CN105115624B - 一种工作面底板突水温度场分布式测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及底板突水温度场检测技术，具体涉及一种工作面底板突水温度场分布式测试方法，包括如下步骤：构建底板温度场螺旋式测温系统；底板温度场数据采集；底板温度场变化数据的分析；底板温度场变化特征的评价。本发明通过螺旋缠绕方式有效使得测试分布点距内的传感数据点增多，与同等直线布置类型相比，能够有明显的提高测精度；采用注浆的方式可以使得更好的耦合；分布式温度感测光纤通过冷接子插接的方式更利于实际测试中的安装；本发明能够实时动态获得底板变形引起灰岩水导升信息，依照矿井水文地质的设置精细化评价体系，在数据采集过程即可实现好的对比性，更为直观的测试底板温度场异常变化。

Description

一种工作面底板突水温度场分布式测试方法

技术领域

本发明涉及底板突水温度场检测技术，具体涉及一种工作面底板突水温度场分布式测试方法。

背景技术

采煤工作面掘进工程中存在诸多影响生产的安全隐患，主要包括底板突水、瓦斯突出等。随着开采力度加大，煤层底板受到奥灰高承压水的危害也在加剧。而且在工作面的采动过程中，由于煤层开采，下伏底板受扰动及应力场的运移出现变形破坏，原来隔水层变为承压水裂隙导升带，而引发底板突水的危害。其突水问题，还具有显著的隐蔽性、突发性、灾害性等特点。

目前，国内外学者针对底板突水机理作了大量研究与测试，设计与应用了监测预警系统，使用电磁类压力传感器或者设计水文观测孔进行人工观测记录。其中电磁类传感器在煤矿易燃易爆、强电磁干扰的环境中工作，显现出抗干扰能力差，且由于电信号远距离传输不方便，需要在井下增加许多二次仪表、中继器和电源等设备，传输成本高，且可靠性差。人工观测也存在一定不可控因，严重限制了该类传感器的实际应用。但由于底板突水影响因素繁多，导致技术方法在实际应用中具有一定的局限性，给底板突水的预测带来一定难度。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种工作面底板突水温度场分布式测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建底板温度场螺旋式测温系统：螺旋式测温装置由分布式温度感测光缆和导杆组成，将分布式温度感测光缆以螺旋的形式缠绕在导杆的外侧壁，根据现场实测数据和测试需求，控制螺旋密度，根据矿井地质条件，在工作面以及煤层底板下方设计一定角度的斜孔，然后将螺旋式测温装置安装在孔内，选取分布式光纤测试仪与螺旋式测温装置连接，形成一套完整的测温系统，依据工作面条件测试钻孔可以布置1个以上；

(2)底板温度场数据采集：因为分布式温度感测光缆不受围岩应力变化，故利用单端分布式光纤测试仪设计采集时间间隔，根据工作面的推进，重复性采集螺旋式测温装置的数据变化，即可直观观察底板温度场的变化特征；

(3)底板温度场变化数据的分析：其过程包括：1)对测试应变数据解编，剔除应变异常点及数据采集全区段应变异常时间的测试数据，并转换成所需的文件格式，2)对测试温度补偿数据解编，校准地层不同深度位置的温度补偿光缆测试结果，剔除由于环境影响引起的异常点，3)差分与积分计算，设置第一次数据采集为初始数据，后期采集数据体作为对比数据，与之进行作差实现对其不断比较，通过相关温度换算系数获得温度场变化情况，最后提取数据并绘制温度场变化时程曲线及相关剖面图；

(4)底板温度场变化特征的评价：底板温度场受到地温梯度影响，地下水温度常高于岩体温度，因此，结合矿井实测资料，根据不同地质条件下地下水温度测试标准，在测试过程中设定温度阈值和温度变化速率，当测试底板温度变量达到设定阈值或者温度场变化速率达到设定值时，即作出相应评价指标；

优选的，所述步骤(1)中，所述螺旋式测温装置植入斜孔到位后，采用注浆方式，使螺旋式测温装置与底板钻孔围岩更好的耦合，注浆后待浆液凝固方可进行测试

优选的，所述步骤(1)中的分布式温度感测光缆之间通过冷接子插接在一起；

优选的，所述步骤(1)中的导杆直径为0.05m，导杆长度为1m，可根据监测深度进行多节导杆连接，分布式温度感测光缆长度根据导杆总长度进行绕制。

有益效果：

本发明提供了一种工作面底板突水温度场分布式测试方法，由于分布式温度感测光缆具有常规电磁传感器所不具备的具有抗电磁干扰，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，采集信号具备较好稳定性；通过螺旋缠绕方式有效使得测试分布点距内的传感数据点增多，与同等直线布置类型相比，能够有明显的提高测精度，进而提高测试准确性，数据质量更高，更能够适应底板复杂条件，以及能够减小底板变形带来对传感器数据准确采集的影响；采用注浆的方式可以使得螺旋式测温装置和围岩之间无间隙，更好的耦合；分布式温度感测光缆可以分段式通过冷接子插接的方式更利于实际测试中的安装；本发明能够实时动态获得底板变形引起灰岩水导升信息，依照矿井水文地质的设置精细化评价体系，对底板温度场变化速率、变化区间进行标定。在数据采集过程即可实现好的对比性，更为直观的测试底板温度场异常变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为水位上升曲线；

图3为突水时光缆各段温度分布。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种工作面底板突水温度场分布式测试方法，包括以下步骤：

(1)构建底板温度场螺旋式测温系统：螺旋式测温装置由分布式温度感测光缆和导杆组成，将分布式温度感测光缆以螺旋的形式缠绕在导杆的外侧壁，根据现场实测数据和测试需求，控制螺旋密度，根据矿井地质条件，在工作面以及煤层底板下方设计一定角度的斜孔，然后将螺旋式测温装置安装在孔内，选取分布式光纤测试仪与螺旋式测温装置连接，形成一套完整的测温系统，依据工作面条件测试钻孔可以布置1个以上；

(2)底板温度场数据采集：因为分布式温度感测光缆不受围岩应力变化，故利用单端分布式光纤测试仪设计采集时间间隔，根据工作面的推进，重复性采集螺旋式测温装置的数据变化，即可直观观察底板温度场的变化特征；

(3)底板温度场变化数据的分析：其过程包括：1)对测试应变数据解编，剔除应变异常点及数据采集全区段应变异常时间的测试数据，并转换成所需的文件格式，2)对测试温度补偿数据解编，校准地层不同深度位置的温度补偿光缆测试结果，剔除由于环境影响引起的异常点，3)差分与积分计算，设置第一次数据采集为初始数据，后期采集数据体作为对比数据，与之进行作差实现对其不断比较，通过相关温度换算系数获得温度场变化情况，最后提取数据并绘制温度场变化时程曲线及相关剖面图；

(4)底板温度场变化特征的评价：底板温度场受到地温梯度影响，地下水温度常高于岩体温度，因此，结合矿井实测资料，根据不同地质条件下地下水温度测试标准，在测试过程中设定温度阈值和温度变化速率，当测试底板温度变量达到设定阈值或者温度场变化速率达到设定值时，即作出相应评价指标。

步骤(1)中，螺旋式测温装置植入斜孔到位后，采用注浆方式，使螺旋式测温装置与底板钻孔围岩更好的耦合，注浆后待浆液凝固方可进行测试，步骤(1)中的分布式温度感测光缆之间通过冷接子插接在一起，步骤(1)中的导杆直径为0.05m，导杆长度为1m，可根据监测深度进行多节导杆连接，分布式温度感测光缆长度根据导杆总长度进行绕制。

实施例1：

构建模拟实验环境：底板突水相似模拟实验根据矿井相关资料，经过合理的简化，以1：100比例搭建长、宽、高均为0.4m的平面应力模型，结合模拟材料配比实验研究成果，确定模型材料的配比方案，并利用公式：

G＝lbhγ_m

式中G—模型分层材料总重(不包括含水量)；l—模型长度；b—模型宽度；h—模拟岩层各分层高度；γ_m—模拟岩层各分层容重。

对各分层材料用量进行计算如下表：

模型中各岩性分层采用砂子、石膏、石灰、水泥等分别以不同比例加入适量的水分层铺设并压实固结而成，搭载整个实验模型共需要砂子71.25kg，石灰4.61kg，水泥2kg，石膏3.77kg。实验采用分层加水的方式，水温总体控制在55℃左右，每次注水高度为2.5cm。期间为了使得水流能够从底板岩层均匀的上升，人工施加一定的水压，将输水软管抬至2.5m的高度，相当于0.025Mpa的水头。模型搭载完毕，根据现场实验条件设置仪器参数。首先在未注水条件下采集岩体空间背景温度值，然后按注水间隔2.5cm高度采集一次数据，共拟采集16组数据。由于突水的突发性及难以控制性，在第7次注水时水流已完全覆盖整个煤层工作面，实验共采集10组数据。

构建底板温度场螺旋式测温系统：螺旋式测温装置由分布式温度感测光缆和导杆组成，本实施例中分布式温度感测光缆采用聚氨酯紧套光缆，其为单模光缆，光缆截面尺寸为2.0mm，重量为2kg/km。为了提高光缆应变分布测试仪的空间分辨率，将传感光缆以螺旋式的形式缠绕在导杆外侧壁，共缠绕135圈加上光缆跳线总长为20m，期间采用注浆方式方便更好地耦合，根据矿井地质条件，在工作面以及煤层底板下方设计一定角度的斜孔，然后将螺旋式测温装置安装在孔内，选取分布式光纤测试仪与螺旋式测温装置连接，形成一套完整的测温系统。

底板温度场数据采集：因为分布式温度感测光缆不受围岩应力变化，故利用单端分布式光纤测试仪设计采集时间间隔，根据工作面的推进，重复性采集螺旋式测温装置的数据变化，即可直观观察底板温度场的变化特征。

底板温度场变化数据的分析：在基于分布式光缆传感技术进行煤层工作面底板突水检测过程中，根据光缆的布里渊频移与温度之间存在相关关系，由公式：

T＝C_T·(ν_B-ν_B0)+T₀

可计算出不同布里渊频移所对应的岩体温度值，式中，T为光缆的温度，C_T为一常数即频移与温度的相关系数，ν_B为布里渊频移，ν_B0和T₀分别为自然状态下初始布里渊频移量和温度值。从而可以获取整个突水过程中底板岩层内部温度场的变化及分布情况，如图2、图3所示。

底板温度场变化特征的评价：

1)突水过程分析：根据监测数据获得突水过程中的水位上升曲线如图2，可由突水界面将煤层底板岩石分为三个层次，其一为上部未受突水影响原始状态的岩层，见图2Ⅰ区域；其二便是每次注水结束后稳定状态下的水源界面，判别原因是灰岩承压水沿着裂隙带导升时，周围岩石介质会由于水温高于自身的温度而发生温度突变，使得高于上部原始状态的岩石温度，见图2Ⅱ区域；其三即已被承压水贯穿的下部岩层，二者充分接触使得岩体温度明显高于上部各个岩层的值，见图3Ⅲ区域；图2中的Ⅱ区域水位上升曲线主要是由7次注水后的突水界面拼接而成，较为真实地反映出整个动态突水过程。同时，图2、3中第7次突水都出现了陡增的现象，原因在于此时底板岩层中已富含大量的承压水，并且岩性为砂、泥岩，其孔隙度较大于底部的灰岩层，因此以相同的水量和水压注入底板时出现上述情形。

2)温度场变化及定位分析：在实验过程中，连同导杆一起植入岩体内部的光缆会由于温度场的变化受影响，而裸露在外部的则不会发生布里渊频移。实验结果表明分布式光缆对温度场的变化有良好的探测效果，如图3，温度最终测量值基本都处于50～60℃之间，与实际注入的55℃水源在相对误差允许范围内(55℃±10％)基本吻合。

综上所述，分布式光缆传感技术不但能够灵敏地探测温度场变化，而且可以有效定位破坏区域。由图3可知，每次突水曲线的首个抬高点即突水区域零界点都不一样，正符合于分层注水情况。选取第4次突水曲线做定量分析可得，突水后水源稳定界面大致位于-32cm，与实际注水高度10cm(注水界面达到-30cm)基本相符，分布式光缆传感技术应用于采煤工作面底板突水的监测，可以直观地反映底板温度场状态以及准确地定位突水水源位置，可对煤层工作面底板突水的预防提供技术参数。

本发明提供了一种工作面底板突水温度场分布式测试方法，由于分布式温度感测光缆具有常规电磁传感器所不具备的具有抗电磁干扰，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，采集信号具备较好稳定性；通过螺旋缠绕方式有效使得测试分布点距内的传感数据点增多，与同等直线布置类型相比，能够有明显的提高测精度，进而提高测试准确性，数据质量更高，更能够适应底板复杂条件，以及能够减小底板变形带来对传感器数据准确采集的影响；采用注浆的方式可以使得螺旋式测温装置和围岩之间无间隙，更好的耦合；分布式温度感测光缆可以分段式通过冷接子插接的方式更利于实际测试中的安装；本发明能够实时动态获得底板变形引起灰岩水导升信息，依照矿井水文地质的设置精细化评价体系，对底板温度场变化速率、变化区间进行标定。在数据采集过程即可实现好的对比性，更为直观的测试底板温度场异常变化。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种工作面底板突水温度场分布式测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建底板温度场螺旋式测温系统：螺旋式测温装置由分布式温度感测光缆和导杆组成，将分布式温度感测光缆以螺旋的形式缠绕在导杆的外侧壁，根据现场实测数据和测试需求，控制螺旋密度，根据矿井地质条件，在工作面以及煤层底板下方设计一定角度的斜孔，然后将螺旋式测温装置安装在孔内，选取分布式光纤测试仪与螺旋式测温装置连接，形成一套完整的测温系统，依据工作面条件测试钻孔可以布置1个以上；

(2)底板温度场数据采集：因为分布式温度感测光缆不受围岩应力变化，故利用单端分布式光纤测试仪设计采集时间间隔，根据工作面的推进，重复性采集螺旋式测温装置的数据变化，即可直观观察底板温度场的变化特征；

(3)底板温度场变化数据的分析：其过程包括：1)对测试应变数据解编，剔除应变异常点及数据采集全区段应变异常时间的测试数据，并转换成所需的文件格式，2)对测试温度补偿数据解编，校准地层不同深度位置的温度补偿光缆测试结果，剔除由于环境影响引起的异常点，3)差分与积分计算，设置第一次数据采集为初始数据，后期采集数据体作为对比数据，与之进行作差实现对其不断比较，通过相关温度换算系数获得温度场变化情况，最后提取数据并绘制温度场变化时程曲线及相关剖面图；

(4)底板温度场变化特征的评价：底板温度场受到地温梯度影响，地下水温度常高于岩体温度，因此，结合矿井实测资料，根据不同地质条件下地下水温度测试标准，在测试过程中设定温度阈值和温度变化速率，当测试底板温度变量达到设定阈值或者温度场变化速率达到设定值时，即作出相应评价指标。

2.如权利要求1所述的工作面底板突水温度场分布式测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述螺旋式测温装置植入斜孔到位后，采用注浆方式，使螺旋式测温装置与底板钻孔围岩更好的耦合，注浆后待浆液凝固方可进行测试。

3.如权利要求1所述的工作面底板突水温度场分布式测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分布式温度感测光缆之间通过冷接子插接在一起。

4.如权利要求1所述的工作面底板突水温度场分布式测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中的导杆直径为0.05m，导杆长度为1m，可根据监测深度进行多节导杆连接，分布式温度感测光缆长度根据导杆总长度进行绕制。