摘 要

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究内容 2

第二章 工程概况 4

2.1 企业自然地理 4

2.2 地质资源条件 4

2.3 项目开发背景 4

2.4 设计开采范围 5

2.5 采矿方法 5

2.6 中段高度 5

第三章 光纤光栅传感器设计 7

3.1 光纤光栅振动传感原理 7

3.2 盗采监测系统的组成 8

3.3 盗采监测系统的布置 9

3.4 震源定位算法 11

3.4.1 空间上的定位算法 11

3.4.1 使用萨道夫经验公式计算爆破点的位置 11

第四章 爆破振动实验 13

4.1 爆破振动理论 13

4.1.1爆破地震波的形成以及特征 13

4.1.2 爆破地震波的基本参数 13

4.2 测振流程 13

4.3 现场实验介绍 14

14

4.4 测振数据 15

4.5 数据分析 17

4.6 误差分析 19

第五章 结论与展望 21

5.1结论 21

5.2展望 22

第六章 致谢 23

参考文献 24

摘 要

矿山生产安全是安全生产工作中十分重要的一部分，随着当今社会市场经济的逐步快速发展，某些不发分子贪图自身的利益，无视国家的法律，不管不顾人民生活安全和生命财产权益，长期活动于国有矿区，组织不法人员潜入井下从事非法盗采国家矿资源违法活动，不仅造成国家矿资源大量被盗，并且对矿山的安全和矿山的生产秩序方面产生了不良的影响，有点甚至还造成重大人员伤亡的事故。

本文针对这种不良的社会现象，借助了当前发展迅速的光纤光栅传感技术，以湖北三鑫金铜股份有限公司作为研究对象设计矿山盗采监测系统。在本文的第二章节，我们进行了详尽的工程概况介绍。第三章介绍了光纤光栅传感器系统的设计，因为在矿山矿产资源的盗采过程中会产生振动信号，我们以这种振动信号作为检测对象，系统的进行了基于光纤布拉格光栅振动传感在矿山监测中的研究，以及对光纤光栅传感器系统的组成、传感器在矿山中的布置等进行了深入的探讨，并且提出了两种算法来模拟发生了矿山盗采行为时的情况。最后阐述了爆破振动实验，并且对光纤光栅传感器所测得的数据，代入到萨道夫公式中进行分析，发现经过数值模拟计算得到的盗采点的位置与实际的盗采的地点大致吻合，从而得出此研究可行的结论。

本文的特色有：（1）使用光纤光栅传感器代替传统的传感器，从而解决传统的传感器易腐蚀、监测上面的范围小、易受电磁影响、盗采区域定位不准确等一些问题。（2）将盗采发生时产生的爆破振动作为监测的对象，从而对振动的信号进行分析定位出盗采的位置。

关键词：矿山盗采；光纤光栅；微震；矿山定位；

ABSTRACT

The safety of mine production is a very important part of the safety production work. With the rapid development of the market economy in today's society, some non criminals are greedy for their own interests, ignore the laws of the state, ignore the safety of the people's life and the rights and interests of life and property, and have long lived in the state-owned mining areas and unlawfully infiltrated the lawless personnel. Illegal activities of illegal exploitation of national mineral resources in the mine not only cause a large number of national mineral resources stolen, but also have a bad influence on the safety of the mine and the production order of the mine, and some even cause serious casualties.

Aiming at this kind of bad social phenomenon, this paper uses the fast developing fiber Bragg grating sensing technology, and designs the mine theft and mining monitoring system with Hubei Sanxin gold and copper Limited by Share Ltd as the research object. In the second chapter of this article, we have carried out a detailed introduction to the project. The third chapter introduces the design of the fiber Bragg grating sensor system, because the vibration signals will be produced during the mining of mine mineral resources. We take this vibration signal as the detection object. The system is based on the study of the fiber Prague grating vibration sensing in the mine monitoring and the fiber Bragg grating sensor system. The composition of the sensor and the layout of the sensor in the mine were thoroughly discussed, and two algorithms were proposed to simulate the situation of mine stealing behavior. At last, the experiment of blasting vibration is expounded, and the data measured by the fiber grating sensor are analyzed in the sardoff formula. It is found that the position of the stolen mining point which is calculated by the numerical simulation is approximately consistent with the actual location of the stolen mining, thus the feasible conclusion of this study is obtained.

The characteristics of this paper are as follows: (1) the use of fiber Bragg grating sensors instead of traditional sensors, so as to solve the problems of easy corrosion of traditional sensors, small monitoring range, easy to be affected by electromagnetic influence and inaccurate location of theft and mining area. (2) the blasting vibration generated during the excavation is taken as the object of monitoring so as to locate and analyze the location of the stolen signal.

Key words：illegal mining; fiber bragg grating; slight shock; fix position;

第一章 绪论

• 1. 课题研究的背景

矿业是我国基础的工业的基本，是国民经济建设的基础。矿山信息化建设，是我国信息化建设的一个重要组成部分。就目前形式来看，由于矿产资源审批制度的实施形成了“大矿小开”、 “一矿多开”的现象。而存在一些小矿山的业主，由于他们没有什么企业法制上面的观念，并且被利益蒙蔽了双眼，从而导致了超深越界开采行为时有发生。多年来，所发生的一些煤矿的重大安全事故重的很大原因都是由于小煤矿私挖乱采、越界违章作业导致的。由于他们只为谋一己私利，导致国有矿产资源的浪费损失，又对矿井之间的相互连通等因素造成了比较大的事故隐患。在安徽省滁州市2017年5月的时候，警方破获一起以不正当的方式贩爆炸物，并且伴随着盗采矿山资源的案件，当场捕获犯罪嫌疑人15余人，没收了相关的爆炸物品61t，从而断绝了他们这种不正当的利益关系链。事情到了2016年1月初的时候，跟据相关新闻持续不断的报料，在河北省三河市东部的某一个矿山盗采猖獗，屡禁不止，在最极端的时候会有数百辆挖掘机在盗采，令人惊讶的是，10万吨的白云矿石和石灰石矿被一夜开采完。2017年10月，龙岩市永定区国土资源局联合下洋镇政府及公安、林业、城市管理等部门，依法对沿江赤树坪非法盗采稀土矿点进行现场调查取证，并对非法稀土采矿场的连接管道等有关配套设施进行清理，累计拆除工棚 8 座，面积2000 m²；摧毁用于提炼稀土矿半成品沉淀池7个，面积2500m²。

如何利用有效手段对现在的盗采行为进行监测，是亟需解决的问题。由于这些严峻的现状促进了相关矿山盗采检测技术的研究与创新。但是由于井下的越界超深开采有着隐蔽性强的特点，国内一直以来对于矿山越界开采的检测依旧是传统的人员下井进行实地的监督检查，使用这种方法不经济，需要使用到的人员也比较多，又要花费大量的时间，实际起到的操作效果不太好。基于各种不良的原因，迫切的需要一种新的方法来对地下开采巷道进行监测和定位，同事还需要将数据进行保存、分析、显示出来，以便矿山企业对其进行监督管理，维护国家和企业的利益，从而减少恶劣事件的发生，在生态环境的保护方面，起到了一定的保护作用，于是从根本上提高了矿产资源在开发利用的过程中的开发利用率。

1. 2. 国内外研究现状

光纤光栅传感器近年来在工程结构健康监测、石油产业、电力行业、岩土工程、航空航天、采矿、爆破、交通及医学等各个领域的应用广泛。对比于传统的机械以及电子传感器，在一定程度上光纤光栅传感器具有不可或缺的优点诸如: (1) 它的尺寸比传统的传感器较小，重量上面较轻; (2) 光纤光栅传感器的传输损耗较低而带宽高; (3)不会受到电磁的干扰; (4) 比较耐腐蚀; (5) 可以使用的寿命较长; (6) 可以进行分布式的测量。而且对比于光纤传感器而言，光纤光栅传感器除了拥有其全部特性外，还有着其自身相对而言独特的优势: (1) 可以进行绝对测量，测出来的信号不会受到光源波动上面的影响;(2) 可以直接被写入光纤，不需要改变直径; (3) 采用多路复用技术。所以在光纤通信以及传感领域上面的应用十分广泛。

近些年来，人们逐渐的意识到光纤光栅传感技术具有前所未有的潜力，于是国内外越来越多的高等院校以及各种科研机构都在进行光线光栅传感器的深入研究。距今经过 20多年的发展，光纤光栅传感器已经取得了一些十分重大的研究成果，从而被应用到了当今很多产业的使用中，诸如光纤光栅振动传感器、应力应变传感器、位移传感器等。随着光纤光栅传感器的一天天的发展，它已经成为了现如今最具有发展前景以及最有代表性的光纤无源器件之一。

• 2. 课题研究内容

光纤又称为光导纤维，它是有着传输功能的一种介质波导，工作在光波波段，目前市场上被广泛应用在通信领域的数据传输方面。

由于光纤具有可传输的数据容量大、耐用，不易损坏，传输速度快以及廉价等优点，目前已经成为了通信领域的中流砥柱。近些年来，关于矿山盗采的报道日益增多，在矿山防盗采方面，国有企业已经比较关注。因此，使得人们更加看重于矿山上的监测技术，诸如传统的声发射技术，还有微震监测技术，已经取得了令人瞩目的成就，从而为矿山企业的安全生产起到了必要的支持。但是由于传统意义上的监测技术具有一定的局限性，在矿山监测过程中存在着一些比较难以解决的问题比如复杂的环境因素，像潮湿、腐蚀性环境因素、各种易燃易爆巷道，还有电铲产生的电磁干扰、自然的露天矿山的雷击等不良的因素，从而给采矿工程中的长期监测带来了一定的困难，但是光纤光栅传感器则不太容易受到这些方面的影响，于是矿山企业迫切的需要研究一种新型的光纤光栅盗采监测系统，从而解决现有监测技术中诸如传感器易腐蚀、监测上面的范围小、盗采区域定位不准确等一些诟病，在根本上以实现对地下矿产资源的保护。

第二章 工程概况

2. 1. 企业自然地理

湖北三鑫金铜于湖北省大冶市中心西方，与著名的大冶有色金属公司铜绿山矿紧邻。矿区范围为北边抵至大冶湖的中心河的位置，南边从史家塆开始，东边与鲤泥湖相邻，西边理坐标经纬度为：东经′32″～30°05′50″，面积为240公顷。矿区东侧毗邻与铜绿山矿区，猴头山铜钼矿位于其南高～中温热液矽卡岩型矿床，矽卡岩矿床。

• 1. 地质资源条件

湖北三鑫金铜股份有限公司的矿床有鸡冠咀矿床和桃花嘴矿床，其矿床的类型主要为矽卡岩型。矿石的类型主要铁矿石类型和铜(硫)矿石等，矽卡岩、大岩等，矿石别为稳固和中等稳固。

矿区矿石量大致为19026.33kt。其平均品位为C37 t，Au 38470 kg。

矿区-970m以上设计利用储量（含保安矿柱）：111b 122b 333类矿石量16446.19kt，平均品位Cu 1.62%，A.93kg。

• 1. 项目开发背景

矿山已经开发了二十多年，为了响应国家综合利用低品位矿石，加大危机矿山接替资源的找矿湖北省鄂东南地质大队对矿区深部进行勘探工作。湖北省鄂东南地质大队于2010年冠咀方位铜金矿接替资源勘查（ 深部普查）报告》。通过了湖北省国土资源厅矿产资源储量评审中心和全国危1年1月5日在应城市召开了该报告的评审会议，并形成了“评审意见书”。

为了实现对资源规模效益进行实现，并且能将资源优势逐步转化为经济优势，公司决定对采选工程进行改扩建。

2. 4. 设计开采范围

根据委托内容及现场上的互相交流，以及考虑到鸡冠咀矿区目前已经开采到最低中段为-470m中段，尽管桃花嘴矿区目前早已开拓至-520m中段的，但是由于-520m中段还没有进入生产阶段，综合考虑到上个-520m中段都归列于本次设计0m以下的矿体进行设计。而在-470m以上的部分，已经有的生产能力和相关的组织方式保持不变，只需要对提升系统进行综合结构上的考虑，从而使得上、下下降的趋势。根据业主提供的地质资料进行综合性质上的分析，而考虑到-970m水平以下矿体埋藏太深，并且勘探程度m～-1170m 标高地质储量940.69kt)，因此本次设计的最低中段选择为-970m中段，而以下矿体作为矿山延长服务年限作为考虑。故本次设计开采范围为-470m~-970m标高之间的矿体。

2. 5. 采矿方法

考虑到深部矿体赋存条件及开采技术条件并没有发生明显变化，并且考虑到工人已经对现有的采矿方法的熟悉度，结合现有采矿方法应用在以前矿山上的成功状况，表示本次设计依然沿用矿山常来已久采矿方法。即划分采矿方法在低分段主要为段空场嗣后充填采矿法和浅孔留矿嗣后充填采矿法两种方法、在高分段分为上向水平分层充填采矿法。

• 1. 中段高度

综合考虑到-970m以下储藏的资源量大致为940.69kt，矿量较少，而延深大，因此我们为了节省投资，故本次设计开采范围拟定为-470m～-970m阶段。根据矿山已有的现状还有矿体的形态产状，保持中段高度仍为50m不变，而-470m以下中段标高依次划分：-520m、-570m、-620m、-670m、-720m、-770m、-820m、-870m、-920m、-970m中段。开拓系统纵投影图如图2.1所示。

图2.1 湖北三鑫金铜股份有限公司开拓系统纵投影示意图

第三章 光纤光栅传感器设计

5. 1. 光纤光栅振动传感原理

光纤工作的基本光纤的基本结构如图3.1所示。因为包层的折射率相对数值孔径[公式为NA=n₀sinΦ₀=(n₁²-n₂²)^1/2，其中n₁表示为纤芯的折射率，n示为空气的折射率，Φ₀作为对应于临界角的里面，律我们知道，当入射角的角度大于Φ₀的时候，入射光此时不会发生折射，所以光全部沿着纤芯向前反射到了前面全反射的原理将光纤约束在其界面以内，从而引导着光波向前传播。

纤芯

包层

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