李長生,王 軍,劉景軍

(1.山東省淄博市淄川區(qū)水利局; 2.山東理工大學建筑工程學院; 3.山東建勘集團有限公司)

引 言

地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)進入深部后,由此產(chǎn)生的地應(yīng)力分布情況和地下水滲流愈發(fā)復雜,圍巖穩(wěn)定性更差,導致深部礦山更容易發(fā)生安全事故,嚴重威脅礦山運營安全。地下工程突水事故因具有復雜性和突發(fā)性,易給礦山造成嚴重破壞,是礦山安全事故預防的重點[1-2]。因此,眾多學者對井下突水事故的預測進行了大量研究工作。李天宇等[3]研發(fā)了自動圍巖應(yīng)力采集儀,實現(xiàn)了對地下礦山巷道圍巖應(yīng)力的自動監(jiān)測。湯兆光等[4]借助物理試驗和數(shù)值模擬分析了Druck、Keller和Kulite 3種傳感器的響應(yīng)性能和影響因素。戴強等[5]研制了TY-25型貼片式應(yīng)變計和SDY-1數(shù)字式應(yīng)變指示儀。顏丙乾等[6-7]基于貝葉斯原理探索構(gòu)建了海底礦山地下水害的實時監(jiān)測系統(tǒng)。夏元友等[8]研制了適合巖土工程使用的光纖光柵水壓力計。

三山島金礦是中國首個海底金礦,因缺乏海底開采經(jīng)驗,相關(guān)的安全措施、安全預案等都沒有可供參考的資料,海底開采擾動大,2個大斷層破碎帶貫穿礦區(qū),更容易造成突水事故[9-10]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于海底礦山特有的地下采場高溫高濕環(huán)境,當前的水壓計在使用過程中存在可靠性差等問題,嚴重干擾了對礦山突水事故的科學判定。因此,研發(fā)了一種適應(yīng)濱海深部礦山開采環(huán)境的多功能裝置,實現(xiàn)一個安裝孔可獲取圍巖應(yīng)力、水溫度、水壓等多種信息,并實現(xiàn)信息的自動存儲傳輸,對于預防突水事故,建設(shè)現(xiàn)代智慧礦山具有重大意義[11-12]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種新型的可以同時測量圍巖應(yīng)力-水壓-水溫的多功能監(jiān)測儀,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動存儲和無線傳輸,并在三山島金礦進行了安裝應(yīng)用實踐,取得了較好的效果。

1 設(shè)備組成及工作原理

圍巖應(yīng)力-水壓-水溫多功能監(jiān)測儀主要用于監(jiān)測巖體中滲流的水壓、水溫度和圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù),通過無線信號將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖?實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

1.1 設(shè)備組成

1)測水壓模塊。壓力陶瓷模塊是用于測量水壓的元件,其量程為0～2.0 MPa,壓力陶瓷模塊的壓力精度為滿量程的1 %,供電電壓為8～30 V。

2)測溫模塊。采用DS18B20芯片測量溫度,其上預留有3P圓孔座,工作電壓3～6 V,電源的正極連接VCC端,負極和GND端連接。測溫量程-10 ℃～85 ℃,實測中的工作誤差為±0.5 ℃[13]。

3)空心包體應(yīng)變計?？招陌w應(yīng)變計用于測量應(yīng)力解除過程中小孔孔壁的三維應(yīng)變值。應(yīng)變片的布片方式采用環(huán)向布置。3個環(huán)向的應(yīng)變片每環(huán)布設(shè)3個應(yīng)變片,環(huán)與環(huán)首尾相接,形成三環(huán)相連的布局。

4)存儲和無線傳輸。本裝置采用自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集、存儲、無線傳輸電路板。數(shù)據(jù)采集電路板位于探頭內(nèi)部,連接測水壓模塊和測溫模塊。所測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集電路板,經(jīng)電路板的放大處理,傳送給孔外的數(shù)據(jù)存儲和無線發(fā)射電路板。若無線傳輸出現(xiàn)故障,可用藍牙無線接收方式,使用手機接收數(shù)據(jù),也可取下內(nèi)存卡,讀取儀器監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)。采用433 MHz無線串口模塊進行無線傳輸,可實現(xiàn)一個無線接收模塊同時接收多個探頭所發(fā)射的數(shù)據(jù),節(jié)約資源,同時方便數(shù)據(jù)整理。采用433 MHz吸盤天線進行信號發(fā)射和無線接收,無線傳輸之間的通信協(xié)議采用RS485通信協(xié)議,無線接收端帶有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換組件,把RS485通信協(xié)議轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議,實現(xiàn)并網(wǎng)傳輸[14]。

1.2 工作原理

圍巖應(yīng)力-水壓-水溫多功能監(jiān)測儀中的壓力陶瓷模塊和DS18B20芯片測得所處環(huán)境的水壓和溫度信息后,將其傳輸至數(shù)據(jù)采集電路板,電路板可將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,再通過信號線將信號傳輸?shù)桨惭b孔外的數(shù)據(jù)存儲和無線發(fā)射電路板,進行存儲和無線發(fā)射。同時,空心包體應(yīng)變計采集到的圍巖應(yīng)力信息的模擬信號經(jīng)空心包體應(yīng)變計內(nèi)的電路板轉(zhuǎn)化,以數(shù)字信號形式通過信號線被傳輸至孔外的數(shù)據(jù)存儲和無線發(fā)射電路板,進行存儲和無線發(fā)射。信號接收端的信號接收電路板完成信號接收并轉(zhuǎn)換信號實現(xiàn)并網(wǎng),通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),將信號傳輸至控制室。

2 系統(tǒng)組裝

2.1 水壓-水溫計安裝

水壓計探頭選用壓電式陶瓷壓力傳感器作為壓力數(shù)據(jù)采集模塊(如圖1所示),該模塊能夠更精確地測量水壓數(shù)據(jù),且壓電式陶瓷模塊結(jié)構(gòu)簡單,體積小,便于安裝和更換。

圖1 壓力數(shù)據(jù)采集模塊

壓力數(shù)據(jù)采集模塊安裝時,根據(jù)其特點制作專用的外殼(如圖2所示),外殼前端開口允許水進入,將水壓作用在壓力數(shù)據(jù)采集模塊上,壓力數(shù)據(jù)采集模塊前端放置橡膠墊圈起到防水作用,并保證水壓完全作用在壓力數(shù)據(jù)采集模塊上,使測量數(shù)據(jù)精準。儀器探頭安裝測溫傳感器DS18B20芯片(如圖3所示)。

圖2 壓電模塊外殼

圖3 DS18B20芯片

2.2 采動應(yīng)力計

選用當前先進的雙溫度補償空心包體應(yīng)變計[15](如圖4所示)。這種應(yīng)變計采用雙溫度補償采集電路板,可連續(xù)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)雙溫度補償空心包體應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)特征,將應(yīng)力-水壓-水溫計很好地結(jié)合在一起,有效避免了溫度變化對應(yīng)力監(jiān)測精度的影響,使測量數(shù)據(jù)準確可靠。

圖4 空心包體應(yīng)變計

3 工程應(yīng)用

以圍巖應(yīng)力-水壓-水溫多功能監(jiān)測儀為基礎(chǔ),建立海底地下采場監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng),在三山島金礦西山礦區(qū)-825 m、-855 m和-870 m 3個水平中段進行儀器安裝,每個水平中段設(shè)置3個監(jiān)測孔。首先鉆孔并安裝儀器探頭(如圖5所示)。鉆孔區(qū)域位于斷層兩側(cè)和巖脈巷。儀器安裝后,插入用于存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存卡,接通儀器供電電源開始工作。在弧形巷道和巷道轉(zhuǎn)彎處安裝信號中繼站,保證信號連續(xù)傳輸?shù)接泄I(yè)以太網(wǎng)接口的基柜(如圖6所示)附近。通過并網(wǎng),將信號傳輸?shù)降孛婵刂剖?如圖7所示)。系統(tǒng)裝置整體運行邏輯如圖8所示。為了驗證設(shè)備的可靠性,在-870 m的監(jiān)測孔內(nèi)同時安裝CS-YZM36水壓計,并定時對孔內(nèi)水溫進行現(xiàn)場監(jiān)測對比。經(jīng)過2年監(jiān)測發(fā)現(xiàn),研發(fā)的圍巖應(yīng)力-水壓-水溫多功能監(jiān)測儀水壓最大誤差為0.1 MPa,水溫誤差0.3 ℃,誤差值符合工程要求。

圖5 儀器安裝

圖6 聯(lián)絡(luò)基柜

圖7 地面控制室

圖8 礦山監(jiān)測系統(tǒng)運行邏輯

在2022年5—6月35天中-870 m水平3個監(jiān)測孔獲取的水壓、水溫和圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖9所示。由圖9可知:圍巖應(yīng)力-水壓-水溫多功能監(jiān)測儀測得的水溫、水壓和圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)及變化規(guī)律與文獻[6]和[16]的數(shù)據(jù)變化規(guī)律吻合,證明了設(shè)備的可靠性和準確性。

圖9 監(jiān)測點數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1)研制了圍巖應(yīng)力-水壓-水溫多功能監(jiān)測儀,達到了一個監(jiān)測孔同時監(jiān)測3種數(shù)據(jù)的目的,實現(xiàn)了對深部海底礦山采場的實時連續(xù)監(jiān)測。

2)在三山島金礦海底采場的應(yīng)用實踐證明:以圍巖應(yīng)力-水壓-水溫度多功能監(jiān)測儀為基礎(chǔ)的海底礦山監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠,采集到的數(shù)據(jù)準確,測得水壓最大誤差為0.1 MPa,水溫誤差為0.3 ℃,誤差值符合工程要求,能夠為預防地下礦山突水事故提供科學依據(jù)。