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基于TDR监测技术的自然崩落法顶板崩落高度测量
2018-09-20
本文利用TDR测量传输线的特征阻抗,以此帮助定位断点或短路点具体位置的特性,将其应用在普朗铜矿矿测量自然崩落法顶板崩落高度测量中。通过实验室测试不同测量传输线型号、长度、温度、等在拉断过程结果,寻找适合该矿山传输线参数,该TDR传输线在实际矿山现场中得到较好的应用,也证实了TDR在测量自然崩落法崩落高度测量中的可行性。
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引言

普朗铜矿一期采选工程设计即采用自然崩落法回采,在回采过程中,矿体在崩透地表之前,相当于在空场条件下放矿,如果放矿速度过快,将可能使崩落顶板与存窿面之间留有较大的空间,一旦上部矿岩突然大范围崩落,极有可能产生空气冲击波,对坑内人员、设备和底部结构产生巨大影响。因此,需要掌握自然崩落法开采过程中的崩落高度,为制订合理的放矿策略提供依据。

1 TDR监测概述

TDR仪器不仅仅可以用来测量传输线的特征阻抗,还可以帮助定位断点或短路点的具体位置,利用这一特性,TDR时域反射计可用于检测岩土体内的变形或破断。基于TDR的技术监测原理及工程应用实践经验,将该技术应用在普朗铜矿矿测量自然崩落法崩落高度测量中。

在待监测的矿岩中钻孔,将同轴电缆放置于钻孔中,顶端与TDR测试仪相连,并以砂浆或树脂等方式填充电缆与钻孔之间的空隙,以保证同轴电缆与岩体或土体的同步变形。钻孔位移变形使埋置于其中的同轴电缆产生剪切、拉伸变形,从而导致其局部特性阻抗的变化,电磁波将在这些阻抗变化区域发生反射和透射,并反映于TDR波形之中。通过对波形的分析,结合室内标定试验建立起的剪切和拉伸与TDR波形的量化关系,掌握崩落矿体形态和位移变化状况。

2 实验室测试

普朗铜矿TDR监测设备采用美国CAMPBELL监测设备。TDR监测子系统硬件设备主要是时域反射仪TDR100、数据采集器CR1000、扩展板SDMX50等。软件主要是PCTDR和LOGERNET。

图1  TDR监测仪

Fig.1 TDR monitoring instrument

实验室进行TDR测试的主要目的:1、判断TDR是否可以测试同轴线缆的长度;2、因同轴线缆安装在钻孔内,在矿体崩落过程中,同轴线缆尾端可能会出现不同的状态,比如屏蔽铜须短接等,所以需要测试同轴线缆在不同情况下的回波情况;3、因矿山地处高海拔地区,昼夜温度很大,所以需要测试温度对同轴线缆长度测量的影响。测试结果如图2、3、4,图中,两次曲线分别代表了在发生状态改变前后的波形。

QQ截图20150529102455.pngQQ截图20150529102606.pngQQ截图20150529102536.png

(a)近根部弯折      (b)中部弯折        (c)近尾部弯折

图2 弯折试验测试波形

Fig.2 Test waveform of bending test

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(a)尾部不整齐拉断,屏蔽层铜须部分短接     (b)尾部整齐剪断

图3 同轴线缆屏蔽层不同状态下的测试波形

Fig.3 The test waveforms of coaxial cable shielding under different conditions

图4 不同温度下同轴线缆TDR测量曲线

Fig.4 TDR measurement curve of coaxial cable at different temperatures

    从图2中可以看出,在同轴线缆的三种不同位置弯折,其波形在相应位置会出现一个明显的波峰,说明了TDR可以用来测试同轴线缆的长度。从图2中可以看出,在同轴线缆尾端可能出现的两种情况:尾端被拉断后屏蔽层铜丝短接在一起和被整齐剪断,其波形完全不同:屏蔽层铜丝短接,TDR测试曲线尾部走势与不短接时朝相反的方向。从图3中可以看出,从整体上来看,TDR测试同轴线缆的长度会受温度的影响,但零上40度时比零下30度的数值,200米的线缆误差在0.6米,误差率为0.3%FS,可以说精度较高,误差较小。尽管矿山现场早晚温差大,但也不可能出现从零上40度时至零下30度间的突然变化,所以若精度要求不高的情况下,可以忽略温度的影响。    

3 TDR工程应用

针对普朗铜矿,在首采区中心周边通过地表钻孔布置3个TDR监测点,TDR监测点与空孔监测点临近布置,相互补充,相互印证。其中1#TDR孔深201米,2#TDR孔深163米,3#TDR孔深170米。3个孔的孔口高程不一样,但其底部均达到3760水平上下。

图5 自然崩落法TDR监测子系统

Fig.5 TDR monitoring subsystem of natural caving method

具体的布点位置如下图中四角星标记所示,均位于首采区域中心附近。

图6  TDR监测孔位置图

Fig.6  Position map of TDR monitoring hole

测试结果如图7、8和9所示。

图7 1#TDR钻孔断点高程曲线图

Fig.7 Elevation curve of 1#TDR drilling breakpoint

图8 2#TDR钻孔断点高程曲线图

Fig.8 Elevation curve of 2#TDR drilling breakpoint

图9  3#TDR钻孔断点高程曲线图

Fig.9 Elevation curve of 3#TDR drilling breakpoint

从图中可以看出:

(1)1#TDR钻孔断点高程在3757m-3758m之间变动,稍有波动;

(2)2#TDR钻孔断点高程在3759m;

(3)3#TDR钻孔断点高程在3791m。

而通过现场拉底及崩落进度情况,估计1#TDR钻孔底部暂未垮落,2#和3#可能已垮落,估计崩落面如下图10所示。

图10 TDR测试结果估计崩落面位置

Fig.10 TDR test results are used to estimate the location of the caving surface

此外,结合附近24个微震监测数据进行统计后发现:2#溜井和3#TDR监测点周边分别有105、26个微震事件,且有继续增多的趋势。2#溜井和3#TDR监测点的中心水平距离为50m,2#溜井周边微震事件较多,主要集中在2#溜井的崩落顶板附近;3#TDR监测点周边靠近2#溜井一侧微震事件较多,与地表2#溜井和3#TDR监测点周边出现的裂缝现象非常吻合。

   

图11 3#TDR监测点周边地表开裂情况

Fig.11 Surface cracking of 3#TDR monitoring point

 

3 结论

本文利用TDR可以测量传输线的特征阻抗以此帮助定位断点或短路点具体位置的特性,将其应用在普朗铜矿矿测量自然崩落法崩落高度测量中。在实验室不同状态和不同温度下获取了大量的波形,并在实际矿山现场中加以应用,获得了如下结论:

(1)在同轴线缆的三种不同位置弯折,其波形在相应位置会出现一个明显的波峰,说明了TDR可以用来测试同轴线缆的长度。

(2)在同轴线缆尾端可能出现的两种情况:尾端被拉断后屏蔽层铜丝结合在一起和被整齐剪断,其波形完全不同,可以满足自然崩落法崩落空区的情况。

(3)在测量精度要求不高的情况下,可以忽略温度对同轴线缆长度测量的影响。

(4)尽管TDR测量精度较低,但在崩落空区无法进入的情况下,还是可以用测量自然崩落法崩落高度和估计崩落面。

 


 


作者:彭张 袁本胜 冯兴隆等(云南迪庆有色金属有限责任公司)本文发表于《现代矿业》2018年第8期

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