National Transport Library Research Database

BeFo 444 – Vibrationsövervakning och passiv seismisk undersökning av bergmassan med användning av fiberoptik (BeFo 444 – Vibration monitoring and passive seismic exploration of rock mass via fiber optic sensing)

  • Vidtrand, Patrik
  • Stiftelsen Bergteknisk Forskning (BeFo), Stiftelse, 802017-3145
Sponsors, duration, budget: Trafikverket ; 2022-01-01 -- 2024-02-28 Registration number:
  • Trafikverket 2022/6738
Subject(s): Abstract: Undermarksarbeten för så väl infrastrukturer som inom gruvdrift medför flera utmaningar. En sådan är karaktäriseringen av bergets fysiska egenskaper, vilket har en nyckelroll vid planeringen av aktiviteterna. Den beskrivna metodiken, som här avses testas i en gruva, kan användas vid alla undermarksarbeten och har en stor potential att fungera som övervakningsmetod i driftsatta tunnlar och berganläggningar. Mätning/övervakning av akustiska vibrationer, genererade av drivningen, kan vara en kraftfull metod för att avbilda bergkvaliteten. Passiv datainsamling, där källan till den akustiska energin är aktiviteter vid losshållning och andra arbeten, gör det möjligt att undersöka den djupare delen av bergvolymen, och därmed uppdatera den geologiska modellen allt medan drivningen pågår. Det här föreslagna projektet inkluderar ett fältförsök planerat att genomföras i gruvan i Malmberget via en passiv akustisk (seismisk) teknik, baserad på användning av optiska fibrer (Distributed Acoustic Sensing, DAS). Det är ett unikt tillfälle att utvärdera fiberoptisk teknik mot den traditionella seismisk datainsamling, med geofoner, som idag utförs av bl.a. av LKAB. Fiberoptik har flera fördelar eftersom de har en låg kostnad, är små och lätta, robusta vid höga temperaturer, okänsliga för elektromagnetiska störningar, är mångsidiga och har en låg miljöpåverkan. De är därför en lämplig lösning för undermarksinstallationer. DAS-tekniken utför kontinuerlig övervakning av stora områden, upp till flera kilometers fiberlängd, och gör det möjligt att mäta med en hög spatial upplösning (1–10 m) längs fibern (motsvarande en geofon vid varje 1–10 meter). DAS kan mäta vibrationer från några millihertz till tiotals kilohertz med en enda fiberoptisk kabelinstallation, och kräver endast åtkomst till ena änden av fibern. DAS-instrumentet kan därmed placeras flera kilometer från intresseområdet; det ökar säkerheten för operatörerna och garanterar övervakningsmöjligheter under lång tid, eftersom fibern kan installeras permanent i övervakningsområdet. I detta scenario är fördelarna med DAS-teknik jämfört med traditionella seismiska sensorer den högre rumsliga upplösningen och förmågan att tillhandahålla flera mätpunkter i en enda och helt passiv optisk fiber som samtidigt fungerar som sensor och dataöverföringskabel. Möjligheten att installera fiberoptik i komplexa miljöer, till exempel i borrhål eller längs tunnlar, kommer sannolikt att förbättra 3D-karakterisering av bergvolymen även i dessa miljöer. Samma tekniker, utvecklade och finjusterade i det aktuella projektet, kan också tillämpas vid byggandet av underjordisk infrastruktur i stadsmiljöer.Abstract: Underground rock excavation, maintenance work and mining activities contain challenges due to several reasons. The characterization of the physical properties of the underground plays a key role in the planning and designing of the excavation activities. The described methodology, which within this project is planned to be tested in a mine, will be useful in all kinds of underground activities and has a great potential in monitoring of tunnels and rock facilities during operation. Monitoring by passive acoustic vibrations, generated by excavation activities in infrastructure tunnels as well as mines, is a powerful method for extensively imaging/classifying the rock quality. Passive acquisition, where the underground excavation activities act as a source of acoustic energy, enables investigation of the deeper portion of the rock volume, allowing the geological model to be updated while the excavation work proceed. The present project contains a field test, of feasibility, planned at the mining site of Malmberget using an acoustic technique based on optical fibers (Distributed Acoustic Sensing, DAS). It is a unique opportunity to evaluate fiber optic sensing with traditional seismic acquisitions as presently performed by for instance, LKAB. Optical fibers have several advantages as they are low cost, small and lightweight, robust to high temperatures, immune to electromagnetic interference, versatile, and in addition have a low environmental impact. They are therefore a suitable sensing solution for the demanding underground environment. The DAS technology allows for continuous monitoring of large areas, up to several kilometers in range, with a dense spatial sampling (1-10 m) along the fiber (corresponding to one geophone every 1-10 meter). The system is capable of measuring vibrations ranging from a few millihertz to tens of kilohertz using a single optical fiber and requires access to only one end of the fiber. In addition, the active elements of the sensor, e.g., the electronic readout system and the data processing unit, can be placed kilometers away from the designated sensing area, increasing the safety of the sensor operators and guaranteeing long-term monitoring since the sensing probe can be permanently installed in the area of interest. In this scenario, the advantages of DAS technology compared to traditional seismic sensors are the higher spatial resolution and the capability to provide several measurement points in a single and totally passive optical fiber that works simultaneously as sensing probe and data transmission cable. Such features enable less complex installation of acoustic monitoring in complex environments, such as in boreholes or along tunnels, and will most likely improve the ability of 3D characterization of the rock volume. The same techniques, developed and fine-tuned in the present project, could also be applied during the excavation of underground infrastructures in urban environments.
Item type: