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

O sistema de detecção BOTDR tem as seguintes vantagens:

1) Ele pode detectar simultaneamente temperatura e estresse;

2) Alta sensibilidade de medição, temperatura de 0,2oC, estresse de 4 com e; três

3) O alcance de detecção está longe, até 100 quilômetros, e a resolução espacial atinge 5 metros;

4) Baixo custo.

Após a escavação do túnel, a deformação e a falha da rocha circundante muitas vezes levam à falha ou ao colapso do túnel. Técnicas convencionais de monitoramento, como extensômetros, medidores de estresse, estações de convergência, etc., só pode detectar dados de tensão ou deformação em rochas vizinhas rasas, exigindo uma grande quantidade de operação manual. Além disso, nas técnicas de monitoramento acima mencionadas, os instrumentos de monitoramento são instalados após a superfície de escavação, portanto, eles não conseguem detectar a tensão e a deformação que ocorrem antes da escavação. Para superar essas deficiências, um novo tipo de sistema de controle e monitoramento de deformação de rocha baseado no refletômetro óptico de domínio do tempo Brillouin foi desenvolvido. Comparado com sistemas de monitoramento convencionais, este sistema fornece um confiável, preciso, e método de monitoramento em tempo real para controlar a deformação das rochas circundantes em túneis largos e alongados. A instalação de sensores de fibra óptica nos furos em frente à face de escavação pode proteger eficazmente os sensores e estudar as características de deformação da rocha circundante. O sistema foi aplicado no túnel de escavação TBM da Mina de Carvão Zhangji. Detectando com precisão o comportamento de deformação da rocha circundante, os resultados do monitoramento fornecem a base de referência necessária para o controle da deformação das rochas circundantes.

No passado 20 anos, com o esgotamento dos recursos superficiais de carvão, as atividades de mineração de carvão mudaram continuamente para camadas mais profundas. Na China, aproximadamente 60% das minas de carvão são extraídas em profundidades superiores a 800 metros. A mineração profunda enfrenta desafios decorrentes de alta tensão no solo e condições geológicas complexas. Esses problemas emergentes levaram a deformações significativas, dano, e colapso do túnel da rocha circundante, representando uma séria ameaça à segurança dos mineiros e limitando a produção de carvão. Acidentes de colapso de túneis são responsáveis por 80% do número total de acidentes em minas de carvão, resultando em 43% de mineiros morrendo. Técnicas tradicionais de monitoramento de túneis rasos, como extensômetros, medidores de estresse, estações de convergência, etc., devido à sua baixa precisão e operação manual excessiva, não pode mais atender aos requisitos de monitoramento de estratos profundos.

Para resolver o problema de monitoramento da deformação das rochas circundantes em minas profundas de carvão, many emerging measurement technologies have been developed in underground coal mining faces and tunnel excavation. Zhao et al. Using microseismic technology to monitor the damage process of surrounding rock in tunnels. Zhao et al. A displacement monitoring method for overlying strata in coal seams based on fiber optic grating displacement sensors has been proposed. Kajzar et al. applied 3D laser technology to monitor coal pillar deformation and roof in underground tunnels. Yu et al. The deformation of surrounding rocks and convergence of tunnels were studied using a laser rangefinder. Martino and Chandler studied the deformation and damage zone evolution behavior of surrounding rock using borehole camera images [9]. Bl ü ling et al. proposed the long-term process of rock damage using microfocal X-ray tomography. Lubosik et al.. propuseram uma técnica para medir a força axial e o deslocamento da rocha em hastes de ancoragem usando hastes de ancoragem instrumentadas incorporadas com extensômetros e sensores tensores. Liu et al.. O método eletromagnético transitório proposto (TEM) é usado para detectar o alcance e a deformação da zona de danos rochosos circundantes. Erich estudou as características de colapso de túneis de minas de carvão usando o método de reflexão sísmica.

Apesar de algum progresso na tecnologia de monitoramento, os métodos de monitoramento acima mencionados ainda apresentam deficiências em certos aspectos. A tecnologia microssísmica e os métodos de reflexão eletromagnética e sísmica transitória podem detectar o desenvolvimento de fraturas nas rochas circundantes, mas a precisão do monitoramento do deslocamento de rochas não é alta (até metros). Microfocal X-ray tomography can only measure damage in rock samples and cannot be used for on-site monitoring. Compared with fully fibra óptica distribuída sistemas de detecção, fiber optic grating systems require too many sensors and have higher costs. Além disso, most commercially available interrogators can only handle a considerable amount of FBG, set limits on the number of sensing points, and the density along the fiber optic. Drilling camera images can detect damage and fractures within the surrounding rock, but real-time monitoring cannot be achieved, and image analysis relies on manual operation. Due to the limitation of anchor rod length (usually less than 2.5 hm), instrument anchor rods can only be used to measure the stress and strain in the shallow part of the surrounding rock. 3A tecnologia laser D fornece um instrumento de alta precisão para convergência de túneis, e a deformação e os danos no interior do túnel não podem ser medidos.

Refletômetro óptico de domínio do tempo Brillouin (BOTDR) é uma tecnologia de detecção totalmente distribuída usada para medir deformação e temperatura ao longo de todas as regiões determinadas, onde apenas uma fibra é estimulada por um pulso de laser, tantos sensores discretos podem ser substituídos. BOTDR fornece medições rápidas e confiáveis, bem como a detecção precoce de deformações que possam afetar a segurança das operações de mineração, organizando assim o trabalho necessário com antecedência para mitigar riscos potenciais. Nos últimos anos, O sistema botdr tem sido amplamente utilizado no subsolo em minas de carvão. Naruse e outros. conduziu monitoramento BOTDR na mina El Teniente, no Chile. O a fibra óptica é alinhada ao longo do túnel e definida dentro do túnel, so it can measure the convergence of the tunnel. Cheng et al. measured the deformation of overlying strata in coal seams using a botdr based monitoring method. Zhang and Wang established a fiber mesh structure on the surface of the tunnel and conducted botdr strain measurements.

In previous BOTDR applications, optical fibers were installed approximately 5 meters behind the excavation face of the roadway to avoid interference with the installation of supporting structures (anchor rods, cable anchor rods, steel mesh, etc.). Portanto, only deformation that changes over time can be measured, and deformation that occurs shortly after excavation cannot be studied immediately. No entanto, 80% of road damage and collapse accidents occur near excavation surfaces. Portanto, monitoring the entire section of the roadway, including the deeper surrounding rock and excavation face, has always been a key issue in ensuring safe production underground in coal mines.

A monitoring system for the surrounding rock of coal mine underground tunnels based on botdr. The structure of the monitoring system has been modified to enable real-time monitoring of the instantaneous and time-dependent deformation of the surrounding rock. The on-site monitoring of the system in tunnels was proposed, and the monitoring results were analyzed and compared with the measurement results of conventional monitoring techniques.

The basic principle of BOTDR monitoring system

The monitoring system based on botdr has achieved Brillouin scattering, which is a fundamental physical process representing the interaction effect between light and optical media in the propagation medium. When light passes through optical fibers, most of it propagates along the original direction, while a small portion deviates from the original direction, resulting in scattering. There are three types of light scattering in optical fibers: Rayleigh scattering caused by changes in fiber refractive index, Raman scattering caused by optical phonons, and Brillouin scattering caused by acoustic phonons. In Brillouin scattering, the scattered light reaches its peak in its spectrum, and its frequency shifts from the pulse light. This frequency shift is called Brillouin frequency shift.