化 量 可 由式 3 求得 o r o r 一 k f 一 _厂 ， 3 式中， k为钢弦拉伸灵敏系数 ， 4 L P； f为钢弦在 外力作用下的振动频率 ； ， 0 为钢弦振动的初始频率。 根据胡克定律 ， 钢弦长度值 8 c r ／ E． 4 由式 4 可知 ， 在钢弦材料和几何长度一定 时， 钢弦长度值 与钢弦所受拉应 力 o r 呈 线性关 系。 由图 1 可 以看出 ， 夹头固定于弹性外壳保持与其相 对位置不变 ， 且与之始终保持垂直关系 ， 故受力后钢 弦长度变化量 与弹性外壳变形量 呈一定 的线性关 系 ， 即钢弦所受拉应力的变化量 o r 与弹性外壳所受 外力变化量呈线性关系。弹性外壳所受外力 P为 P K f ， ， 5 式中， K值为振弦式传感器的标定系数， 该系数为与 钢弦及传感器的尺寸和材质有关的常数 但在振弦 式传感器实际工程制造中， 不同传感器的钢弦材质、 1 7 0 长度以及外壳尺寸很难加工到完全一致 ， 故 每个传 感器的 值均不同， 传感器出厂前标定系数 值需 要 由试验测定 。 2 工程实例 新城金矿位于 山东省莱州市金城镇境 内， 是 山 东黄金集团的主体矿山 ， 地质储 量大 ， 矿石 品位较 高， 属于我国大型地下黄金矿山之一l 4 J 。 日前该金 矿已经开采 到地下 一 7 0 0 IT I 水平以下 ， 开拓深度 已 达 一1 0 0 0 m以下。地表村庄密布且有烟潍公路通 过， 不允许陷落， 矿山现在使用的主要采矿方法为上 向水平分层充填法 ， 属于典型的充填深部开采矿 山。 以该矿山深部 一 6 8 0 m水平某采场充填体稳定性监 测为实例， 研究振弦式传感器在深部开采充填体监 测中的应用。 2 ． 1 测点布置 选取该采场待充填的某一分层布设测点， 该分 层高 3 ． 3 m， 长 9 1 ． 5 m， 宽 8 ． 2 m。为 了实现对充填 体稳定性的长期 、 高效监测 ， 在该分层布置 A、 B、 C 3 个测点， 如图2 所示。A点与 点、 B点与 C点之间 距离均为 2 0 m。A点距离充填挡墙 5 5 m， 布置竖直 方向单点沉降计 c 1 、 垂直矿体走 向单点沉降计 c 3 ， 布置3 个压力盒 Y 1 、 Y 3 、 Y 5 ， 分别测量竖直方向、 垂 直矿体走向及沿矿体走向的压力； B点距离充填挡 墙 3 5 m， 安装垂直矿体走 向的单点沉降计 C 4； C点 距离充填挡墙 1 5 m， 布置竖直方向单点沉降计 c 2 、 垂直矿体走向单点沉降计 c 5 ， 布置 3个压力盒 Y 2 、 Y 4 、 Y 6， 分别测量竖直方向、 垂直矿体走 向及沿矿体 走 向的压力。为了防止相邻压力盒刚性外壳对施测 结果的相互影响 ， 各个压力盒间距控制在 5 0 c m 以 匕 图 2 监测仪器测点布置示意 通过测点布置， 计算出施测分层充填体的水平 方向位移、 竖直方向沉降， 及该分层充填体3个方向 的受力情况， 跟充填体变形结合起来， 对于充填体稳 定性的分析研究具有参考价值。 2 ． 2 保护措施 采用绝缘性能 良好 、 防水耐磨 的屏蔽线缆传输 数据。单点沉降计和压力盒按照相关规范要求埋设 王 昆 吕文生等 振弦式传感器在深部采场充填体监测 中的应用 2 0 1 5年 3月第 3期 完毕后 ， 将通信线缆穿到钢丝波纹管中 ， 沿着待充填 采场两帮引出到充填挡墙外 ， 防止充填过程 中通信 线缆受损进水 ， 影响测量结果。 2 ． 3数据的读取 使用与该传感器配套的 自动化综合测试系统采 集数据 ， 该系统为分布式全 自动静态 网络数据采集 系统 ， 由上位机 、 采集模块 MC U 和系统软件组成。 上位机操作系统为 WI N 9 8以上的计算机 ； 系统软件 中设置系统时间 、 启动时间、 测量周期及各个传感器 对应的初始频率 、 标定系数 、 数据单位等参数 ， 将从 采集模块 MC U 中获取 的传感器测量频率 直接转 换为测量值并输出； 采集模块 MC U 布置在充填挡 墙外， 通过通信线缆连接已经布置于充填体内的各 个传感器 。内置变压器 ， 将矿山用 3 6 V安全电压转 换 1 2 V直流电为其供电 ， 且配备可以维持一星期工 作 的 蓄 电池 ， 以 防临 时停 电造 成 测 量数 据 中断。 M C U内置存储器可以存储上万条测量数据 ， 定期通 过安装有系统软件 的上位机读取数据 ， 并可 以导 出 到 E x c e l ， 实现无人值守自动测量。 3 监测数据及分 析 监测设备安装完成 、 检测线路通畅后便可进行 采场充填工作 ， 待采场充填完毕 、 上向分层矿体回采 工作之前 ， 通过计算机对 自动测试 系统进行初始设 置 ， 测量施测分层各个传感器的初始值 ， 将初始值连 同标定系数等参数 导入 到采集模块 中， 设定从每天 0 0 0开始测量 ， 测量周期为 2 h 。之后每月定期下 井用计算机导出数据并将采集模块 内存清空 ， 以免 数据过多影响后续监测工作 。 为了研究上向分层矿体 回采工作对充填体稳定 性 的影响 ， 首先 对短期 充填 体 的受力 及位 移 数据 选取某一天 内监测数据 进行分析 ， 再对充填体长 期受力及位移数据 本文选取施测分层充填工作完 成后 9 0 d内监测数据 进行分析。 为方便叙述 ， 采用传感器编号代替传感器类型 及安装位置 ， 传感器编号及安装 位置 的对应关系如 表 1 所示 。 3 ． 1 充填体应力变化规律分析 3 ． 1 ． 1 充填体短期 内应力变化规律 为了研究充填体短期内应力的变化规律， 选取 上 向分层开始 回采后 的某一天 2 0 1 4年 3月 1日 的应力监测数据进行分析 ， 如图 3所示。由图 3可 以明显看出 ， 1 d内充填体所受 3个方 向的应力均有 轻微的波动 ， 其 中 1 2 0 0～1 8 0 0波动较 大， 其余时 间段波动较为平缓 。结合矿 山生产实际分析得知 ， 表 1 传感器编号及安装位置 1 4 0 0～1 6 0 0为矿 山爆破作业 的时间段 。矿体爆 破破坏是一个高温、 高压、 高速的瞬态过程 ， 在几 十 微秒到几十毫秒之 间完成 ， 爆破产生的冲击波经过 矿体围岩衰减成爆破应力波并传播 至充填体 ， 引起 底部充填体受力发生变化。由于充填体的固有频率 一 般集 中在 5～1 2 H z ， 该地下 矿的爆破 规模 较小 ， 引起的爆破应力波主振频率分布在 1 06 5 H z ， 当 充填体的固有频率与应力波的主频相接近时， 会引 起充填体的共振效应 ， 使其受力突然增大 J 。爆破 工作结束后应力值又渐渐恢复到平稳波动。另外 ， Y 1 、 Y 3 、 Y 5的应 力值均 大于 Y 2 、 Y 4、 Y 6 ， 这 是 由于 Y l 、 Y 3 、 Y 5测点位置更靠近采场 内部 ， 受 围岩应力 及地应力影响更大 ； Y 1与 Y 2 、 Y 5与 Y 6应力值相差 0 ． 0 4 2 MP a ， Y 3与 Y 4应力值相差 0 ． 0 3 2 MP a ， 说 明 垂直矿体走向方向的应力受围岩应力与地应力影响 较小。总体来说 ， 充 填体两个测点所受 3个方 向的 应力大小波动趋势基本一致。 3 ． 1 ． 2 充填体服役 中的应力变化规律 为了研究充填体服役过程 中应力的变化规律 ， 选取充填体上 向分层 回采工作 开始后 的 9 0 d应力 监测数据进行分析 ， 如图 4所示。由图4可以看 出， Y 1 、 Y 3 、 Y 5的应 力值均 大于 Y 2 、 Y 4 、 Y 6 ， 由上文可 知 ， 这是 由于 Y l 、 Y 3 、 Y 5位于采场内部 。9 0 d内 2 个测点 3个方向应力值均随着时间推移缓速上升 ， 而后趋于平稳。 3 ． 2 充填体位移变化规律分析 3 ． 2 ． 1 充填体短期 内位移变化规律 为了研究充填体短期内位移的变化规律， 选取 上向分层开始 回采后 的某一天 2 0 1 4年 3月 1日 的位移监测数据 ， 如 图5 。由图 5可以明显看出 ， 1 d 内充填体竖直方 向和垂直矿体走向方向的位移均有 轻微波动 ， 其 中1 2 0 01 8 0 O 波动较大 ， 其余时间 1 71 总第 5 5 1 期 现代矿业 2 0 1 5年 3月第 3期 昌 g g 吕 g g 昌 8 昌 g 昌 g g 苫 兽 2 t“ q 高 监测时间 a 1 竖直方向 2 4 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 O O 8 0 6 监测天数， d a 竖直方向 g g 苫 兽 答 2 篓 监测时间 b 垂直矿体走向方 向 图 3 应力变化 曲线 2 o 1 4 -o 3 -o 1 ■ 一 Y1； ●一 Y2； ▲～ Y3； v Y 4； ★一 Y5； 一 Y6 O． 1 8 O． 1 6 皇0 ． 1 4 0． 1 2 0． 1 O 0． 0 8 0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 90 监测天数， d b 垂直矿体走向方 向 图 4 第 9 0 d 应 力变化 皇 日 山 一 ，⋯ ⋯u ， ， ‘- - ‘ 一⋯ ． 、 ’ ， 、，_ ’。。 。’ ’r 一 昌 昌 昌 g 昌 昌 g 昌 昌 8 g g 古 古 0 0 0 0 0 H_ _- 一H_ ． 监测时间 c 沿矿体走向方 向 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 监测天数， d c 沿矿体走向方 向 m-- Y1； ● 一Y 2； ▲一 Y3； V Y 4； ★～ Y 5； 一 Y 6 段充填体位移变化趋势较为平缓。由前文可知， 此 部， c 4位于采场中部， 受围岩应力及地应力的影响 时间段爆破工作对充填体受力产生影响， 造成充填 较大， 故竖直方向的位移值 c 1 大于 c 2 ， 垂直于矿体 体位移值波动较大。但是充填体仅仅发生弹性形变 走向的位移值 C 3 C 4C 5 。总体来说 ， 5个单点沉 并未遭到破坏 ， 因此爆破过后充填体 的位移值渐渐 降计的位移值波动趋势基本一致 。 恢复， 趋于爆破前的水平。由于 c 1 、 C 3位 于采场内 吕 吕 皿 圈 I 暑 宴 宝 暑 暑 2 2 暑 禽 禽 盒 宴 0 寸 。。0 寸、 。。。0 0 0 0 0 0一-_ _ ___ 监测时间 f a 1 竖直方 向 二 ； 昌 g 菩 昌 兽 宝 高 监测时间 b 垂直矿体走向方 向 图 5 2 4 h 位移 变化 曲线 2 0 1 4 -03 -01 ●一 C1； ●一 C 2； ★一 C 3； ◆ 一 C 4； ▲一 C 5 3 ． 2 ． 2 充填体位移长期变化规律 为了研究充填体位移长期变化趋势， 选取上向 分层回采工作开始后 的 9 0 d位移监测数据进行分 析， 见图 6 。由图 6 a 可以看出， 9 0 d内 C 1 、 C 2点 的位移值呈增大趋势 ， 且 曲线逐渐趋于平稳。其 中 c 1点 位移 值 增 大 5 ． 4 0 0 mm， C 2点位 移 值 增 大 3 ． 7 5 0 m m。由上文可知 ， 这是 由于 c 1点位于采场 内部 ， 受围岩应力和地应力的影响较大。由图 6 b 可知， 垂直矿体走向方向充填体位移值同样缓速增 大 ， 且趋于平稳。其中 c 3位移增大 1 ． 1 9 5 m m， C 4 1 7 2 位移值增大 1 ． 2 2 0 m m， C 5位移值增 大 0 ． 8 0 0 m m， 说明位于采场 内部的 c 3 、 采场 中间位置的 c 4受 围 岩应力及地应力 的影响位移值较大。同时 ， 相 比于 竖直方向c l 、 c 2的位移值， 垂直矿体走向方向充填 体的位移值较小。说明在上 向分层回采工作开始 后， 充填体竖直方向位移受采动工作影响较大。充 填体本身是 由松散介质组成 ， 充填初期孑 L 隙率较大 ， 在 自重和围岩应力 、 地应力等外力的共 同作用发生 压缩变得致密， 从而表现出一定的强度， 位移值变化 速率变缓 ， 充填体渐渐趋 于稳定。 王 昆 吕文生等 振 弦式传感器在深部采场充填体监测中的应用 2 0 1 5年 3月第 3期 刚天 数／ 差直方 I 图 6 9 0【 1 位移变化 曲线 ● C1 ； ● 【 2； ★ 3； ◆ 4 ▲ 5 4 结论 振弦式传感器具有抗 f 扰能力强 、 性能稳定 、 寿 命 长等优点 ， 能适用于深部采场充填体的J 测 ， 且测 量数据连续 、 稳定 、 准确 新城金矿深部充填体应力、 变形监测结果的分 析表明 无论是充填体的应力变化还是位移变化 ， 都 是 岩应 力、 地鹰 力和 卜层矿体 采] 作影响共 同 作用的结果 ， 采场 内部充填 体的应力变化 和位移变 化明显 高于采场外部 ， 由此 可以判定 围岩应 力和地 应力对充填体应力和变形的影响更大 凶此充填体 的稳定性分析还需要结合数值模拟 汁算等方法， 将 模拟结果 与现场监测数据比较 ， 综 合进行分析 充填体的应 力变化和位移变化趋势随时问推移 渐渐趋于稳定 ， 说明充填体 受 自重 、 围岩应力 、 地应 力和采动作业等各个因素的影响， 内部孔隙率逐渐 减少引起位移变化 ， 充填体本身由松散变得致密， 从 而强度越来越大 ， 位移变化速率也越来越小 。 2 0 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 9 监测天数， { 1 垂直矿体走向方向 充填体稳定性的研究是一个长期 的工作 ， 还需 要持续的监测数据作为依据 ， 随着矿体 回采工作 的 推进以及采深的逐渐增加 ， 对于深部采场充填体 的 监测还需要持续进行。 参考文献 l J 何满潮 ， 谢和平 ， 彭 苏萍 ， 等． 深部开采岩体 力学研 究[ J ] ． 岩石 力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 4 - 2 8 0 5 ． 2 J 白泰礼 ， 何羚 ， 王彩云， 等． 基于振 弦式传 感器的 多功能 智能 检测仪 [ J J ． 传 感器技术 ， 2 0 0 4， 2 3 3 6 0 - 6 1 ． 3] 罗 东． 振弦式传感 器在结构应 力动 态测试 中的可行 性研 究 [ I ] ． 武汉 武汉理 工大学， 2 0 1 I ． 4] 蔡 美峰 ， 乔 兰． 李长 洪． 新 城金矿 地应 力场测量及 其 分布规 律研 究[ J ] ． 有 色金属 ， 2 0 0 0， 5 2 3 1 ． 2 ． 5 ] 刘志祥 ， 李夕兵． 爆破动载 下高阶段充填体稳 定性研 究f J ] ． 矿 冶 工程 ， 2 0 0 4， 2 4 3 2 1 - 2 4 ． 收稿 日期 2 0 l 4 - 0 9 1 5 。 q 。 。 ≈ q 。 q 4 q 。 。 q 。 4 。 。 。 。 q 。 。 婶 i 4 上接第 1 6 8页 图 3 巷道降温模拟试验 收稿 日期 2 0 1 4 -06 - 2 0 l 73 2 4 6 S 0 2 4 6 S 0 ●●●●2 2 2 2 2 3