圍巖應力-水壓-水溫多功能監測儀研發與應用

李長生,王 軍,劉景軍

(1.山東省淄博市淄川區水利局; 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

地下礦產資源的開發進入深部后,由此產生的地應力分布情況和地下水滲流愈發復雜,圍巖穩定性更差,導致深部礦山更容易發生安全事故,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]研發了自動圍巖應力采集儀,實現了對地下礦山巷道圍巖應力的自動監測。湯兆光等[4]借助物理試驗和數值模擬分析了Druck、Keller和Kulite 3種傳感器的響應性能和影響因素。戴強等[5]研制了TY-25型貼片式應變計和SDY-1數字式應變指示儀。顏丙乾等[6-7]基于貝葉斯原理探索構建了海底礦山地下水害的實時監測系統。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,因缺乏海底開采經驗,相關的安全措施、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,更容易造成突水事故[9-10]。調查發現,由于海底礦山特有的地下采場高溫高濕環境,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,研發了一種適應濱海深部礦山開采環境的多功能裝置,實現一個安裝孔可獲取圍巖應力、水溫度、水壓等多種信息,并實現信息的自動存儲傳輸,對于預防突水事故,建設現代智慧礦山具有重大意義[11-12]。本文在前人研究的基礎上,開發了一種新型的可以同時測量圍巖應力-水壓-水溫的多功能監測儀,實現數據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用實踐,取得了較好的效果。

1 設備組成及工作原理

圍巖應力-水壓-水溫多功能監測儀主要用于監測巖體中滲流的水壓、水溫度和圍巖應力數據,通過無線信號將數據傳輸到控制室,實現遠程監測。

1.1 設備組成

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)空心包體應變計。空心包體應變計用于測量應力解除過程中小孔孔壁的三維應變值。應變片的布片方式采用環向布置。3個環向的應變片每環布設3個應變片,環與環首尾相接,形成三環相連的布局。

4)存儲和無線傳輸。本裝置采用自主研發的數據采集、存儲、無線傳輸電路板。數據采集電路板位于探頭內部,連接測水壓模塊和測溫模塊。所測數據傳輸至數據采集電路板,經電路板的放大處理,傳送給孔外的數據存儲和無線發射電路板。若無線傳輸出現故障,可用藍牙無線接收方式,使用手機接收數據,也可取下內存卡,讀取儀器監測所得的數據。采用433 MHz無線串口模塊進行無線傳輸,可實現一個無線接收模塊同時接收多個探頭所發射的數據,節約資源,同時方便數據整理。采用433 MHz吸盤天線進行信號發射和無線接收,無線傳輸之間的通信協議采用RS485通信協議,無線接收端帶有通信協議轉換組件,把RS485通信協議轉化為現場現有網絡的通信協議,實現并網傳輸[14]。

1.2 工作原理

圍巖應力-水壓-水溫多功能監測儀中的壓力陶瓷模塊和DS18B20芯片測得所處環境的水壓和溫度信息后,將其傳輸至數據采集電路板,電路板可將模擬信號轉化為數字信號,再通過信號線將信號傳輸到安裝孔外的數據存儲和無線發射電路板,進行存儲和無線發射。同時,空心包體應變計采集到的圍巖應力信息的模擬信號經空心包體應變計內的電路板轉化,以數字信號形式通過信號線被傳輸至孔外的數據存儲和無線發射電路板,進行存儲和無線發射。信號接收端的信號接收電路板完成信號接收并轉換信號實現并網,通過現有網絡,將信號傳輸至控制室。

2 系統組裝

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據采集模塊(如圖1所示),該模塊能夠更精確地測量水壓數據,且壓電式陶瓷模塊結構簡單,體積小,便于安裝和更換。

圖1 壓力數據采集模塊

壓力數據采集模塊安裝時,根據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據采集模塊上,壓力數據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據采集模塊上,使測量數據精準。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 采動應力計

選用當前先進的雙溫度補償空心包體應變計[15](如圖4所示)。這種應變計采用雙溫度補償采集電路板,可連續獲取監測數據。根據雙溫度補償空心包體應變計的結構特征,將應力-水壓-水溫計很好地結合在一起,有效避免了溫度變化對應力監測精度的影響,使測量數據準確可靠。

圖4 空心包體應變計

3 工程應用

以圍巖應力-水壓-水溫多功能監測儀為基礎,建立海底地下采場監測設備系統,在三山島金礦西山礦區-825 m、-855 m和-870 m 3個水平中段進行儀器安裝,每個水平中段設置3個監測孔。首先鉆孔并安裝儀器探頭(如圖5所示)。鉆孔區域位于斷層兩側和巖脈巷。儀器安裝后,插入用于存儲數據的內存卡,接通儀器供電電源開始工作。在弧形巷道和巷道轉彎處安裝信號中繼站,保證信號連續傳輸到有工業以太網接口的基柜(如圖6所示)附近。通過并網,將信號傳輸到地面控制室(如圖7所示)。系統裝置整體運行邏輯如圖8所示。為了驗證設備的可靠性,在-870 m的監測孔內同時安裝CS-YZM36水壓計,并定時對孔內水溫進行現場監測對比。經過2年監測發現,研發的圍巖應力-水壓-水溫多功能監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 聯絡基柜

圖7 地面控制室

圖8 礦山監測系統運行邏輯

在2022年5—6月35天中-870 m水平3個監測孔獲取的水壓、水溫和圍巖應力數據如圖9所示。由圖9可知:圍巖應力-水壓-水溫多功能監測儀測得的水溫、水壓和圍巖應力數據及變化規律與文獻[6]和[16]的數據變化規律吻合,證明了設備的可靠性和準確性。

圖9 監測點數據

4 結 論

1)研制了圍巖應力-水壓-水溫多功能監測儀,達到了一個監測孔同時監測3種數據的目的,實現了對深部海底礦山采場的實時連續監測。

2)在三山島金礦海底采場的應用實踐證明:以圍巖應力-水壓-水溫度多功能監測儀為基礎的海底礦山監測系統運行可靠,采集到的數據準確,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。