חיישני מתח וטמפרטורה של סיבים אופטיים מופצים מתחת לאדמה במכרות פחם BOTDR

למערכת החישה BOTDR יש את היתרונות הבאים:

1) זה יכול לזהות בו זמנית טמפרטורה ומתח;

2) רגישות מדידה גבוהה, טמפרטורה של 0.2oC, מתח של 4 עם ה; שְׁלוֹשָׁה

3) טווח הזיהוי רחוק, עד 100 קילומטרים, והרזולוציה המרחבית מגיעה 5 מטר;

4) עלות נמוכה.

לאחר חפירת המנהרה, העיוות והכשל של הסלע שמסביב מובילים לעתים קרובות לכשל או קריסה של המנהרה. טכניקות ניטור קונבנציונליות, כגון extensometers, מדי מתח, תחנות התכנסות, וכו., יכול לזהות רק נתוני מתח או מתח בסלעים רדודים מסביב, דורש כמות גדולה של פעולה ידנית. בנוסף, בטכניקות הניטור הנ"ל, מכשירי הניטור מותקנים לאחר משטח החפירה, כך שהם לא יכולים לזהות את המתח והעיוות המתרחשים לפני החפירה. על מנת להתגבר על החסרונות הללו, פותח סוג חדש של מערכת בקרת וניטור דפורמציה של סלע המבוססת על רפלומטר תחום זמן אופטי של Brillouin. בהשוואה למערכות ניטור קונבנציונליות, מערכת זו מספקת אמין, מְדוּיָק, ושיטת ניטור בזמן אמת לבקרת דפורמציה של סלעים מסביב במנהרות רחבות ומוארכות. התקנת חיישני סיבים אופטיים בחורי הקידוח מול פני החפירה יכולה להגן ביעילות על החיישנים ולחקור את מאפייני העיוות של הסלע שמסביב.. המערכת יושמה במנהרת החפירה TBM של מכרה הפחם Zhangji. זיהוי מדויק של התנהגות העיוות של הסלע הסובב, תוצאות הניטור מספקות בסיס ייחוס הכרחי לשליטה על עיוות הסלע שמסביב.

בעבר 20 שנים, עם דלדול משאבי הפחם הרדודים, פעילות כריית הפחם עברה ללא הרף לשכבות עמוקות יותר. בסין, בְּעֵרֶך 60% מכרות פחם נכרים בעומקים של מעל 800 מטר. כרייה עמוקה מתמודדת עם אתגרים מלחץ קרקע גבוה ותנאים גיאולוגיים מורכבים. בעיות מתעוררות אלה הובילו לעיוות משמעותי, נֵזֶק, והתמוטטות המנהרה של הסלע שמסביב, מהווה איום רציני על בטיחות הכורים והגבלת ייצור הפחם. תאונות התמוטטות המנהרה אחראיות 80% מסך תאונות מכרות הפחם, כתוצאה מכך 43% של כורים שמתים. טכניקות מסורתיות לניטור מנהרה רדודה, כגון extensometers, מדי מתח, תחנות התכנסות, וכו., בשל הדיוק הנמוך ותפעול הידני המוגזם שלהם, אינו יכול עוד לעמוד בדרישות הניטור של שכבות עמוקות.

לפתור את הבעיה של ניטור עיוות של סלעים מסביב במכרות פחם עמוקים, טכנולוגיות מדידה מתפתחות רבות פותחו בחזיתות כריית פחם תת-קרקעיות ובחפירת מנהרות. Zhao et al.. שימוש בטכנולוגיה מיקרוסיסמית לניטור תהליך הנזק של הסלע שמסביב במנהרות. Zhao et al.. הוצעה שיטת ניטור תזוזה לשכבות שכבות בתפרי פחם המבוססת על חיישני תזוזה של סיבים אופטיים.. קאג'אר וחב'. מיושמת טכנולוגיית לייזר תלת מימדית לניטור עיוות עמודי פחם וגג במנהרות תת קרקעיות. יו וחב'. העיוות של סלעים מסביב והתכנסות מנהרות נחקרו באמצעות מד טווח לייזר. מרטינו וצ'נדלר חקרו את התנהגות התפתחות אזורי העיוות והנזק של הסלע הסובב באמצעות תמונות מצלמות קידוח [9]. Bl ü ling et al. הציע את התהליך ארוך הטווח של נזק לסלע באמצעות טומוגרפיה מיקרופוקלית של קרני רנטגן. Lubosik et al. הציע טכניקה למדידת כוח צירי ותזוזת סלעים של מוטות עיגון באמצעות מוטות עיגון מוטבעים במדדי מתח וחיישני טנזור. Liu et al.. השיטה האלקטרומגנטית החולפת המוצעת (TEM) משמש לזיהוי הטווח והעיוות של אזור הפגיעה בסלע שמסביב. אריך חקר את מאפייני הקריסה של מנהרות מכרה פחם באמצעות שיטת השתקפות סייסמית.

למרות התקדמות מסוימת בטכנולוגיית הניטור, לשיטות הניטור הנ"ל עדיין יש חסרונות בהיבטים מסוימים. טכנולוגיה מיקרוסייסמית ושיטות השתקפות אלקטרומגנטיות וסיסמיות חולפות יכולות לזהות התפתחות של שברים בסלעים שמסביב, אך דיוק הניטור של עקירת הסלע אינו גבוה (עד מטרים). טומוגרפיה מיקרופוקלית של קרני רנטגן יכולה למדוד נזק רק בדגימות סלע ואינה יכולה לשמש לניטור באתר. לעומת מלא סיב אופטי מבוזר מערכות חישה, מערכות סיבים אופטיות דורשות יותר מדי חיישנים ועלויות גבוהות יותר. בנוסף, רוב החוקרים הזמינים מסחרית יכולים להתמודד רק עם כמות ניכרת של FBG, הגדר מגבלות על מספר נקודות החישה, והצפיפות לאורך הסיבים האופטיים. תמונות מצלמות קידוח יכולות לזהות נזקים ושברים בתוך הסלע שמסביב, אך לא ניתן להשיג ניטור בזמן אמת, וניתוח תמונה מסתמך על תפעול ידני. בשל מגבלת אורך מוט העוגן (בדרך כלל פחות מ 2.5 מ מ), ניתן להשתמש במוטות עיגון מכשירים רק כדי למדוד את הלחץ והמתח בחלק הרדוד של הסלע שמסביב. 3טכנולוגיית לייזר D מספקת מכשיר בעל דיוק גבוה להתכנסות מנהרה, ולא ניתן למדוד את העיוות והנזק בתוך המנהרה.

רפלמטר אופטי של תחום זמן של Brillouin (BOTDR) היא טכנולוגיית חישה מבוזרת במלואה המשמשת למדידת מתח וטמפרטורה לאורך כל האזורים שנקבעו, שבו רק סיב אחד מגורה על ידי דופק לייזר, כל כך הרבה חיישנים בדידים ניתן להחליף. BOTDR מספק מדידות מהירות ואמינות, כמו גם גילוי מוקדם של עיוותים שעלולים להשפיע על בטיחות פעולות הכרייה, ובכך לארגן עבודה הכרחית מראש כדי להפחית סיכונים פוטנציאליים. בשנים האחרונות, מערכת botdr הייתה בשימוש נרחב מתחת לאדמה במכרות פחם. Naruse et al. ערך ניטור BOTDR במכרה El Teniente בצ'ילה. ה סיב אופטי מיושר לאורך המנהרה ומוגדר בתוך המנהרה, כך שהוא יכול למדוד את ההתכנסות של המנהרה. צ'נג וחב'.. מדד את העיוות של שכבות מעל בתפרי פחם באמצעות שיטת ניטור מבוססת botdr. ג'אנג ו-ואנג הקימו מבנה רשת סיבים על פני המנהרה וביצעו מדידות מתח..

ביישומי BOTDR קודמים, סיבים אופטיים הותקנו בערך 5 מטרים מאחורי פני החפירה של הכביש כדי למנוע הפרעה להתקנת מבנים תומכים (מוטות עיגון, מוטות עיגון כבלים, רשת פלדה, וכו.). לכן, ניתן למדוד רק דפורמציה שמשתנה עם הזמן, ודפורמציה שמתרחשת זמן קצר לאחר החפירה לא ניתנת לחקר מיד. עם זאת, 80% של נזקי כביש ותאונות קריסה מתרחשות ליד משטחי חפירה. לכן, ניטור כל קטע הכביש, כולל הסלע העמוק יותר מסביב ופני החפירה, תמיד היה נושא מרכזי בהבטחת ייצור בטוח מתחת לאדמה במכרות פחם.

מערכת ניטור לסלע שמסביב של מנהרות תת-קרקעיות של מכרה פחם המבוססת על botdr. מבנה מערכת הניטור שונה כדי לאפשר ניטור בזמן אמת של העיוות המיידי והתלוי בזמן של הסלע שמסביב. הוצע ניטור המערכת במנהרות באתר, ותוצאות הניטור נותחו והושוו לתוצאות המדידה של טכניקות ניטור קונבנציונליות.

העיקרון הבסיסי של מערכת ניטור BOTDR

מערכת הניטור המבוססת על botdr השיגה פיזור Brillouin, שהוא תהליך פיזיקלי בסיסי המייצג את השפעת האינטראקציה בין אור למדיה אופטית במדיום ההתפשטות. כאשר האור עובר דרך סיבים אופטיים, רובו מתפשט לאורך הכיוון המקורי, בעוד שחלק קטן סוטה מהכיוון המקורי, וכתוצאה מכך פיזור. ישנם שלושה סוגים של פיזור אור בסיבים אופטיים: פיזור ריילי הנגרם על ידי שינויים באינדקס השבירה של הסיבים, פיזור ראמאן הנגרם על ידי פונונים אופטיים, ופיזור ברילואין הנגרם מפונונים אקוסטיים. בפיזור ברילואין, האור המפוזר מגיע לשיאו בספקטרום שלו, והתדר שלו עובר מאור הדופק. שינוי תדר זה נקרא הסטת תדר של Brillouin.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין