基于TDR监测技术的自然崩落法顶板崩落高度测量*

彭 张 袁本胜 冯兴隆 王 平 刘华武 蔡永顺

(1.云南迪庆有色金属有限责任公司；2.北京矿冶科技集团有限公司；3.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室)

普朗铜矿一期采选工程设计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[1-2]。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。而常规的位移计、视频摄像头甚至非接触式的三维激光扫描仪等均无法进入崩落空区使用，所以寻求在地表通过钻孔安装TDR同轴线缆的方式测量崩落高度。

1 TDR监测概述

TDR仪器不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。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[3-5]。

2 实验室测试

普朗铜矿TDR监测采用美国CAMPBELL设备。TDR监测子系统硬件设备主要是TDR100型时域反射仪、CR1000型数据采集器、SDMX50型扩展板等，软件主要是PCTDR和LOGERNET。TDR监测仪见图1。

图1 TDR监测仪

TDR实验室测试的主要目的：

(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，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，需要测试温度对同轴线缆长度测量的影响。

实验室测试结果见图2～图4。图中深色曲线为原始状态测量波形曲线，浅色曲线为改变状态后的测量波形曲线。从图2可以看出，在同轴线缆的3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TDR在不同的弯折状态下，其测量值均随着弯折的位置进行改变，同时也表明TDR可以用来测试同轴线缆的长度。从图3可以看出，在同轴线缆尾端可能出现2种情况，即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曲线尾部朝相反的方向发展。从图4可以看出，整体上，TDR测试同轴线缆的长度会受温度的影响，但零上40度比零下30度时，200 m的线缆误差在0.6 m，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，但不会出现从零上40度至零下30度突然变化，所以若精度要求不高的情况下，可以忽略温度的影响。

图2 弯折试验测试波形

图3 同轴线缆屏蔽层不同状态下的测试波形

3 工程应用

针对普朗铜矿，在首采区中心周边地表钻孔,布置3个TDR监测点，其监测系统示意见图5。该监测系统主要包括服务器、TDR采集仪及TDR同轴线缆。其中，服务器的作用主要是与TDR采集仪进行通信，对TDR数据进行传输、存储、分析、打印及展示；TDR采集仪的作用是将TDR同轴线缆的模拟信号转换成数字信号，然后通过串口或网络传输给服务器；TDR同轴线缆埋设在地表的TDR钻孔内，并以砂浆或树脂等填充电缆与钻孔之间的空隙，进而保证同轴电缆与岩土体的同步变形，线缆顶端与TDR测试仪相连。

图4 不同温度下同轴线缆TDR测量曲线◆—40 ℃；■—30 ℃；▲—20 ℃；×|—10 ℃；×—0 ℃；●—-10 ℃；+—-20 ℃；-—-30 ℃

图5 TDR监测系统

TDR监测孔具体布设见图6。TDR监测孔(星形标记)均位于首采区域中心附近，其中1#TDR孔深201 m，2#TDR孔深163 m，3#TDR孔深170 m。3个孔的孔口高程不一样，但其底部均达到3 760 m水平。同时TDR监测点与其他微震监测点、空孔监测点邻近布置，相互补充，相互印证。

图6 TDR监测孔位置示意

TDR测试结果见图7。可以看出，1#TDR钻孔断点高程在3 757～3 758 m变动，稍有波动；2#TDR钻孔断点高程在3 759 m；3#TDR钻孔断点高程在3 791 m。排除测量误差的影响，可以判断1#TDR钻孔底部暂未垮落，2#TDR钻孔部分垮落，3#TDR钻孔已垮落31 m。估计崩落面位置见图8。

图7 TDR钻孔断点高程曲线

针对3#TDR监测点进行重点分析，3#TDR断点距地表长度变化曲线见图9。可以看出，8月10日—10月15日，3#TDR监测点的线缆长度发生了5次较大的变化，截止到10月15日，线缆断点距离地表只有30 m，距离地表非常近，这与地表3#TDR监测点周边产生了较多的裂缝非常吻合。表明3#TDR监测点周边的顶板正在逐渐向上崩落，再加上断层活化的影响，顶板崩落速度逐渐变大，从而导致地表出现开裂现象。

此外，结合附近24个微震监金，粗粒金、巨粒金较少，适宜采用重选工艺提前回 收粗粒金，微细粒金则可通过浮选回收。

图8 TDR测试结果估计崩落面位置

图9 3#TDR断点距地表长度变化曲线

图10 3#TDR监测点周边地表开裂情况

4 结 语

(1)TDR可以测量传输线的特征阻抗，帮助定位断点或短路点具体位置。

(2)在同轴线缆的3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。

(3)在同轴线缆尾端可能出现的2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。

(4)TDR测试同轴线缆的长度会受温度的影响，但零上40度比零下30度时，200 m的线缆误差在0.6 m，误差率为0.3%FS。

(5)普朗铜矿现场实际应用来看，TDR监测技术可以测量自然崩落法崩落高度，估计崩落面，最终实现放矿控制。但是TDR测量还存在着精度较低的问题，需要通过进行TDR技术改进来进一步提高测量精度。