CN105043449B - 监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤及其埋设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤及其埋设方法，所述分布式光纤包括上下叠设的至少2段光纤传感受载体，每一所述光纤传感受载体的外侧沿长度方向设有U型回路光纤和一根温度补偿光缆，所述U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设有保护钢筋。本发明的结构和埋设工艺简单，解决了光纤在冻结壁信息化监测过程中布置工艺、保护结构及固化方法等方面存在的问题，能准确实现对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的监测且能有效保证光纤光缆成活率。

Description

监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤及其埋设方法

技术领域

本发明涉及冻结法凿井技术领域，具体涉及一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤及其埋设方法。

背景技术

人工冻结凿井法是在深厚冲积层或富水软岩层中施工煤矿立井井筒最常用的工法之一。冻结法凿井过程中，冻结壁的变形和破坏直接关系到井筒掘砌工程能否正常进行，因此在冻结法凿井过程中对冻结壁的温度、应力和位移进行监测，根据多源信息评估冻结壁的稳定性、适时调整冻结参数，是保证井筒施工安全的关键性问题。

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发展，光纤传感器迅速崛起，相比于传统的传感器，光纤传感器敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、适应性强、可实现长距离检测以及测量范围广等显著优势。但现今在推广光纤传感器用于冻结壁信息化监测仍存在的一个主要问题就是光纤的埋设方法，具体体现为：光纤传感对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的准确监测；光纤保护装置如何设置更能确保传感器的成活率；如何减小光纤固化过程对光纤所施加的应力，尤其是剪切应力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种埋设工艺简单，能准确实现对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的监测且能有效保证光纤光缆成活率的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤及其埋设方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤，包括上下叠设的至少2段光纤传感受载体，每一段所述光纤传感受载体的外侧沿长度方向设有U型回路光纤和一根温度补偿光缆，所述U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设有保护钢筋。

优选的，所述U型回路光纤的数量为2个，2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称分布。

优选的，所述保护钢筋包括第一保护钢筋和U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋沿着所述光纤传感受载体的长度方向延伸，所述U型回路保护钢筋位于最下一段所述光纤传感受载体的U型回路光纤的下端，且其形状与所述U型回路光纤的U型部分相适配。

优选的，最下一段所述光纤传感受载体上的第一保护钢筋的下端深入到所述U型回路保护钢筋的开口部内；所述U型回路光纤的竖直部分分别位于所述第一保护钢筋的外侧，最下一段所述光纤传感受载体上的所述U型回路光纤的U型部分位于所述U型回路保护钢筋的内侧。

优选的，最下一段所述光纤传感受载体上预留有注浆渗透孔，所述注浆渗透孔设置于距离光纤传感受载体底部0.5～1.5m之间。

优选的，所述光纤传感受载体优选两端车丝的无缝钢管；

最下一段所述光纤传感受载体的底部设有端头，所述端头上设有端头导向钢筋；所述端头优选为四棱椎状。

本发明还提供一种如上述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，包括如下步骤：

(1)钻取冻结孔，并在冻结壁上的拟监测位置预留监测孔，下放冻结管作为薄壁保护管；

(2)选取分段结构的光纤传感受载体，每一段光纤传感受载体外侧沿长度方向设置U型回路光纤和一根温度补偿光缆，然后在U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设置沿光纤传感受载体的长度方向延伸的第一保护钢筋；

最下一段光纤传感受载体上预留注浆渗透孔；

(3)将U型回路光纤和温度补偿光缆在紧邻第一保护钢筋的位置封装在所述光纤传感受载体上，并保证U型回路光纤和温度补偿光缆沿长度方向的垂直线性；

(4)在薄壁保护管内侧分段高下放光纤传感受载体，下放过程中，不断调整光纤传感受载体位置，使U型回路光纤指向井筒圆心；并使得相邻两段光纤传感受载体固定连接后其上的第一保护钢筋相互对齐；

(5)光纤传感受载体全部下放完成后，在孔口处设置接线保护箱，将埋设光缆与加厚铠装护光缆熔接，布线至光纤解调设备，进行数据采集，实时监测冻结壁的温度、应力和变形；

(6)从光纤传感受载体内部进行注浆，经注浆渗透孔灌注封孔。

优选的，步骤(2)中，每一段光纤传感受载体外侧沿长度方向设置2个U型回路光纤，且每段光纤传感受载体上的2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称分布；

最下一段光纤传感受载体的U型回路光纤的底部设有U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋和U型回路保护钢筋的直径大于U型回路光纤和温度补偿光缆的直径。

优选的，步骤(3)中，通过环氧树脂灌缝胶将U型回路光纤和温度补偿光缆封装在所述光纤传感受载体上。

优选的，步骤(4)中，相邻两段光纤传感受载体用管卡固定后焊接；

相邻两段光纤传感受载体固接后采用石棉板及湿毛巾封住下放孔口；

步骤(1)中，冻结管的材质为低碳钢；

步骤(6)中，选用M20水泥净浆进行注浆。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤及其埋设方法，埋设工艺简单，解决了光纤在冻结壁信息化监测过程中布置工艺、保护结构及固化方法等方面存在的问题，能准确实现对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的监测且能有效保证光纤光缆成活率。

附图说明

图1为本发明实施例一中最下段光纤传感受载体的结构示意图；

图2为本发明实施例一中光纤传感受载体的剖面图。

附图标记说明：

1、光纤传感受载体；

2、U型回路光纤；

3、温度补偿光缆；

4、保护钢筋；

5、U型回路保护钢筋；

6、注浆渗透孔；

7、端头。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1、图2所示，一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤，包括上下叠设的至少2段光纤传感受载体1，每一段所述光纤传感受载体1的外圆周面上设置有沿轴向方向延伸的U型回路光纤2和一根轴向延伸的温度补偿光缆3，所述U型回路光纤2和温度补偿光缆3的侧方均设有保护钢筋。

于本实施例中，作为优选方案，每一段所述光纤传感受载体1的外圆周面上设置的U型回路光纤2的数量为2个，2个U型回路光纤2相对于光纤传感受载体1的中心轴线对称分布。

所述保护钢筋包括第一保护钢筋4和U型回路保护钢筋5，所述第一保护钢筋4沿着所述光纤传感受载体1的长度方向延伸，所述U型回路保护钢筋5位于最下一段所述光纤传感受载体1的U型回路光纤2的下端，且其形状与所述U型回路光纤2的U型部分相适配。

第一保护钢筋4的数量为两个，两根第一保护钢筋4相互平行，并且两个第一保护钢筋4之间具有一定的间隙。

上述结构中的第一保护钢筋4和U型回路保护钢筋5的直径均大于U型回路光纤2和温度补偿光缆3的直径。

最下一段所述光纤传感受载体1上的第一保护钢筋4的下端深入到所述U型回路保护钢筋5的开口部内；所述U型回路光纤2的竖直部分分别位于所述第一保护钢筋4的外侧，最下一段所述光纤传感受载体1上的所述U型回路光纤2的U型部分位于所述U型回路保护钢筋5的内侧。温度补偿光缆3位于其中一个第一保护钢筋4的内侧，并紧邻第一保护钢筋4设置。

最下一段所述光纤传感受载体1上预留有注浆渗透孔6，注浆渗透孔6设置于距离光纤传感受载体底部0.5～1.5m之间。

最下一段所述光纤传感受载体1的底部设有端头7，所述端头上设有端头导向钢筋。其中，端头7是由四根钢筋与光纤传感受载体相互点焊形成的四棱椎状端头。

本实施例中，所述光纤传感受载体1优选两端车丝的无缝钢管。

本发明实施例一还提供一种上述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，包括如下步骤：

(1)钻取冻结孔，并在冻结壁上的拟监测位置预留监测孔，下放冻结管作为薄壁保护管；

其中，预留的监测孔用于监测冻结壁的温度、变形和应力；冻结管优选用低碳钢管，但并不局限于此。

(2)选取分段结构的光纤传感受载体，在设置U型回路光纤和温度补偿光缆之前磨光光纤传感受载体表面，保证U型回路光纤和温度补偿光缆与光纤传感受载体粘结可靠，每一段光纤传感受载体外圆周面上设置沿轴向延伸的U型回路光纤和一根轴向延伸的温度补偿光缆，然后在U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设置沿光纤传感受载体的长度方向延伸的第一保护钢筋；

在最下一段光纤传感受载体上距离底部0.5～1.5m之间预留若干注浆渗透孔。

其中，优选的，每一段光纤传感受载体外圆周面上设置2个U型回路光纤，且每段光纤传感受载体上的2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称。最下一段光纤传感受载体的U型回路光纤的底部设有U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋和U型回路保护钢筋的直径大于U型回路光纤和温度补偿光缆的直径。

本实施例中，U型回路光纤的2个竖直部分分别设置在对应一侧的第一保护钢筋的外侧方。

(3)选用环氧树脂灌缝胶将U型回路光纤和温度补偿光缆在紧邻保护钢筋的位置封装在所述光纤传感受载体上，并保证U型回路光纤和温度补偿光缆沿长度方向的垂直线性；

(4)在薄壁保护管内侧分段高下放光纤传感受载体，下放过程中，不断调整光纤传感受载体位置，使U型回路光纤指向井筒圆心；并使得相邻两段光纤传感受载体固定连接后其上的第一保护钢筋相互对齐；

在本步骤中，若每一段光纤传感受载体外圆周面上均设置2个U型回路光纤，则2个U型回路光纤均指向井筒圆心。

其中，下放过程中，优选为预埋一段光纤传感受载体后按照步骤(3)封装下一段光纤传感受载体。

相邻两段光纤传感受载体用管卡固定后焊接。相邻两段光纤传感受载体固接后采用石棉板及湿毛巾封住下放孔口。

(5)光纤传感受载体全部下放完成后，在孔口处设置接线保护箱，将埋设光缆与加厚铠装护光缆熔接，布线至光纤解调设备，进行数据采集，实时监测冻结壁的温度、应力和变形；

(6)将M20水泥净浆从光纤传感受载体内部进行注浆，经注浆渗透孔灌注封孔。

本发明的结构和埋设工艺简单，解决了光纤在冻结壁信息化监测过程中布置工艺、保护结构及固化方法等方面存在的问题，能准确实现对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的监测且能有效保证光纤光缆成活率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤，其特征在于，包括上下叠设的至少2段光纤传感受载体，每一段所述光纤传感受载体的外侧沿长度方向设有U型回路光纤和一根温度补偿光缆，所述U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设有保护钢筋；

所述光纤传感受载体为两端车丝的无缝钢管；

最下一段所述光纤传感受载体的底部设有端头，所述端头上设有端头导向钢筋；所述端头为四棱椎状；

所述保护钢筋包括第一保护钢筋和U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋沿着所述光纤传感受载体的长度方向延伸，所述U型回路保护钢筋位于最下一段所述光纤传感受载体的U型回路光纤的下端，且其形状与所述U型回路光纤的U型部分相适配；

最下一段所述光纤传感受载体上的第一保护钢筋的下端深入到所述U型回路保护钢筋的开口部内；所述U型回路光纤的竖直部分分别位于所述第一保护钢筋的外侧，最下一段所述光纤传感受载体上的所述U型回路光纤的U型部分位于所述U型回路保护钢筋的内侧；

最下一段所述光纤传感受载体上设置有注浆渗透孔，所述注浆渗透孔设置于距离光纤传感受载体底部0.5～1.5m之间。

2.根据权利要求1所述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤，其特征在于，所述U型回路光纤的数量为2个，2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称分布。

3.一种如权利要求1～2中任一项所述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)钻取冻结孔，并在冻结壁上的拟监测位置预留监测孔，下放冻结管作为薄壁保护管；

(2)选取分段结构的光纤传感受载体，每一段光纤传感受载体外侧沿长度方向设置U型回路光纤和一根温度补偿光缆，然后在U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设置沿光纤传感受载体的长度方向延伸的第一保护钢筋；

最下一段光纤传感受载体上预留注浆渗透孔；

(3)将U型回路光纤和温度补偿光缆在紧邻第一保护钢筋的位置封装在所述光纤传感受载体上，并保证U型回路光纤和温度补偿光缆沿长度方向的垂直线性；

(4)在薄壁保护管内侧分段高下放光纤传感受载体，下放过程中，不断调整光纤传感受载体位置，使U型回路光纤指向井筒圆心；并使得相邻两段光纤传感受载体固定连接后其上的第一保护钢筋相互对齐；

(5)光纤传感受载体全部下放完成后，在孔口处设置接线保护箱，将埋设光缆与加厚铠装护光缆熔接，布线至光纤解调设备，进行数据采集，实时监测冻结壁的温度、应力和变形；

(6)从光纤传感受载体内部进行注浆，经注浆渗透孔灌注封孔。

4.根据权利要求3所述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，其特征在于，步骤(2)中，每一段光纤传感受载体外侧沿长度方向设置2个U型回路光纤，且每段光纤传感受载体上的2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称分布；

最下一段光纤传感受载体的U型回路光纤的底部设有U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋和U型回路保护钢筋的直径大于U型回路光纤和温度补偿光缆的直径。

5.根据权利要求3所述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，其特征在于，步骤(3)中，通过环氧树脂灌缝胶将U型回路光纤和温度补偿光缆封装在所述光纤传感受载体上。

6.根据权利要求3所述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，其特征在于，步骤(4)中，相邻两段光纤传感受载体用管卡固定后焊接；

相邻两段光纤传感受载体固接后采用石棉板及湿毛巾封住下放孔口；

步骤(1)中，冻结管的材质为低碳钢；

步骤(6)中，选用M20水泥净浆进行注浆。