基于TDR監(jiān)測技術(shù)的自然崩落法頂板崩落高度測量*

彭 張 袁本勝 馮興隆 王 平 劉華武 蔡永順

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

普朗銅礦一期采選工程設(shè)計(jì)采用自然崩落法回采，在回采過程中，礦體在崩透地表之前，相當(dāng)于在空場條件下放礦，如果放礦速度過快，將可能使崩落頂板與存窿面之間留有較大的空間，一旦上部礦巖突然大范圍崩落，極有可能產(chǎn)生空氣沖擊波，對坑內(nèi)人員、設(shè)備和底部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響[1-2]。因此，需要掌握自然崩落法開采過程中的崩落高度，為制訂合理的放礦策略提供依據(jù)。而常規(guī)的位移計(jì)、視頻攝像頭甚至非接觸式的三維激光掃描儀等均無法進(jìn)入崩落空區(qū)使用，所以尋求在地表通過鉆孔安裝TDR同軸線纜的方式測量崩落高度。

1 TDR監(jiān)測概述

TDR儀器不僅可以用來測量傳輸線的特征阻抗，還可以幫助定位斷點(diǎn)或短路點(diǎn)的具體位置，利用這一特性，TDR時域反射計(jì)可用于檢測巖土體內(nèi)的變形或破斷。在待監(jiān)測的礦巖中鉆孔，將同軸電纜放置于鉆孔中，頂端與TDR測試儀相連，并以砂漿或樹脂等方式填充電纜與鉆孔之間的空隙，以保證同軸電纜與巖土體的同步變形。鉆孔位移變形使埋置于其中的同軸電纜產(chǎn)生剪切、拉伸變形，從而導(dǎo)致其局部特性阻抗的變化，電磁波將在這些阻抗變化區(qū)域發(fā)生反射和透射，并反映于TDR波形之中。通過對波形的分析，結(jié)合室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)建立起的剪切和拉伸與TDR波形的量化關(guān)系，掌握崩落礦體形態(tài)和位移變化狀況[3-5]。

2 實(shí)驗(yàn)室測試

普朗銅礦TDR監(jiān)測采用美國CAMPBELL設(shè)備。TDR監(jiān)測子系統(tǒng)硬件設(shè)備主要是TDR100型時域反射儀、CR1000型數(shù)據(jù)采集器、SDMX50型擴(kuò)展板等，軟件主要是PCTDR和LOGERNET。TDR監(jiān)測儀見圖1。

圖1 TDR監(jiān)測儀

TDR實(shí)驗(yàn)室測試的主要目的：

(1)判斷TDR是否可以測試同軸線纜的長度。

(2)因同軸線纜安裝在鉆孔內(nèi)，在礦體崩落過程中，同軸線纜尾端可能會出現(xiàn)不同的狀態(tài)，比如屏蔽銅須短接等，需要測試同軸線纜在不同情況下的回波情況。

(3)因礦山地處高海拔地區(qū)，晝夜溫度很大，需要測試溫度對同軸線纜長度測量的影響。

實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果見圖2～圖4。圖中深色曲線為原始狀態(tài)測量波形曲線，淺色曲線為改變狀態(tài)后的測量波形曲線。從圖2可以看出，在同軸線纜的3種不同位置彎折，其波形在相應(yīng)位置會出現(xiàn)一個明顯的波峰，說明TDR在不同的彎折狀態(tài)下，其測量值均隨著彎折的位置進(jìn)行改變，同時也表明TDR可以用來測試同軸線纜的長度。從圖3可以看出，在同軸線纜尾端可能出現(xiàn)2種情況，即尾端被拉斷后屏蔽層銅絲短接在一起和被整齊剪斷，其波形完全不同，屏蔽層銅絲短接，TDR測試曲線尾部走勢與不短接時曲線尾部朝相反的方向發(fā)展。從圖4可以看出，整體上，TDR測試同軸線纜的長度會受溫度的影響，但零上40度比零下30度時，200 m的線纜誤差在0.6 m，誤差率為0.3%FS，可以說精度較高，誤差較小。盡管礦山現(xiàn)場早晚溫差大，但不會出現(xiàn)從零上40度至零下30度突然變化，所以若精度要求不高的情況下，可以忽略溫度的影響。

圖2 彎折試驗(yàn)測試波形

圖3 同軸線纜屏蔽層不同狀態(tài)下的測試波形

3 工程應(yīng)用

針對普朗銅礦，在首采區(qū)中心周邊地表鉆孔,布置3個TDR監(jiān)測點(diǎn)，其監(jiān)測系統(tǒng)示意見圖5。該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括服務(wù)器、TDR采集儀及TDR同軸線纜。其中，服務(wù)器的作用主要是與TDR采集儀進(jìn)行通信，對TDR數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲、分析、打印及展示；TDR采集儀的作用是將TDR同軸線纜的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過串口或網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器；TDR同軸線纜埋設(shè)在地表的TDR鉆孔內(nèi)，并以砂漿或樹脂等填充電纜與鉆孔之間的空隙，進(jìn)而保證同軸電纜與巖土體的同步變形，線纜頂端與TDR測試儀相連。

圖4 不同溫度下同軸線纜TDR測量曲線◆—40 ℃；■—30 ℃；▲—20 ℃；×|—10 ℃；×—0 ℃；●—-10 ℃；+—-20 ℃；-—-30 ℃

圖5 TDR監(jiān)測系統(tǒng)

TDR監(jiān)測孔具體布設(shè)見圖6。TDR監(jiān)測孔(星形標(biāo)記)均位于首采區(qū)域中心附近，其中1#TDR孔深201 m，2#TDR孔深163 m，3#TDR孔深170 m。3個孔的孔口高程不一樣，但其底部均達(dá)到3 760 m水平。同時TDR監(jiān)測點(diǎn)與其他微震監(jiān)測點(diǎn)、空孔監(jiān)測點(diǎn)鄰近布置，相互補(bǔ)充，相互印證。

圖6 TDR監(jiān)測孔位置示意

TDR測試結(jié)果見圖7。可以看出，1#TDR鉆孔斷點(diǎn)高程在3 757～3 758 m變動，稍有波動；2#TDR鉆孔斷點(diǎn)高程在3 759 m；3#TDR鉆孔斷點(diǎn)高程在3 791 m。排除測量誤差的影響，可以判斷1#TDR鉆孔底部暫未垮落，2#TDR鉆孔部分垮落，3#TDR鉆孔已垮落31 m。估計(jì)崩落面位置見圖8。

圖7 TDR鉆孔斷點(diǎn)高程曲線

針對3#TDR監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，3#TDR斷點(diǎn)距地表長度變化曲線見圖9。可以看出，8月10日—10月15日，3#TDR監(jiān)測點(diǎn)的線纜長度發(fā)生了5次較大的變化，截止到10月15日，線纜斷點(diǎn)距離地表只有30 m，距離地表非常近，這與地表3#TDR監(jiān)測點(diǎn)周邊產(chǎn)生了較多的裂縫非常吻合。表明3#TDR監(jiān)測點(diǎn)周邊的頂板正在逐漸向上崩落，再加上斷層活化的影響，頂板崩落速度逐漸變大，從而導(dǎo)致地表出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

此外，結(jié)合附近24個微震監(jiān)金，粗粒金、巨粒金較少，適宜采用重選工藝提前回 收粗粒金，微細(xì)粒金則可通過浮選回收。

圖8 TDR測試結(jié)果估計(jì)崩落面位置

圖9 3#TDR斷點(diǎn)距地表長度變化曲線

圖10 3#TDR監(jiān)測點(diǎn)周邊地表開裂情況

4 結(jié) 語

(1)TDR可以測量傳輸線的特征阻抗，幫助定位斷點(diǎn)或短路點(diǎn)具體位置。

(2)在同軸線纜的3種不同位置彎折，其波形在相應(yīng)位置會出現(xiàn)一個明顯的波峰，說明了TDR可以用來測試同軸線纜的長度。

(3)在同軸線纜尾端可能出現(xiàn)的2種情況，尾端被拉斷后屏蔽層銅絲結(jié)合在一起和被整齊剪斷，其波形完全不同，可以滿足自然崩落法崩落空區(qū)的情況。

(4)TDR測試同軸線纜的長度會受溫度的影響，但零上40度比零下30度時，200 m的線纜誤差在0.6 m，誤差率為0.3%FS。

(5)普朗銅礦現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用來看，TDR監(jiān)測技術(shù)可以測量自然崩落法崩落高度，估計(jì)崩落面，最終實(shí)現(xiàn)放礦控制。但是TDR測量還存在著精度較低的問題，需要通過進(jìn)行TDR技術(shù)改進(jìn)來進(jìn)一步提高測量精度。