立井井壁变形分布式光纤检测方法
【专利摘要】一种立井井壁变形分布式光纤检测方法，将传感光纤按检测路线铺设在井壁混凝土表面，用粘结剂进行打底和封槽，使传感光纤与井壁混凝土同步协调变形，当立井井壁受冻结压力、含水层水压力及注浆压力等压力作用而发生变形时，测试立井受外界压力作用下井壁轴向和环向应变值。分布式光纤传感技术为通过整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的变化量进行连续测量，得到后向布里渊散射光频率的漂移量，分析光纤周围应变的分布变化。根据立井井壁变形前后的应变值变化，探测井壁变形的损伤识别，实现对立井井壁检测的目的。该方法具有分布式、精度高、安装简便及成本低廉等特点，可适用于各种施工工艺下立井井壁的变形检测。
【专利说明】立井井壁变形分布式光纤检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及井筒变形检测领域和基于分布式光纤传感检测【技术领域】，特别是一种适用于厚表土层的立井井壁变形分布式光纤检测方法。
【背景技术】
[0002]立井井壁变形破裂严重影响着矿井安全生产。目前立井井壁变形检测方法主要有几何测量法和传感器测量法。基于几何测量法检测井壁变形方面，存在着观测时间占用井筒、观测结果不精确及不能掌握井壁局部受力状况等不足。基于传感器测量法检测井壁变形方面，主要采用钢筋应力计、应变片等点式传感器，测量各点的应变值，获得井壁应变、应力分布曲线。但传统的点式传感器存在着如下局限性:(I)由于不连续测量，其检测结果无法整体反映立井井壁的变形特征，存在漏检；(2)井壁混凝土内安装电子元器件时，由于传感器与传导线的交接处易发生接触不良、断裂而使检测点失效、成活率较低；(3)传感器在测试时存在着零点漂移、受电磁场干扰灵敏度和精度降低等问题，使测试数据失真。
[0003]基于布里渊散射的分布式光纤检测技术应用于立井井壁检测是一个全新的应用领域，它是光波为载体、光纤为媒质，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的变化量进行连续测量，通过分析光纤后向布里渊散射光的频移量检测光纤周围应变的分布变化。因此，本发明克服了现有井壁变形检测中存在的不足，提供了一种基于分布式光纤传感技术的立井井壁检测方法。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是针对现有立井井壁测试中存在的问题，提供一种方法简单、操作方便、检测结果好的立井井壁变形分布式光纤检测方法。
[0005]技术方案:本发明的立井井壁变形分布式光纤检测方法，包括如下步骤:
[0006]a、在井筒壁预测变形部位，沿立井井筒壁混凝土表面从上往下开挖多条纵向凹槽和环形凹槽，清除凹槽灰尘；
[0007]b、在纵向凹槽和环形凹槽内分别铺设轴向传感光纤和环向传感光纤，轴向传感光纤和环向传感光纤相互连通，用粘结剂对纵向凹槽和环形凹槽进行充填，使之能与井壁混凝土同步协调变形；从地面由上而下将光缆沿井壁表面捆绑固定后，光缆下端在传感光纤铺设位置处与井壁内铺设的传感光纤外露端进行熔接，熔接处套装有起保护作用的金属波纹管，光缆上端与地面设置的BOTDR连接后进行井壁应变的检测；
[0008]C、根据立井井壁的埋深、检测要求设定仪器的测试范围、频率、精度等参数，设定BOTDR对第一次井壁检测的应变量作为初始值、对井壁在外界压力作用下受轴向和环向变形时所测的应变量与初始值应变量的差值作为井壁所受的附加应变值△ε；
[0009]d、当立井井壁受冻结压力、含水层水压力及注浆压力作用下发生变形时，基于布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，通过BOTDR实时检测埋设在立井井壁内轴向传感光纤和环向传感光纤的变形，通过公式:Z = c.T/2n计算出传感光纤线路某受力点到BOTDR入射端的距离Z，式中:c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收光纤某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，η为光纤的折射系数；得到轴向传感光纤和环向传感光纤布设区域内立井井壁的应变分布，确定井壁变形的空间位置，并结合井壁的应变变化异常探测井壁变形的受力性状。
[0010]所述沿立井井筒壁开挖的多条纵向凹槽均匀分布，为4?6条。
[0011]所述沿立井井筒壁开挖的多条环形凹槽至少有2条，环形凹槽之间的间隔距离为0.2 ?20m。
[0012]所述的纵向凹槽和环形凹槽的宽度为3mm、深度为5mm。
[0013]所述的传感光纤采用直径为0.9?2mm之间的单模紧套光纤。
[0014]当井壁混凝土表面干燥时，对纵向凹槽和环形凹槽充填的粘结剂采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂，当井壁混凝土表面潮湿时，对纵向凹槽和环形凹槽充填的粘结剂采用硅酸钠水玻璃与水泥组合的粘结剂。
[0015]有益效果:本发明在立井井壁混凝土表面开挖凹槽，将传感光纤按检测路线铺设在井壁混凝土表面，用粘结剂进行打底和封槽，使传感光纤与井壁混凝土同步协调变形，当立井井壁受冻结压力、含水层水压力及注浆压力等压力作用而发生变形时，根据布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，测试立井受外界压力作用下井壁轴向和环向应变值。通过整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的变化量进行连续测量，得到后向布里渊散射光频率的漂移量，分析光纤周围应变的分布变化。根据立井井壁变形前后的应变值变化，探测井壁变形的损伤识别，能有效识别外界压力作用下立井井壁的变形破坏特征，实现对立井井壁的检测。该方法具有分布式、精度高、安装简便及成本低廉等特点，适用于各种施工工艺下立井井壁的变形检测，在本【技术领域】内具有广泛的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的立井井壁分布式光纤检测布置示意图。
[0017]图2是本发明图1的俯视图。
[0018]图3是本发明的立井井壁轴向应变分布图。
[0019]图中:立井井壁I,轴向传感光纤2,环向传感光纤3,金属波纹管4,光缆5。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述:
[0021]本发明的立井井壁变形分布式光纤检测方法，步骤如下:
[0022]a、在井筒壁预测变形部位，沿立井井筒壁混凝土表面从上往下开挖多条纵向凹槽和环形凹槽，纵向凹槽和环形凹槽的宽度均为3mm、深度均为5mm。其中:多条纵向凹槽均匀分布，为4?6条；多条环形凹槽至少有2条，环形凹槽之间的间隔距离为0.2?20m ;凹槽施工完成后清除凹槽内的灰尘；
[0023]b、在所有纵向凹槽和环形凹槽内分别铺设轴向传感光纤2和环向传感光纤3，传感光纤米用直径为0.9?2mm之间的单模紧套光纤。轴向传感光纤2和环向传感光纤3相互连通，用粘结剂对纵向凹槽和环形凹槽进行充填，使之能与井壁混凝土同步协调变形；从地面由上而下将光缆5沿井壁表面捆绑固定后，光缆下端在传感光纤铺设位置处与井壁内铺设的传感光纤外露端进行熔接，熔接处套装有起保护作用的金属波纹管4，光缆上端与地面设置的BOTDR连接后进行井壁应变的检测；
[0024]当井壁混凝土表面干燥时，对纵向凹槽和环形凹槽充填的粘结剂采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂；
[0025]当井壁混凝土表面潮湿时，对纵向凹槽和环形凹槽充填的粘结剂采用硅酸钠水玻璃与水泥组合的粘结剂；
[0026]C、数据采集前根据立井井壁的埋深、检测要求设定仪器的测试范围、频率、精度等参数，设定BOTDR对第一次井壁检测的应变量作为初始值、对井壁在外界压力作用下受轴向和环向变形时所测的应变量与初始值应变量的差值作为井壁所受的附加应变值△ε；
[0027]d、当立井井壁受冻结压力、含水层水压力及注浆压力作用下发生变形时，基于布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，通过BOTDR (布里渊光时域反射计)实时检测埋设在立井井壁内轴向传感光纤2和环向传感光纤3的变形,通过公式:Z = c.Τ/2η计算出传感光纤线路某受力点到BOTDR入射端的距离Ζ，式中:c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收光纤某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，η为光纤的折射系数；得到轴向传感光纤2和环向传感光纤3布设区域内立井井壁的应变分布,确定井壁变形的空间位置，并结合井壁的应变变化异常探测井壁变形的受力性状。
[0028]实施例1、
[0029](一)传感光纤的铺设方法
[0030]参见图1和图2，根据井壁埋深、混凝土性质及施工环境等因素，选择直径为0.9~2mm之间的单模紧套光纤，按照立井井深范围内井壁检测要求，在立井井壁I埋深范围内水平方向上每隔60~90度布设4~6条轴向传感光纤2,垂直方向上每隔0.2~20m范围内布设环向传感光纤3，并在两者交叉的顶部和底部位置熔接为一体。对立井某一深度范围内井壁进行变形检测时，从地面把把4~24芯光缆5沿井壁表面下放到传感光纤2铺设位置，并与井壁铺设位置预留的传感光纤2进行熔接，地面上另一端光缆将接入BOTDR入射端进行井壁应变的检测；后期检测中为防止井壁施工和罐笼运行对传感光纤2的破坏，连接部位采用金属波纹管4包裹进行保护。
[0031]井壁混凝土 I表面沿光纤铺设线路切割宽约3_、深约5_的U字形凹槽，清除灰尘和铺设传感光纤之后，使用粘结剂打底并填充凹槽，使之与立井井壁协调变形。当井壁混凝土 I表面干燥时，采用环氧树脂与稀释剂组合粘结剂，当井壁混凝土 I表面潮湿时，采用水玻璃与混凝土组合粘结剂。
[0032](二)井壁变形分布式光纤检测方法
[0033]根据立井井壁的埋深、检测要求设定BOTDR仪器的测试范围、频率、精度等参数，之后进行数据的采集。
[0034]井壁分布式检测方法为:米用BOTDR分布式光纤传感技术对井壁第一次测试的应变量作为初始值，当井壁受轴向和环向变形时所测的应变值与初值应变值之差作为井壁所受的附加应变值，通过测量布里渊散射光返回到BOTDR入射端的时间，计算光纤沿线某受力点到BOTDR的距离，确定井壁变形的空间位置，结合`变形前后附加应变值实现井壁变形的损伤识别。
[0035]参见图3，按图1方式铺设传感光纤，分别在I小时、10小时、20小时、30小时、40小时、50小时等时间段进行井壁注浆时，采用BOTDR分布式光纤传感技术检测因注浆压力引起的井壁轴向应变分布。
【权利要求】
1.一种立井井壁变形分布式光纤检测方法，其特征在于，包括如下步骤: a、在井筒壁预测变形部位，沿立井井筒壁混凝土表面从上往下开挖多条纵向凹槽和环形凹槽，清除凹槽灰尘； b、在纵向凹槽和环形凹槽内分别铺设轴向传感光纤(2)和环向传感光纤(3),轴向传感光纤(2)和环向传感光纤(3)相互连通，用粘结剂对纵向凹槽和环形凹槽进行充填，使之能与井壁混凝土同步协调变形；从地面由上而下将光缆(5)沿井壁表面捆绑固定后，光缆下端在传感光纤铺设位置处与井壁内铺设的传感光纤外露端进行熔接，熔接处套装有起保护作用的金属波纹管(4)，光缆上端与地面设置的BOTDR连接后进行井壁应变的检测； C、根据立井井壁的埋深、检测要求设定仪器的测试范围、频率、精度等参数，设定BOTDR对第一次井壁检测的应变量作为初始值、对井壁在外界压力作用下受轴向和环向变形时所测的应变量与初始值应变量的差值作为井壁所受的附加应变值△ε； d、当立井井壁受冻结压力、含水层水压力及注浆压力作用下发生变形时，基于布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，通过BOTDR实时检测埋设在立井井壁内轴向传感光纤(2)和环向传感光纤(3)的变形，通过公式:Z = c.T/2n计算出传感光纤线路某受力点到BOTDR入射端的距离Ζ，式中:c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收光纤某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，η为光纤的折射系数；得到轴向传感光纤(2)和环向传感光纤(3)布设区域内立井井壁的应变分布，确定井壁变形的空间位置，并结合井壁的应变变化异常探测井壁变形的受力性状。
2.根据权利要求1中所述的立井井壁变形分布式光纤检测方法，其特征在于:所述沿立井井筒壁开挖的多条纵向凹槽均匀分布，为4~6条。
3.根据权利要求1中所述的立井井壁变形分布式光纤检测方法，其特征在于:所述沿立井井筒壁开挖的多条环形凹槽至少有2条，环形凹槽之间的间隔距离为0.2~20m。
4.根据权利要求1中所述的立井井壁变形分布式光纤检测方法，其特征在于:所述的纵向凹槽和环形凹槽的宽度为3mm、深度为5mm。
5.根据权利要求1中所述的立井井壁变形分布式光纤检测方法，其特征在于:所述的传感光纤采用直径为0.9~2mm之间的单模紧套光纤。
6.根据权利要求1中所述的立井井壁变形分布式光纤检测方法，其特征在于:当井壁混凝土表面干燥时，对 纵向凹槽和环形凹槽充填的粘结剂采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂，当井壁混凝土表面潮湿时，对纵向凹槽和环形凹槽充填的粘结剂采用硅酸钠水玻璃与水泥组合的粘结剂。
【文档编号】E21B49/00GK103821507SQ201410100335
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】朴春德, 施斌, 魏广庆, 童恒金, 宋占璞, 孙义杰, 王兴 申请人:中国矿业大学