[发明专利]基于分布式光纤传感的岩爆监测系统及数据采集处理方法

说明书

本发明公开了基于分布式光纤传感的岩爆监测系统及数据采集处理方法，多根监测铠装光缆沿正在掘进或已完工隧道的顶部和两侧支撑岩体或支护墙体上，或者在沿山体或矿体正在开挖的工作面上安装固定；多根监测铠装光缆一端均与多通道宽频分布式光纤声波和应变传感调制解调系统连接，多通道宽频分布式光纤声波和应变传感调制解调系统与实时数据记录处理计算机连接。当被监测的隧道或工作面上由于地下应力积累和集中引起局部地段发生应变、位移、破裂和诱发大量微地震事件时，监测铠装光缆上相对应的局部地段将会同时产生应变和位移，用应变、位移和实时测量和监测的微地震事件，对被监测岩体上可能发生岩爆的局部地段进行预警或提前进行处理或加固。

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别是涉及基于分布式光纤传感的岩爆监测系统及数据采集处理方法。

背景技术

岩爆，也称冲击地压，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆发生的主要原因是围岩强度适应不了集中的过高应力而突发的失稳破坏。岩爆是隧道和深井矿山面临的主要安全隐患之一。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的震级，烈度达7～8度，使地面建筑遭受破坏，并伴有很大的声响。岩爆可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。

隧道和深井矿山岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。隧道和深井矿山岩爆是处于高应力状态下的脆性岩石因开挖导致弹性变形能突然释放而产生的岩石碎化、弹射甚至地震等破坏现象,其力学机制比较复杂,目前关于它的研究还多停留在假说和经验阶段。作为一种多因素耦合诱导的动力失稳现象,岩爆形成机理的复杂性和相关理论的不完善,使得岩爆的预测理论的实际应用效果不甚理想,至今国内还没有一套成熟的理论和方法。近年来,越来越多的岩爆问题凸显出来,岩爆不仅破坏生产设备、延误工期,而且严重威胁施工人员人身安全,已成为我国未来深埋地下工程建设中一大技术障碍。

岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。轻微的岩爆仅剥落岩片，无弹射现象。严重的可测到4.6级的震级，一般持续几天或几个月。发生岩爆的原因是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性。这时一旦地下工程破坏了岩体的平衡，强大的能量把岩石破坏，并将破碎岩石抛出。预防岩爆的方法是应力解除法、注水软化法和使用锚栓—钢丝网—混凝土支护。

岩爆发生条件是(1)近代构造活动造成深部矿岩内地应力较高，岩体内储存着较大的应变能，当该部分能量超过了岩石自身的强度时，就会发生岩爆事件；

(2)坚硬、新鲜完整、裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性的围岩，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当因工程开挖解除应力后，由于回弹变形很小，极有可能造成岩石爆裂并弹出；

(3)如果地下水较少，岩体干燥，也容易发生岩爆；

(4)开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带，是岩爆容易发生区域。

深井矿山岩爆有如下特点：

(1)突发性：在未发生前，并无明显的正兆，甚至可能听不到空响声，一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠下。

(2)部位集中性：虽然岩爆发生地点也有距新开挖T作面较远的个别案例，但大部分均发生在新开挖的工作面附近。常见的岩爆部位以拱部或拱腰部位为多。