振弦式传感器在深部采场充填体监测中的应用*

王 昆 吕文生 王金海

(北京科技大学土木与环境工程学院)

振弦式传感器在深部采场充填体监测中的应用*

王 昆 吕文生 王金海

(北京科技大学土木与环境工程学院)

随着地下矿山开采向深部发展，对充填体稳定性的研究越来越必要。振弦式传感器具有精度高，抗干扰能力强，安装简单等优点，对于深部开采复杂的采场环境具有较高的可靠性。介绍了振弦式传感器的工作原理，并根据新城金矿深部采场充填体监测的工程应用实例分析，得到了深部采场充填体受力及沉降的规律。最后总结了振弦式传感器在深部采场充填体监测应用中需要注意的问题。

深部开采 振弦式传感器 充填体监测

随着浅部资源的枯竭，深部开采是未来采矿发展的必然趋势。一直以来，深部采矿作业深受“三高一扰动”的困扰[1]，而充填采矿法作为一种安全、环保的采矿方法，近些年在深部开采中得到广泛应用。充填体的稳定性是控制深部采场地压、维持采场稳定、保证深部采矿作业安全高效的重要因素。传统的数值模拟计算等方法分析充填体的稳定性具有一定的局限性，相比之下充填体稳定性监测更为直观、准确。

目前，国内外文献中关于充填体稳定性监测介绍的较少，随着深部开采的持续推进，充填体的稳定性监测越来越必要。然而，在深部开采复杂的环境下，传统的电感式传感器的可靠性、稳定性都很难保证。振弦式传感器是一种非电量电测的传感器，相比于传统的电阻应变计，该传感器具有抗干扰能力强、性能稳定、寿命长等优点，对于复杂的深部采场环境具有较好的适应能力，现在已广泛应用在国内外隧道、路基、大坝、边坡、矿山等工程及科学研究中[2]。

1 振弦式传感器的工作原理

振弦式传感器一般由弹性外壳(或膜片)、紧固夹头、钢弦、线圈等部分组成。根据弹性体自振理论的推导，钢弦震动频率f与施加于钢弦两端的拉应力、钢弦长度L以及钢弦的材料有关。因此，在钢弦材料和尺寸确定的情况下，钢弦振动频率f的变化量即可表征拉应力的大小。

现以双线圈激振方式来表述振弦式传感器的工作原理。如图1所示，工作时开启电源，激振线圈通电后激发钢弦振动，在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈接收并输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，然后由接收线圈输出与钢弦拉应力有关的频率信号[3]。

图1 振弦式传感器工作原理

钢弦连续等幅振动的状态符合柔软无阻尼微振动的条件，钢弦的振动频率可由下式确定:

(1)

式中，L为钢弦有效长度;σ为钢弦拉应力;ρ为钢弦材料密度。

当钢弦材料、几何尺寸一定时，钢弦的有效长度L、材料密度ρ可视为常数。外力未施加在弹性外壳时，钢弦按初始拉应力振动，输出初始频率；当施加外力时，则弹性外壳发生变形，固定于弹性外壳的两个夹头随之产生转动，绷紧于夹头上的钢弦所受的拉应力随之变化，此时测得钢弦输出频率值。将式(1)转化为：

σ=4L2f2ρ.

(2)

由式(2)可见，σ与f的二次方成正比。由此可以得出振弦式传感器测试技术的计算理论基础。当弹性外壳在外力的作用下，钢弦所受拉应力的变化量σv可由式(3)求得：

(3)

式中，k为钢弦拉伸灵敏系数，k=4L2ρ；f为钢弦在外力作用下的振动频率；f0为钢弦振动的初始频率。根据胡克定律，钢弦长度值ε：

ε=σ/E.

(4)

由式(4)可知，在钢弦材料和几何长度一定时，钢弦长度值ε与钢弦所受拉应力σ呈线性关系。由图1可以看出，夹头固定于弹性外壳保持与其相对位置不变，且与之始终保持垂直关系，故受力后钢弦长度变化量与弹性外壳变形量呈一定的线性关系，即钢弦所受拉应力的变化量σv与弹性外壳所受外力变化量呈线性关系。弹性外壳所受外力P为：

(5)

式中，K值为振弦式传感器的标定系数，该系数为与钢弦及传感器的尺寸和材质有关的常数(但在振弦式传感器实际工程制造中，不同传感器的钢弦材质、长度以及外壳尺寸很难加工到完全一致，故每个传感器的K值均不同，传感器出厂前标定系数K值需要由试验测定)。

2 工程实例

新城金矿位于山东省莱州市金城镇境内，是山东黄金集团的主体矿山，地质储量大，矿石品位较高，属于我国大型地下黄金矿山之一[4]。日前该金矿已经开采到地下-700 m水平以下，开拓深度已达-1 000 m以下。地表村庄密布且有烟潍公路通过，不允许陷落，矿山现在使用的主要采矿方法为上向水平分层充填法，属于典型的充填深部开采矿山。以该矿山深部-680 m水平某采场充填体稳定性监测为实例，研究振弦式传感器在深部开采充填体监测中的应用。

2.1 测点布置

选取该采场待充填的某一分层布设测点，该分层高3.3 m，长91.5 m，宽8.2 m。为了实现对充填体稳定性的长期、高效监测，在该分层布置A、B、C3个测点，如图2所示。A点与B点、B点与C点之间距离均为20 m。A点距离充填挡墙55 m，布置竖直方向单点沉降计C1、垂直矿体走向单点沉降计C3，布置3个压力盒Y1、Y3、Y5，分别测量竖直方向、垂直矿体走向及沿矿体走向的压力；B点距离充填挡墙35 m，安装垂直矿体走向的单点沉降计C4；C点距离充填挡墙15 m，布置竖直方向单点沉降计C2、垂直矿体走向单点沉降计C5，布置3个压力盒Y2、Y4、Y6，分别测量竖直方向、垂直矿体走向及沿矿体走向的压力。为了防止相邻压力盒刚性外壳对施测结果的相互影响，各个压力盒间距控制在50 cm以上。

图2 监测仪器测点布置示意

通过测点布置，计算出施测分层充填体的水平方向位移、竖直方向沉降，及该分层充填体3个方向的受力情况，跟充填体变形结合起来，对于充填体稳定性的分析研究具有参考价值。

2.2 保护措施

采用绝缘性能良好、防水耐磨的屏蔽线缆传输数据。单点沉降计和压力盒按照相关规范要求埋设完毕后，将通信线缆穿到钢丝波纹管中，沿着待充填采场两帮引出到充填挡墙外，防止充填过程中通信线缆受损进水，影响测量结果。

2.3 数据的读取

使用与该传感器配套的自动化综合测试系统采集数据，该系统为分布式全自动静态网络数据采集系统，由上位机、采集模块(MCU)和系统软件组成。上位机操作系统为WIN98以上的计算机；系统软件中设置系统时间、启动时间、测量周期及各个传感器对应的初始频率、标定系数、数据单位等参数，将从采集模块(MCU)中获取的传感器测量频率直接转换为测量值并输出；采集模块(MCU)布置在充填挡墙外，通过通信线缆连接已经布置于充填体内的各个传感器。内置变压器，将矿山用36 V安全电压转换12 V直流电为其供电，且配备可以维持一星期工作的蓄电池，以防临时停电造成测量数据中断。MCU内置存储器可以存储上万条测量数据，定期通过安装有系统软件的上位机读取数据，并可以导出到Excel，实现无人值守自动测量。

3 监测数据及分析

监测设备安装完成、检测线路通畅后便可进行采场充填工作，待采场充填完毕、上向分层矿体回采工作之前，通过计算机对自动测试系统进行初始设置，测量施测分层各个传感器的初始值，将初始值连同标定系数等参数导入到采集模块中，设定从每天0：00开始测量，测量周期为2 h。之后每月定期下井用计算机导出数据并将采集模块内存清空，以免数据过多影响后续监测工作。

为了研究上向分层矿体回采工作对充填体稳定性的影响，首先对短期充填体的受力及位移数据(选取某一天内监测数据)进行分析，再对充填体长期受力及位移数据(本文选取施测分层充填工作完成后90 d内监测数据)进行分析。

为方便叙述，采用传感器编号代替传感器类型及安装位置，传感器编号及安装位置的对应关系如表1所示。

3.1 充填体应力变化规律分析

3.1.1 充填体短期内应力变化规律

为了研究充填体短期内应力的变化规律，选取上向分层开始回采后的某一天(2014年3月1日)的应力监测数据进行分析，如图3所示。由图3可以明显看出，1 d内充填体所受3个方向的应力均有轻微的波动，其中12：00～18：00波动较大，其余时间段波动较为平缓。结合矿山生产实际分析得知，14：00～16：00为矿山爆破作业的时间段。矿体爆破破坏是一个高温、高压、高速的瞬态过程，在几十微秒到几十毫秒之间完成，爆破产生的冲击波经过矿体围岩衰减成爆破应力波并传播至充填体，引起底部充填体受力发生变化。由于充填体的固有频率一般集中在5～12 Hz，该地下矿的爆破规模较小，引起的爆破应力波主振频率分布在10～65 Hz，当充填体的固有频率与应力波的主频相接近时，会引起充填体的共振效应，使其受力突然增大[5]。爆破工作结束后应力值又渐渐恢复到平稳波动。另外，Y1、Y3、Y5的应力值均大于Y2、Y4、Y6，这是由于Y1、Y3、Y5测点位置更靠近采场内部，受围岩应力及地应力影响更大；Y1与Y2、Y5与Y6应力值相差0.042 MPa，Y3与Y4应力值相差0.032 MPa，说明垂直矿体走向方向的应力受围岩应力与地应力影响较小。总体来说，充填体两个测点所受3个方向的应力大小波动趋势基本一致。

表1 传感器编号及安装位置

3.1.2 充填体服役中的应力变化规律

为了研究充填体服役过程中应力的变化规律，选取充填体上向分层回采工作开始后的90 d应力监测数据进行分析，如图4所示。由图4可以看出，Y1、Y3、Y5的应力值均大于Y2、Y4、Y6，由上文可知，这是由于Y1、Y3、Y5位于采场内部。90 d内2个测点3个方向应力值均随着时间推移缓速上升，而后趋于平稳。

3.2 充填体位移变化规律分析

3.2.1 充填体短期内位移变化规律

为了研究充填体短期内位移的变化规律，选取上向分层开始回采后的某一天(2014年3月1日)的位移监测数据，如图5。由图5可以明显看出，1 d内充填体竖直方向和垂直矿体走向方向的位移均有轻微波动，其中12：00～18：00波动较大，其余时间段充填体位移变化趋势较为平缓。由前文可知，此时间段爆破工作对充填体受力产生影响，造成充填体位移值波动较大。但是充填体仅仅发生弹性形变并未遭到破坏，因此爆破过后充填体的位移值渐渐恢复，趋于爆破前的水平。由于C1、C3位于采场内部，C4位于采场中部，受围岩应力及地应力的影响较大，故竖直方向的位移值C1大于C2，垂直于矿体走向的位移值C3>C4>C5。总体来说，5个单点沉降计的位移值波动趋势基本一致。

图3 应力变化曲线(2014-03-01)

图4 第90 d应力变化

图5 24 h位移变化曲线(2014-03-01)

3.2.2 充填体位移长期变化规律

为了研究充填体位移长期变化趋势，选取上向分层回采工作开始后的90 d位移监测数据进行分析，见图6。由图6(a)可以看出，90 d内C1、C2点的位移值呈增大趋势，且曲线逐渐趋于平稳。其中C1点位移值增大5.400 mm，C2点位移值增大3.750 mm。由上文可知，这是由于C1点位于采场内部，受围岩应力和地应力的影响较大。由图6(b)可知，垂直矿体走向方向充填体位移值同样缓速增大，且趋于平稳。其中C3位移增大1.195 mm，C4位移值增大1.220 mm，C5位移值增大0.800 mm，说明位于采场内部的C3、采场中间位置的C4受围岩应力及地应力的影响位移值较大。同时，相比于竖直方向C1、C2的位移值，垂直矿体走向方向充填体的位移值较小。说明在上向分层回采工作开始后，充填体竖直方向位移受采动工作影响较大。充填体本身是由松散介质组成，充填初期孔隙率较大，在自重和围岩应力、地应力等外力的共同作用发生压缩变得致密，从而表现出一定的强度，位移值变化速率变缓，充填体渐渐趋于稳定。

图6 90 d位移变化曲线

4 结 论

振弦式传感器具有抗干扰能力强、性能稳定、寿命长等优点，能适用于深部采场充填体的监测，且测量数据连续、稳定、准确。

新城金矿深部充填体应力、变形监测结果的分析表明：无论是充填体的应力变化还是位移变化，都是围岩应力、地应力和上层矿体回采工作影响共同作用的结果，采场内部充填体的应力变化和位移变化明显高于采场外部，由此可以判定围岩应力和地应力对充填体应力和变形的影响更大。因此充填体的稳定性分析还需要结合数值模拟计算等方法，将模拟结果与现场监测数据比较，综合进行分析。

充填体的应力变化和位移变化趋势随时间推移渐渐趋于稳定，说明充填体受自重、围岩应力、地应力和采动作业等各个因素的影响，内部孔隙率逐渐减少引起位移变化，充填体本身由松散变得致密，从而强度越来越大，位移变化速率也越来越小。

充填体稳定性的研究是一个长期的工作，还需要持续的监测数据作为依据，随着矿体回采工作的推进以及采深的逐渐增加，对于深部采场充填体的监测还需要持续进行。

[1] 何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2804-2805.

[2] 白泰礼,何 羚,王彩云,等.基于振弦式传感器的多功能智能检测仪[J].传感器技术,2004,23(3):60-61.

[3] 罗 东.振弦式传感器在结构应力动态测试中的可行性研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.

[4] 蔡美峰,乔 兰,李长洪.新城金矿地应力场测量及其分布规律研究[J].有色金属,2000,52(3):1-2.

[5] 刘志祥,李夕兵.爆破动载下高阶段充填体稳定性研究[J].矿冶工程,2004,24(3):21-24.

Application of Vibrating Wire Sensors in Monitoring the Deep Stope Filling Body

Wang Kun Lv Wensheng Wang Jinhai

(Civil and Environmental Engineering Institute, University of Science and Technology Beijing)

With the development of underground mining to the deep, the study on filling body stability is becoming more and more necessary. Vibrating wire sensors which has the advantages of high precision, strong anti-interference ability and simple installation are reliable for the complicated stope environment in deep mining. The working principle of vibrating wire sensors is discribed, according to the application examples of the deep stope filling body monitoring in Xincheng gold mine, the stress and settlement rules of deep stope filling body are obtained. Besides that, the problems that should be taken attention about the application of vibrating wire sensors in monitoring the filling body in deep stope are summarized.

Deep mining, Vibrating wire sensor, Filling body monitoring

*“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B01)。

2014-09-15)

王 昆(1991—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。