Distributed fiber optic strain and temperature sensors underground in coal mines BOTDR-INNO

Il sistema di rilevamento BOTDR presenta i seguenti vantaggi:

1) Può rilevare contemporaneamente temperatura e stress;

2) Elevata sensibilità di misurazione, temperatura di 0,2°C, stress di 4 Me; tre

3) Il raggio di rilevamento è lontano, fino a 100 chilometri, e la risoluzione spaziale raggiunge 5 metri;

4) Basso costo.

Dopo lo scavo del tunnel, la deformazione e il cedimento della roccia circostante spesso portano al cedimento o al crollo del tunnel. Tecniche di monitoraggio convenzionali, come gli estensimetri, misuratori di stress, stazioni di convergenza, ecc., può rilevare solo dati di stress o deformazione nelle rocce circostanti poco profonde, richiedendo una grande quantità di operazioni manuali. Inoltre, nelle tecniche di monitoraggio sopra menzionate, gli strumenti di monitoraggio sono installati a valle della superficie di scavo, quindi non possono rilevare le deformazioni e le deformazioni che si verificano prima dello scavo. Per superare queste carenze, è stato sviluppato un nuovo tipo di sistema di controllo e monitoraggio della deformazione delle rocce basato sul riflettometro ottico Brillouin nel dominio del tempo. Rispetto ai sistemi di monitoraggio convenzionali, questo sistema fornisce un affidabile, accurato, e un metodo di monitoraggio in tempo reale per controllare la deformazione delle rocce circostanti in gallerie larghe e allungate. L'installazione di sensori a fibra ottica nei fori di perforazione davanti al fronte di scavo può proteggere efficacemente i sensori e studiare le caratteristiche di deformazione della roccia circostante. Il sistema è stato applicato nel tunnel di scavo con TBM della miniera di carbone di Zhangji. Rilevamento accurato del comportamento di deformazione della roccia circostante, the monitoring results provide necessary reference basis for the control of surrounding rock deformation.

In the past 20 anni, with the depletion of shallow coal resources, coal mining activities have continuously shifted towards deeper layers. In Cina, circa 60% of coal mines are mined at depths of over 800 metri. Deep mining faces challenges from high ground stress and complex geological conditions. These emerging problems have led to significant deformation, danno, and tunnel collapse of the surrounding rock, posing a serious threat to the safety of miners and limiting coal production. Tunnel collapse accidents account for 80% of the total number of coal mine accidents, resulting in 43% of miners dying. Traditional shallow tunnel monitoring techniques, come gli estensimetri, misuratori di stress, stazioni di convergenza, ecc., due to their low accuracy and excessive manual operation, non possono più soddisfare le esigenze di monitoraggio degli strati profondi.

Per risolvere il problema del monitoraggio della deformazione delle rocce circostanti nelle miniere di carbone profonde, Molte tecnologie di misurazione emergenti sono state sviluppate nei fronti sotterranei delle miniere di carbone e negli scavi di tunnel. Zhao et al.. Utilizzo della tecnologia microsismica per monitorare il processo di danneggiamento della roccia circostante nelle gallerie. Zhao et al.. È stato proposto un metodo di monitoraggio dello spostamento per gli strati sovrastanti nei giacimenti di carbone basato su sensori di spostamento a reticolo in fibra ottica. Kajzar et al. tecnologia laser 3D applicata per monitorare la deformazione dei pilastri di carbone e del tetto nei tunnel sotterranei. Yu et al. La deformazione delle rocce circostanti e la convergenza dei tunnel sono stati studiati utilizzando un telemetro laser. Martino e Chandler hanno studiato il comportamento di deformazione e di evoluzione delle zone danneggiate della roccia circostante utilizzando le immagini della telecamera del pozzo [9]. Blüling et al. ha proposto il processo a lungo termine del danno roccioso utilizzando la tomografia microfocale a raggi X. Lubosik et al. ha proposto una tecnica per misurare la forza assiale e lo spostamento della roccia delle aste di ancoraggio utilizzando aste di ancoraggio strumentate integrate con estensimetri e sensori tensoriali. Liu et al.. Il metodo elettromagnetico transitorio proposto (TEM) viene utilizzato per rilevare la portata e la deformazione della zona danneggiata della roccia circostante. Erich ha studiato le caratteristiche di collasso dei tunnel delle miniere di carbone utilizzando il metodo sismico a riflessione.

Nonostante alcuni progressi nella tecnologia di monitoraggio, i suddetti metodi di monitoraggio presentano ancora lacune sotto alcuni aspetti. La tecnologia microsismica e i metodi di riflessione elettromagnetica e sismica transitoria possono rilevare lo sviluppo di fratture nelle rocce circostanti, ma la precisione del monitoraggio dello spostamento delle rocce non è elevata (fino a metri). La tomografia microfocale a raggi X può misurare solo i danni nei campioni di roccia e non può essere utilizzata per il monitoraggio in loco. Rispetto a completamente fibra ottica distribuita sistemi di rilevamento, i sistemi a reticolo in fibra ottica richiedono troppi sensori e hanno costi più elevati. Inoltre, la maggior parte degli interrogatori disponibili in commercio possono gestire solo una quantità considerevole di FBG, impostare limiti sul numero di punti di rilevamento, e la densità lungo la fibra ottica. Le immagini della telecamera di perforazione possono rilevare danni e fratture nella roccia circostante, ma non è possibile ottenere un monitoraggio in tempo reale, e l'analisi delle immagini si basa sul funzionamento manuale. Due to the limitation of anchor rod length (usually less than 2.5 mm), instrument anchor rods can only be used to measure the stress and strain in the shallow part of the surrounding rock. 3D laser technology provides a high-precision instrument for tunnel convergence, and the deformation and damage inside the tunnel cannot be measured.

Brillouin optical time-domain reflectometer (BOTDR) is a fully distributed sensing technology used for measuring strain and temperature along all determined regions, where only one fiber is stimulated by a laser pulse, so many discrete sensors can be replaced. BOTDR provides fast and reliable measurements, as well as early detection of deformations that may affect the safety of mining operations, thereby arranging necessary work in advance to mitigate potential risks. Negli ultimi anni, Il sistema botdr è stato ampiamente utilizzato nel sottosuolo nelle miniere di carbone. Naruse et al. ha condotto il monitoraggio BOTDR presso la miniera El Teniente in Cile. IL la fibra ottica viene allineata lungo il tunnel e fissata all'interno del tunnel, quindi può misurare la convergenza del tunnel. Cheng et al.. ha misurato la deformazione degli strati sovrastanti nei giacimenti di carbone utilizzando un metodo di monitoraggio basato su botdr. Zhang e Wang hanno creato una struttura a rete di fibre sulla superficie del tunnel e hanno condotto misurazioni della deformazione botdr.

Nelle precedenti applicazioni BOTDR, le fibre ottiche sono state installate approssimativamente 5 metri dietro il fronte di scavo della carreggiata per evitare interferenze con la posa delle strutture di sostegno (aste di ancoraggio, aste di ancoraggio del cavo, maglia d'acciaio, ecc.). Perciò, è possibile misurare solo la deformazione che cambia nel tempo, e la deformazione che si verifica subito dopo lo scavo non può essere studiata immediatamente. Tuttavia, 80% di danni stradali e incidenti di crollo si verificano in prossimità delle superfici di scavo. Perciò, monitorare l'intero tratto di carreggiata, compresa la roccia circostante più profonda e il fronte di scavo, è sempre stata una questione chiave per garantire una produzione sicura nel sottosuolo delle miniere di carbone.

Un sistema di monitoraggio della roccia circostante i tunnel sotterranei delle miniere di carbone basato su botdr. La struttura del sistema di monitoraggio è stata modificata per consentire il monitoraggio in tempo reale della deformazione istantanea e dipendente dal tempo della roccia circostante. È stato proposto il monitoraggio in loco del sistema nelle gallerie, e i risultati del monitoraggio sono stati analizzati e confrontati con i risultati delle misurazioni delle tecniche di monitoraggio convenzionali.

Il principio di base del sistema di monitoraggio BOTDR

Il sistema di monitoraggio basato su botdr ha raggiunto lo scattering Brillouin, che è un processo fisico fondamentale che rappresenta l'effetto di interazione tra la luce e il mezzo ottico nel mezzo di propagazione. Quando la luce passa attraverso le fibre ottiche, la maggior parte si propaga lungo la direzione originale, mentre una piccola porzione si discosta dalla direzione originaria, con conseguente dispersione. Esistono tre tipi di diffusione della luce nelle fibre ottiche: Diffusione di Rayleigh causata da cambiamenti nell'indice di rifrazione delle fibre, Diffusione Raman causata da fononi ottici, e lo scattering Brillouin causato dai fononi acustici. Nello scattering Brillouin, la luce diffusa raggiunge il suo picco nel suo spettro, e la sua frequenza si sposta dalla luce pulsata. Questo spostamento di frequenza è chiamato spostamento di frequenza di Brillouin.