CN103528712B - 基于光纤光栅传感的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于光纤光栅传感的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法,采用无缝钢管作为光纤光栅传感受载体，在管内布置光栅温度传感器并采用有机材料进行增敏灌封，选取一定数量冻结孔作为测点布设光纤光栅传感装置并随着钻孔深度的增加进行串接，接入光栅光纤解调设备将信号传输至计算机系统采集并处理监测数据，对冻结壁进行实时温度监测。本发明监测精度显著优于传统监测手段，降低监测误差，避免及降低可能的错误施工决策；抗干扰能力强，无源工作，不需供电也不存在电信号和电子器件，避免局部温度扰动，有效避免噪音数据，监测稳定性好；采用计算机技术，实时性高，能满足不同方面的要求，为煤矿立井井筒冻结法施工进行指导。

Description

基于光纤光栅传感的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法

技术领域

本发明涉及煤矿井筒施工监测技术领域，尤其是一种基于光纤光栅传感的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法。

背景技术

煤矿立井井筒在不稳定表土层或隔绝地下水施工时，一般采取特殊施工方法才能顺利通过，目前冻结法的使用非常广泛。冻结法历史较为悠久，在理论上和实践上都已经较为成熟。采用冻结法施工时，煤矿立井井筒的开挖必须选择合适的时间，当冻结壁已经形成而又尚未冻至井筒范围以内时冻结壁的稳定性较好，是井筒开挖时机的最佳选择，否则可能不利于井筒的掘进或者造成涌水冒砂事故，这就对煤矿立井井筒冻结壁的温度监测提出了严苛的工艺要求。但在目前的井筒冻结施工中，一般采用在冻结孔周围布置测温孔、根据测温孔的监测温度来推算冻结壁厚度的方法，该方法存在很多缺点：一，只能反应冻结壁的局部发展情况，存在大量的盲点，无法反应整个冻结壁的发展情况；二，当冻结壁尚未形成交圈时，通过测温孔的数据来判断冻结壁的情况会有很大误差；三，目前采用的传统冻结壁测温设备主要有测温孔内布置铜-康铜热电偶串、热敏电阻式数字单点测温仪等，存在维护技术难度高、易损坏、在线实时监测难度大等缺点。近年来，随着光纤光栅制作技术的迅猛发展，光纤光栅传感技术迅速崛起。相比较传统的传感器，光纤光栅传感器优点颇多，如：抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度等，并且容易实现网络化及实时化监测，为煤矿立井井筒冻结壁温度实时监测提供了技术基础。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种抗干扰能力强、无源工作、避免局部温度扰动、有效避免噪音数据、监测稳定性好的基于光纤光栅传感技术的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法。

技术方案：本发明的基于光纤光栅传感煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法,包括以下步骤：

步骤一、根据煤矿井筒施工条件制备光纤光栅传感装置：

A、采用两端车丝的无缝钢管作为光纤光栅传感受载体及保护管，并选用相应的高防漏活接头作为钢管连接件；

B、以无缝钢管中点为对称点，在无缝钢管内用长11m的光纤对称布置串接三组间隔4m并编号的光栅温度传感器，将光纤用耐低温易固化胶水粘贴固定于无缝钢管内壁，其中第一组位于无缝钢管中点，其他两组分别位于两侧与中点间隔为4m处，即与无缝钢管两端间隔为2m，将两端的光纤接头引出无缝钢管；

C、采用热膨胀系数较高的橡胶或树脂有机材料，如环氧树脂类胶，对无缝钢管内的光栅传感器及光纤进行增敏灌封封装，以保护光栅光纤并提高温度灵敏度，灌封时无缝钢管两端内各留0.5m长的接合间隙；

D、将橡胶保护管裹套在两端光纤接头上，以保护光纤外露部分，完成光纤光栅传感装置的制备；

步骤二、选择测点，在井筒冻结孔内布设光纤光栅传感装置：

A、根据冻结孔的设置情况、冻结壁的设计厚度及温度监测范围的要求，选取多个冻结孔作为测点；

B、在现场用钻机钻进施工冻结孔的同时，在测点孔内布设多个光纤光栅传感装置；

C、随着钻孔深度的增加，将多个光纤光栅传感装置进行串接，先将上一光纤光栅传感装置上端的光纤接头与下一光纤光栅传感装置下端的光纤接头进行串接，并固定于无缝钢管端口以内，用有机材料进行封装保护，然后将无缝钢管上一光纤光栅传感装置无缝钢管的上端与下一光纤光栅传感装置无缝钢管的下端用活接头进行连接，后面光纤光栅传感装置的连接依次类推，如此反复，直到钻孔达到设计深度，埋设好多个光纤光栅传感装置；

步骤三、接入光栅光纤解调设备，将信号传输至计算机系统进行处理和实时监测：

A、将各测点埋设完毕的光纤光栅传感装置地表外露的光纤接头接入矿用光缆；

B、将矿用光缆接入光栅光纤解调设备；

C、将光栅光纤解调设备与计算机系统进行连接，从而将解调信号传送至计算机系统；

D、通过计算机系统采集并处理监测数据，对冻结壁进行实时温度监测。

有益效果：本发明采用无缝钢管作为光纤光栅传感受载体，在管内布置光栅温度传感器并采用有机材料进行增敏灌封，选取一定数量冻结孔作为测点布设光纤光栅传感装置并随着钻孔深度的增加进行串接，接入光栅光纤解调设备将信号传输至计算机系统采集并处理监测数据，对冻结壁进行实时温度监测。本发明监测精度显著优于传统监测手段，降低监测误差，避免及降低可能的错误施工决策；抗干扰能力强，无源工作，不需供电也不存在电信号和电子器件，避免局部温度扰动，有效避免噪音数据，监测稳定性好；采用计算机技术，实时性高，能满足不同方面的要求，为煤矿立井井筒冻结法施工进行指导。本发明与已有技术相比具有以下优点：

1、采用光纤光栅传感并采用增敏封装，监测精度显著优于传统监测手段，降低监测误差，避免及降低可能的错误施工决策；

2、抗干扰能力强，无源工作，不需供电也不存在电信号和电子器件，避免局部温度扰动，有效避免噪音数据，监测稳定性好；

3、采用计算机技术实现监测数据的分析处理及监测，实时性高，且数据能即时显示查阅，能满足不同方面的要求，为煤矿立井井筒冻结法施工进行指导。

附图说明

图1为本发明的煤矿光纤光栅传感装置结构示意图。

图2为本发明的煤矿立井井筒冻结孔测点布置平面图。

图3为本发明的煤矿冻结孔测点监测布设结构示意图。

图中：1-无缝钢管，2-光栅温度传感器，3-光纤，4-橡胶或树脂有机材料，5-高防漏光纤接头，6-冻结孔，7-测点孔，8-井筒，9-矿用光缆，10-光栅光纤解调设备，11-计算机系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1：本发明基于光纤光栅传的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法,包括以下步骤：

步骤一、根据煤矿井筒施工条件合理设计光纤光栅传感装置：

A、采用两端车丝的无缝钢管1作为光纤光栅传感受载体及保护管，为不影响冻结效果并提高检测精度，因冻结孔孔径一般为160～200mm，无缝钢管规格一般选用公称外径32mm、壁厚8mm、长度10m的低碳钢无缝钢管，根据冻结孔实际孔径大小可适当调整钢管规格参数，并选用相应的高防漏光纤接头5作为钢管连接件；

B、以无缝钢管1中点为对称点，在钢管内用长11m的光纤3对称布置串接三组间隔4m并合理编号的光栅温度传感器2，将光纤3用耐低温易固化胶水粘贴固定于无缝钢管1内壁，三组光栅温度传感器2中的第一组位于钢管中点，其他两组分别位于两侧与中点间隔为4m处，与无缝钢管1两端间隔为2m，将两端的光纤接头引出无缝钢管1；

C、采用热膨胀系数较高的橡胶或树脂有机材料4，如环氧树脂类胶，对无缝钢管1内的3个光栅传感器及光纤3进行增敏灌封封装，以保护光栅光纤并提高温度灵敏度，灌封时钢管两端内应各留0.5m长的接合间隙；

D、用橡胶保护管裹套在两端高防漏光纤接头5上，以保护光纤外露部分，完成光纤光栅传感装置的制备；

步骤二、选择测点，在井筒8的冻结孔6内布设光纤光栅传感装置：

A、根据冻结孔的设计布置情况、冻结壁的设计厚度及温度监测范围的要求，选取多个冻结孔6作为测点；

B、在现场用钻机钻进施工冻结孔6的同时，在测点孔7内布设多个光纤光栅传感装置；

C、随着钻孔深度的增加，将多个光纤光栅传感装置进行串接，先将上一光纤光栅传感装置上端的光纤接头与下一光纤光栅传感装置下端的光纤接头进行串接，并固定于无缝钢管端口以内，用有机材料进行封装保护，然后将无缝钢管上一光纤光栅传感装置无缝钢管的上端与下一光纤光栅传感装置无缝钢管的下端用活接头进行连接，后面光纤光栅传感装置的连接依次类推，如此反复，直到钻孔达到设计深度，埋设好多个光纤光栅传感装置；

步骤三、接入光栅光纤解调设备10，将信号传输至计算机系统11进行处理和实时监测：

A、将各测点埋设完毕的光纤光栅传感装置地表外露的光纤接头接入矿用光缆9；

B、将矿用光缆接入光栅光纤解调设备；

C、将光栅光纤解调设备与计算机系统进行连接，从而将解调信号传送至计算机系统；

D、通过计算机系统采集并处理监测数据，对冻结壁进行实时温度监测。

Claims (1)

1.基于光纤光栅传感的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法,包括采用光纤、光栅温度传感器、光栅光纤解调设备、计算机系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据煤矿井筒施工条件制备光纤光栅传感装置：

A、采用两端车丝的无缝钢管作为光纤光栅传感受载体及保护管，并选用相应的高防漏活接头作为钢管连接件；

B、以无缝钢管中点为对称点，在无缝钢管内用长11m的光纤对称布置串接三组间隔4m并编号的光栅温度传感器，将光纤用耐低温易固化胶水粘贴固定于无缝钢管内壁，其中第一组位于无缝钢管中点，其他两组分别位于两侧与中点间隔为4m处，即与无缝钢管两端间隔为2m，将两端的光纤接头引出无缝钢管；

C、采用环氧树脂类胶，对无缝钢管内的光栅传感器及光纤进行增敏灌封封装，以保护光栅光纤并提高温度灵敏度，灌封时无缝钢管两端内各留0.5m长的接合间隙；

D、将橡胶保护管裹套在两端光纤接头上，以保护光纤外露部分，完成光纤光栅传感装置的制备；

步骤二、选择测点，在井筒冻结孔内布设光纤光栅传感装置：

A、根据冻结孔的设置情况、冻结壁的设计厚度及温度监测范围的要求，选取多个冻结孔作为测点；

B、在现场用钻机钻进施工冻结孔的同时，在测点孔内布设多个光纤光栅传感装置；

C、随着钻孔深度的增加，将多个光纤光栅传感装置进行串接，先将上一光纤光栅传感装置上端的光纤接头与下一光纤光栅传感装置下端的光纤接头进行串接，并固定于无缝钢管端口以内，用有机材料进行封装保护，然后将无缝钢管上一光纤光栅传感装置无缝钢管的上端与下一光纤光栅传感装置无缝钢管的下端用活接头进行连接，后面光纤光栅传感装置的连接依次类推，如此反复，直到钻孔达到设计深度，埋设好多个光纤光栅传感装置；

步骤三、接入光栅光纤解调设备，将信号传输至计算机系统进行处理和实时监测：

A、将各测点埋设完毕的光纤光栅传感装置地表外露的光纤接头接入矿用光缆；

B、将矿用光缆接入光栅光纤解调设备；

C、将光栅光纤解调设备与计算机系统进行连接，从而将解调信号传送至计算机系统；

D、通过计算机系统采集并处理监测数据，对冻结壁进行实时温度监测。