CN113447074B - 基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，利用混凝土井壁沿线布设的应变传感光纤:计算井壁与岩土体的垂直沉降量，确定岩土体含水层变化引起的井壁所受附加应力，根据井壁内外温度差异，建立井壁内、外壁温度与切向应力之间关系，确定井壁受力特征，结合井壁与岩土体温度的分布式测量，确定冻结深度；建立传感光纤所受剪应力与应变梯度之间关系，确定井壁裂隙发育位置；当井壁受含水层水压、冻土压力及注浆压力作用下发生破裂时，地下水或注浆浆液沿裂隙流动并形成井壁温度的降低区，通过对温度降低区的辨识，确定裂隙发育位置,该方法具有分布式监测、辨识简便、精度高的特点。
Description
技术领域
本发明是一种煤矿井壁变形状态辨识方法，特别是基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法。
背景技术
井筒是煤矿生产的咽喉部位，井壁破裂和局部失稳影响煤炭企业的正常生产和井下煤矿工人的生命安全。有关井壁变形破坏状态辨识方面，主要采用几何测量法、传感器监测法及分布式光纤监测法。几何测量法，通过测量混凝土井壁变形量，确定井壁的稳定性，但该方法只限于表面量测、监测精度低。传感器监测法，主要采用电感式、振弦式及光纤光栅式应变和温度传感光纤，监测井壁变形破坏特征，该方法属于点式测量，存在漏检、高寒区中传感器适应性低的问题。分布式光纤监测法，还未形成井壁内部混凝土受力状况、裂隙分布和冻土层深度确定方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模型简单、易于操作的基于分布式光纤感测技术的高寒区立井井壁变形破坏状态辨识方法，通过井壁深度范围内应变和温度参量的连续量测，获得井壁冻结深度、混凝土受力状态和裂隙发育分布，及时掌握含水层水压、冻结压力及注浆压力等作用下井壁变形破坏状态，确保立井井壁的安全稳定。
本发明采用的技术方案是：一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，具体方法如下：
步骤1)辨识井壁受力特征
1.1)根据井壁和周围岩土体中传感光纤所测的应变分布，分别计算井壁和周围岩土体的沉降量，确定周围岩土体对井壁的附加应力。
有关井壁和周围岩土体的沉降计算公式为
式中，S为基于分布式实测应变的井壁或井壁周围岩土体的沉降量；εm为实测应变；n为采用点数量；li和li+1分别为井壁或井壁周围岩土体中任意段埋深范围。
有关周围岩土体对井壁的附加应力为
式中，q为附加应力；E为井壁混凝土弹性模量；r为井壁的外径；εi和εi+1分别为井壁埋深分别为hi和hi+1的实测应变。
1.2)根据温度传感光纤测量井壁内外温度差异，建立井壁内、外壁温度与切向应力之间关系，确定井壁受力特征
式中，σx为切向应力；E为井壁的弹性模量；α为井壁的材料膨胀系数；μ为井壁混凝土材料的泊松比；ΔT为沿井壁壁厚各点的温度变化值；
分别为井壁传感光纤环向应变梯度和纵向应变梯度；
1.3)利用混凝土井壁沿线布设的应变传感光纤，建立应变传感光纤所受剪应力与应变梯度之间关系，确定井壁裂隙发育位置，即
式中τ为应变传感光纤与井壁混凝土之间的剪应力；E为应变传感光纤的弹性模量；D为应变传感光纤的直径；
为应变传感光纤沿深度的应变梯度；
裂隙上、下应变传感光纤剪应力受力方向互为相向，且[σ]＝E·ε大于井壁混凝土的抗拉强度σb时，井壁发生裂隙；
步骤2)当高寒区含水层冻胀压力、水压力及注浆压力等作用下井壁发生变形破坏时，利用井壁和周围岩土体沿线布设的应变传感光纤，计算岩土体沉降量对井壁的附加应力，确定井壁变形破坏位置。
步骤3)利用井壁沿线布设的温度传感光纤，当井壁受含水层水压、冻土压力及注浆压力作用下发生破裂时，地下水或注浆浆液沿裂隙流动并形成井壁温度的降低区，通过对温度降低区的辨识，确定裂隙发育位置。
进一步的，温度降低区的确定方法包括：1)基于井壁沿线布设的温度传感光纤，测量井壁温度分布，当测得温度低于零度时，确定井壁冻结深度；或
2)通过含有碳纤维加热丝的温度传感光纤，计算井壁沿线温度梯度，通过温度梯度的特征点，确定井壁冻结深度，温度梯度的计算公式为
TG为温度梯度；k为比例系数；T为温度传感光纤所测岩土体和混凝土温度；T0为通过碳纤维加热丝控制的温度传感光纤基础温度。
进一步的，分别在立井的井壁与岩土体边界、立井外壁与立井内壁之间及立井内壁表面周向布设多根垂向的传感光纤，传感光纤沿立井法向铺设；同时沿立井内壁布设环向的传感光纤，传感光纤沿立井深度设置多个，所有传感光纤以首尾相连方式熔接后，与预留在井口的光缆进行熔接并铺设至监测室，通过光缆与分布式光纤解调仪连接后，测量井壁沿线应变和温度参量。
更进一步的，所采用的传感光纤为一体式应变、温度传感光纤，应变传感光纤为紧套传感光纤，温度传感光纤为松套传感光纤，将温度传感光纤测量数据作为温度补偿，校准应变传感光纤量值。
更进一步的，所述传感光纤与护套之间添加碳纤维加热丝，加热丝连通电源之后可以调节传感光纤的温度值。
更进一步的，所述传感光纤可以设置为单独的应变光纤和温度光纤。
更进一步的，沿立井井壁开凹槽，凹槽的宽度为3mm、深度为5mm，传感光纤嵌装于凹槽内，待传感光纤布设后，采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂进行充填。
与现有技术相比，本发明采用一种新颖的高寒区立井井壁应变和温度分布式光纤监测方法，通过井壁沿线设置的应变和温度传感光纤，探测出沿着光纤不同位置的应变和温度变化，精准确定井壁冻结深度、井壁内裂隙发育分布及井壁受力状态，实现立井井壁变形的实时判识，及时对井壁裂隙和混凝土强度较弱的位置进行注浆维护，避免灾害发生。该方法具有模型简单、全断面状态辨识及成本低廉等特点，可用于各种施工工艺下立井井壁的裂隙分布、冻结深度及混凝土壁强度的状态辨识，在本方法领域内具有广泛的操作性和实用性。
附图说明
图1是本发明的立井井壁分布式光纤监测方法布置示意图；
图2是是本发明图1的俯视示意图。
图中：1、立井内壁，2、立井外壁，3、光缆，4、一体式应变、温度传感光纤，5、岩土体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
实施步骤：如图1和图2所示，沿立井沿壁和环向开挖宽度为3mm、深度为5mm的凹槽，沿井壁竖向分别在井壁与岩土体5边界、立井外壁2与立井内壁1之间及立井内壁1表面布设一体式应变、温度传感光纤4，应变传感光纤为紧套传感光纤，温度传感光纤为松套传感光纤；同时沿立井内壁1环向位置布设类似的环向传感光纤；待所有传感光纤布设后，采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂进行充填，确保光纤与井壁及岩土体5紧密结合，所使用的含有碳纤维加热丝的温度传感光纤结构为，在传感光纤与护套之间添加碳纤维加热丝，加热丝连通电源之后可以调节传感光纤的温度值，用于测定井壁的温度值与变形量，将温度传感光纤测量数据作为温度补偿，校准应变传感光纤量值；将所有传感光纤首尾相连方式熔接后，与预留在井口的光缆进行熔接并铺设至监测室，通过光缆与分布式光纤解调仪连接后，测量井壁应变和温度参量。
如图1所示，一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，包括冻土带深度、井壁受力状态及裂隙分布确定方法，其具体方法如下：
步骤1)有关混凝土井壁受力特征辨识方法
1.1)根据井壁和周围岩土体中传感光纤所测的应变分布，分别计算井壁和周围岩土体的沉降量，确定周围岩土体对井壁的附加应力。
有关井壁和周围岩土体的沉降计算公式为
式中，S为基于分布式实测应变的井壁或井壁周围岩土体的沉降量；εm为实测应变；n为采用点数量；li和li+1分别为井壁或井壁周围岩土体中任意段埋深范围。
有关周围岩土体对井壁的附加应力为
式中，q为附加应力；E为井壁混凝土弹性模量；r为井壁的外径；εi和εi+1分别为井壁埋深分别为hi和hi+1的实测应变。
1.2)根据温度传感光纤测量井壁内外温度差异，建立井壁内外壁温度与切向应力之间关系，确定井壁受力特征，
式中，σx为切向应力；E为井壁的弹性模量，Pa；α为井壁的材料膨胀系数；μ为井壁混凝土材料的泊松比；ΔT为沿井壁壁厚各点的温度变化值；
分别为井壁传感光纤环向应变梯度和纵向应变梯度。
1.3)利用混凝土井壁沿线布设的垂向传感光纤，建立传感光纤所受剪应力与应变梯度之间关系，确定井壁裂隙发育位置，即
式中，τ为传感光纤与井壁混凝土之间的剪应力，以指向上取正值，指向下取负值；E为传感光纤的弹性模量；D为传感光纤的直径；
为传感光纤沿深度的应变梯度；
裂隙上下传感光纤剪应力方向为互为相向，且[σ]＝E·ε大于井壁混凝土的抗拉强度σb时，井壁发生裂隙。
裂隙发育位置的确定精度为0.05m，裂隙大小为0-3cm，针对混凝土井壁的受力状态，将井壁预警级别分为高、中、低，分别对应井壁混凝土受力的弹塑性状态、塑性状态和破裂状态。
步骤2)利用井壁沿线布设的温度传感光纤，当井壁受含水层水压、冻土压力及注浆压力作用下发生破裂时，地下水或注浆浆液沿裂隙流动并形成井壁温度的降低区，通过对温度降低区的辨识，确定裂隙发育位置。
有关冻结深度确定方法为：(1)基于井壁沿线布设的温度传感光纤，测量井壁温度分布，当分布式光纤所测的温度低于零度时，确定井壁冻结深度；
(2)通过含有碳纤维加热丝的温度传感光纤，计算井壁沿线温度梯度，通过温度梯度的特征点，确定井壁冻结深度。
Claims (5)
1.一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，具体方法如下：
步骤1)辨识井壁受力特征
1.1)根据井壁和周围岩土体中传感光纤所测的应变分布，分别计算井壁和周围岩土体的沉降量，确定周围岩土体对井壁的附加应力
有关井壁和周围岩土体的沉降计算公式为：
式中，S为基于分布式实测应变的井壁或井壁周围岩土体的沉降量；εm为实测应变；n为采样点数量；li和li+1分别为井壁或井壁周围岩土体中任意段埋深范围；
有关周围岩土体对井壁的附加应力为：
式中，q为附加应力；E为井壁混凝土弹性模量；r为井壁的外径；εi和εi+1分别为井壁埋深分别为hi和hi+1的实测应变；
1.2)根据温度传感光纤测量井壁内外温度差异，建立井壁内、外壁温度与切向应力之间关系，确定井壁受力特征，计算公式为：
式中，σx为切向应力；E为井壁的弹性模量；α为井壁的材料膨胀系数；μ为井壁混凝土材料的泊松比；ΔT为沿井壁壁厚各点的温度变化值；
分别为井壁传感光纤环向应变梯度和纵向应变梯度；
1.3)利用混凝土井壁沿线布设的应变传感光纤，建立应变传感光纤所受剪应力与应变梯度之间关系，确定井壁裂隙发育位置，即
式中，τ为应变传感光纤与井壁混凝土之间的剪应力；E为应变传感光纤的弹性模量；D为应变传感光纤的直径；
为应变传感光纤沿深度的应变梯度；
裂隙上、下应变传感光纤剪应力受力方向互为相向，且[σ]＝E·ε大于井壁混凝土的抗拉强度σb时，井壁发生裂隙；
步骤2)当高寒区含水层冻胀压力、水压力及注浆压力等作用下井壁发生变形破坏时，利用井壁和周围岩土体沿线布设的应变传感光纤，计算岩土体沉降量对井壁的附加应力，确定井壁变形破坏位置；
步骤3)利用井壁沿线布设的温度传感光纤，当井壁受含水层水压、冻土压力及注浆压力作用下发生破裂时，地下水或注浆浆液沿裂隙流动并形成井壁温度的降低区，通过对温度降低区的辨识，确定裂隙发育位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，所述的温度降低区的确定方法包括：
1)基于井壁沿线布设的温度传感光纤，测量井壁温度分布，当温度传感光纤所测的温度低于零度时，确定井壁冻结深度；或
2)通过含有碳纤维加热丝的温度传感光纤，测量井壁温度分布，计算井壁沿线温度梯度，根据温度梯度的特征点，确定井壁冻结深度,温度梯度的计算公式为
式中，TG为温度梯度；k为比例系数；T为温度传感光纤所测岩土体和混凝土温度；T0为通过碳纤维加热丝控制的温度传感光纤基础温度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，分别在立井周围岩土体、井壁与岩土体边界、立井外壁与立井内壁之间及立井内壁表面布设多根垂向传感光纤；同时沿立井内壁表面环向布设传感光纤，传感光纤沿立井深度设置多层；所有传感光纤以首尾相连方式熔接后，与预留在井口的光缆进行熔接并铺设至监测室，通过光缆与分布式光纤解调仪连接后，测量井壁沿线应变和温度参量；所述的传感光纤为一体式应变、温度传感光纤，将温度传感光纤测量数据作为温度补偿，校准应变传感光纤量值。
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，所述应变传感光纤为紧套传感光纤；温度传感光纤分为两种，一种为松套传感光纤；另一种为在松套传感光纤的传感光纤与护套之间添加碳纤维加热丝，加热丝连通电源之后能够调节传感光纤的温度值。
5.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，沿立井井壁开凹槽，凹槽的宽度为3mm、深度为5mm，传感光纤嵌装于凹槽内，待传感光纤布设后，采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂进行充填。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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