CN108088549A - 一种矿产资源盗采监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种矿产资源盗采监测系统。系统包括：光纤光栅传感器，固定于专用套管内；套管，采用管道并对其进行开孔；光缆，用于连接光纤光栅传感器；光纤光栅解调仪，用于解算波长变化；解调上位机，对波长进行处理，通过相关算法解算，得到振动区域的位置。本发明的技术方案有效地解决了传统声发射技术和微震监测技术存在传感器易腐蚀、监测范围小、盗采区域难以准确实时定位的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地下采矿工程领域，具体而言，涉及一种矿产资源盗采监测系统。
背景技术
随着光纤光栅技术的发展，光纤光栅传感监测的应用也愈加广泛，其传输采用光作为信息载体，在其传输过程中，与电信号无直接的联系。在一些电信号无法到达的环境，如电磁干扰、强辐射、易燃易爆、强腐蚀性的环境中有较为理想的效果。被广泛地应用于民用工程、航空、船舶、电力、石油、建筑物结构健康监测，光纤光栅传感器与其他传统的液压式、电测式传感器相比，更安全、稳定性更好、测量精度更高。而利用准分布式光纤传感技术，能够实现对井下未采区域爆破振动进行大面积监测，通过相关算法解算，从而得到盗采区域的大致位置，可以实现全天无人值守环境下的远距离监测。
在地下开采中，对于未开采区域矿产资源是否被盗采进行监测是一项周期长、监测项目复杂的系统工程。无论是采用传统声发射技术，还是微震监测技术，均存在传感器易腐蚀、监测范围小、盗采区域难以较准确定位等问题。基于光纤光栅的矿产资源盗采监测系统利用光纤传感器耐强腐蚀、监测范围广等特点，利用光纤光栅传感器监测爆破振动大小，从而解算盗采区域。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种矿产资源盗采监测系统，解决现有监测技术中传感器易腐蚀、监测范围小、盗采区域难以较准确定位等问题，以实现对地下矿产资源的保护。
本发明采用如下技术方案实现：
一种矿产资源盗采监测系统，包括：光纤光栅传感器(1)，固定于套管(2)内；套管(2)，采用管道并对其一侧进行开孔处理；光缆(3)，用于连接光纤光栅传感器(1)和光纤光栅解调仪(4)；光纤光栅解调仪(4)，用于解算波长变化，与解调上位机(5)连接；解调上位机(5)，对波长进行处理；
光纤光栅传感器(1)对盗采所产生的爆破振动进行实时监测；光纤光栅传感器(1)固定于套管(2)内便于安装，并可以对其进行保护，有利于监测系统长期稳定性；光纤光栅传感器采用高精度光纤光栅传感器。
套管(2)用于固定光纤光栅传感器(1)，结构采用管道并对其一侧进行开孔处理，有利于光纤光栅传感器(1)接收振动的信号；
光纤光栅解调仪(4)，用于解算波长变化，采用高速高精度光纤光栅解调仪，解调通道为多通道，解调速率大于4kHz，振动测量精度高，同时满足对高频振动信号的测量要求；
解调上位机(5)，对波长进行处理，通过相关算法解算，得到振动区域的位置。
进一步地，光纤光栅传感器在水平和竖直钻孔内等距离布置，两个光纤光栅传感器的间距为传感器有效监测范围，钻孔深度根据矿权范围而定，需保证对整个矿权范围内的盗采行为进行监测。
进一步地，光纤光栅传感器固定在套管内侧，套管直径与钻孔直径匹配，并对光纤光栅传感器所在套管处进行一侧开孔处理，以便更好地接收振动信号。安装时光纤光栅传感器通过光缆连接。
进一步地，套管单段长度为2.5m，相连两套管之间通过凹槽套管连接，并设置卡槽防止套管贯穿。
进一步地，相连两光纤光栅传感器通过光缆进行连接，长度500m以上，可以实现长距离信号传输。
进一步地，光纤光栅传感器接收的信号通过光缆进行传输，通过解调仪解算波长变化，解调仪采用自研制的高速高精度光纤光栅解调仪，解调通道为多通道，解调速率高于4kHz，振动测量精度高，同时满足对高频振动信号的测量要求。
进一步地，通过解调上位机对所得波长数据进行处理，通过数学计算得到振动点的位置。
所述的相关算法包括两种定位算法；
算法一过程如下：
在方程组(1)中，接收到信号的时刻ti和传播速度V都可以根据光纤光栅传感器求出，(xi、yi、zi)为光纤光栅传感器的位置坐标，同一平面内邻近四个光纤光栅传感器组成一个监测网；通过方程组可以解出震源的起始时刻t0和震源坐标(x0,y0,z0)，Si为监测点到震源点之间的距离；这样就确定了震源即盗采点的具体位置坐标。
所述的相关算法包括两种定位算法；
算法二过程如下：：
式(2)中：k与爆场地质条件有关的参数；Q为单段装药量，单位是kg；v为质点振动速度，单位是cm/s，可以通过光纤光栅传感器求出，R为震源离光纤光栅传感器的距离；
在P1、P2、P3三个点上分别设置光纤光栅传感器，求得每个点光纤光栅传感器对应的R，记为R1、R2、R3；分别以P1、P2、P3为圆心，R1、R2、R3为半径画圆，其相交于一点P0，即为震源位置。
为了解决现有监测技术中传感器易腐蚀、监测范围小、盗采区域难以较准确定位等问题，本发明提供了一种基于光纤光栅的矿产资源盗采监测系统。本申请中的光纤光栅监测系统能够实现对矿产资源的有效监测和保护。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的光纤光栅传感器测量系统示意图；
图2示出了光纤光栅传感器套管内布设示意图；
图3示出了矿产资源盗采监测方案示意图；
图4示出了矿产资源盗采点计算示意图；
图5示出了矿产资源盗采点计算示意图；
其中上述附图包括以下附图标记：
1、光纤光栅传感器；2、套管；3、光缆；4、光纤光栅解调仪；5、解调上位机。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，光纤光栅监测系统包括光纤光栅传感器1；套管2；光缆3；光纤光栅解调仪4；解调上位机5。
如图4所示，在探矿巷道中连续打多个等距离水平钻孔和竖直钻孔，钻孔间距由单个光纤光栅传感器的监测范围而定，这里设置为50m，钻孔直径比套管直径稍大。其中套管通过凹槽套管连接，并设置卡槽防止套管贯穿。每个钻孔内的监测组件由多个光纤光栅传感器串联而成。
如图2所示，光纤光栅传感器通过套管固定保护，通过光缆连接并传输信号，最终连接到光纤光栅解调仪上，通过解调上位机运算求解振源位置。
进一步地，如图3所示，为了增加光纤光栅传感器的灵敏度，这里对光纤光栅传感器与套管连接处进行开孔处理。安装时光纤光栅传感器通过光缆连接。
具体地，当光纤光栅传感器监测范围内发生振动时，光纤光栅传感器会监测到振动波，并通过光缆传输信号，信号由光纤光栅解调仪解算，最后通过解调上位机计算分析振源位置。
具体的计算过程如下：
方法一：
如图4所示，P0为震源位置及盗采点，P1、P2、P3、P4为同一平面内的四个监测点，S1、S2、S3、S4为监测点到震源点之间的距离。其中光纤光栅传感器的监测范围为50m，相连水平探矿巷道之间的距离也为50m，这样能保证对矿区内盗采点进行准确定位。
通过计算求出震源的方程为：
在方程组中，接收到信号的时刻ti和传播速度V都可以根据光纤光栅传感器求出，通过方程组可以解出震源的起始时刻t0和震源坐标(x0,y0,z0)，这样就确定了震源即盗采点的具体位置。
方法二：
根据萨道夫斯基公式如下式所示，可以确定震源离光纤光栅传感器的距离R,可以通过3个相连光纤光栅传感器求出震源点的位置。
通过变形得：
式中：k与爆场地质条件有关的参数；Q为单段装药量(依据盗采装药量预估)，kg；v为质点振动速度，cm/s，可以通过光纤光栅传感器求出。
如图5所示，分别以P1、P2、P3为圆心，R1、R2、R3为半径画球，其相交于一点P0，即为震源位置。
Claims (3)
1.一种矿产资源盗采监测系统，其特征在于，包括：光纤光栅传感器(1)，固定于套管(2)内；套管(2)，采用管道并对其一侧进行开孔处理；光缆(3)，用于连接光纤光栅传感器(1)和光纤光栅解调仪(4)；光纤光栅解调仪(4)，用于解算波长变化，与解调上位机(5)连接；解调上位机(5)，对波长进行处理；
光纤光栅传感器(1)对盗采所产生的爆破振动进行实时监测；光纤光栅传感器(1)固定于套管(2)内便于安装，并可以对其进行保护，有利于监测系统长期稳定性；
套管(2)用于固定光纤光栅传感器(1)，结构采用管道并对其一侧进行开孔处理，有利于光纤光栅传感器(1)接收振动的信号；
光纤光栅解调仪(4)，用于解算波长变化，采用高速高精度光纤光栅解调仪，解调通道为多通道，解调速率大于4kHz，振动测量精度高，同时满足对高频振动信号的测量要求；
解调上位机(5)，对波长进行处理，通过相关算法解算，得到振动区域的位置。
2.根据权利要求1所述的一种矿产资源盗采监测系统，其特征在于，所述的相关算法包括两种定位算法；
算法一过程如下：
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<mfenced open = "{" close = "">
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在方程组(1)中，接收到信号的时刻ti和传播速度V都可以根据光纤光栅传感器求出，(xi、yi、zi)为光纤光栅传感器的位置坐标，同一平面内邻近四个光纤光栅传感器组成一个监测网；通过方程组可以解出震源的起始时刻t0和震源坐标(x0,y0,z0)，Si为监测点到震源点之间的距离；这样就确定了震源即盗采点的具体位置坐标。
3.根据权利要求1所述的一种矿产资源盗采监测系统，其特征在于，所述的相关算法包括两种定位算法；
算法二过程如下：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>=</mo>
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<mrow>
<mi>k</mi>
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<mi>Q</mi>
<mi>v</mi>
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</mrow>
式(2)中：k与爆场地质条件有关的参数；Q为单段装药量，单位是kg；v为质点振动速度，单位是cm/s，可以通过光纤光栅传感器求出，R为震源离光纤光栅传感器的距离；
在P1、P2、P3三个点上分别设置光纤光栅传感器，求得每个点光纤光栅传感器对应的R，记为R1、R2、R3；分别以P1、P2、P3为圆心，R1、R2、R3为半径画圆，其相交于一点P0，即为震源位置。
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