对井壁进行监测的光纤传感器系统与变形预警的方法技术方案

本发明专利技术提供一种对井壁进行监测的光纤传感器系统与变形预警的方法，所述光纤传感器系统包括：分布式光纤传感器、光纤光栅应变传感器、外置光纤光栅温度传感器、光缆、分布式光纤解调仪、光纤光栅解调仪和计算机，若干个所述分布式光纤传感器、若干个所述光纤光栅应变传感器和若干个所述外置光纤光栅温度传感器均设置在所述井壁的内表面上；若干个所述分布式光纤传感器均通过所述光缆与所述分布式光纤解调仪连接，所述分布式光纤解调仪与所述计算机连接；所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器均通过所述光缆与所述光纤光栅解调仪连接。本发明专利技术能够对内层井壁承受的注浆压力、内层井壁变形和井壁温度进行监测。

【技术实现步骤摘要】
对井壁进行监测的光纤传感器系统与变形预警的方法
本专利技术涉及矿山建设领域，具体涉及一种对井壁进行监测的光纤传感器系统及变形预警的方法。
技术介绍
20世纪80年代以来，在大屯、徐州、淮北、兖州、永夏等矿区已有大量矿井发生了厚表土层中井壁破裂灾害，它们有的发生在井筒施工中，有的发生在矿井投产后，轻者停工停产，重者透水淹井，严重的制约了我国深立井建设的进一步发展。对井壁破裂机理的研究，形成了竖直附加力假说、采动影响假说、新构造运动假说等。大量理论分析，数值模拟和现场实测研究的成果支持了竖直附加力假说：特殊地层含水层因开采，以及冻结管拔除后的融沉而引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中与井壁相互作用，施加于井壁外表面一个附加力系。该附加力系增长到一定值时，混凝土井壁因不能承受而遭破坏。井壁破裂是厚表土层与井壁结构相互作用的结果，因此井壁破裂治理方法主要有井壁加固和地层加固两类。对处理井壁的方法已有大量的研究，主要包括：槽钢井圈喷混凝土加固法，加套井壁法，开槽卸压法。对地层进行处理的方法主要有：壁后注浆和地面注浆加固。对地层注浆目的是封堵井筒周边含水地层的水利通道，阻滞含水地层疏水，可以减缓、减少井筒周边地层的沉降，降低立井井壁所受到的竖向附加力。虽然目前关于立井表土地层的加固注浆已有大量的研究和工程实践，但是随着煤炭资源开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内部分矿井相继进人了深部煤炭开采状态，越来越多的立井井筒需要穿越深厚的冲积层。特别是，随着井筒穿越的冲积层越厚，其壁后土层的固结程度越大，可注性能越来越差。显然，进行深立井地层进行加固注浆，必须适当的提高注浆压力，但是，若单纯通过增大注浆压力，极容易产生劈裂注浆，过大的注浆压力会直接作用于井筒，而造成井筒的破坏。为监测井筒注浆治理期间井壁的受力状态，分析注浆浆液的压力扩散范围，确保矿井在综合治理期间的安全生产，必须对整个注浆过程进行实时监测，而整个监测系统充分的发挥其预警作用必须首先针对井壁目前受力状况确定井壁变形的预警值。因此，开展既有井筒条件下深立井地层加固注浆过程中井壁监测系统与变形预警值确定方法的研究迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种对井壁进行监测的光纤传感器系统与变形预警的方法，本专利技术的技术方案解决了既有井筒条件下深立井地层加固注浆过程中井壁的监测问题，并且给出了由井壁目前受力状况而确定的井壁变形预警值的确定方法，能够填补目前尚无在既有井筒条件下深立井地层加固注浆监测系统和变形预警值确定方法的空白，是井筒破裂综合治理方案的重要组成部分，确保了矿井在综合治理期间的安全生产，极大地提高了深立井地层加固注浆的安全性，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种对井壁进行监测的光纤传感器系统，用于既有井筒条件下的深立井进行地层加固注浆的过程中对所述井壁进行监测，进而对变形进行预警，其特征在于，所述光纤传感器系统包括：分布式光纤传感器、光纤光栅应变传感器、外置光纤光栅温度传感器、光缆、分布式光纤解调仪、光纤光栅解调仪和计算机，若干个所述分布式光纤传感器、若干个所述光纤光栅应变传感器和若干个所述外置光纤光栅温度传感器均设置在所述井壁的内表面上；若干个所述分布式光纤传感器均通过所述光缆与所述分布式光纤解调仪连接，所述分布式光纤解调仪与所述计算机连接，由所述分布式光纤解调仪向所述计算机传递解调后的所述分布式光纤传感器采集的波长信号；所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器均通过所述光缆与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与所述计算机连接，由所述光纤光栅解调仪向所述计算机传递解调后的所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器采集的波长信号。进一步地，在上述光纤传感器系统中，沿所述井壁的竖直方向上还设置有一至两个卸压槽监测层位，所述卸压槽监测层位设置在所述井壁的卸压槽的位置上；所述光纤传感器系统还包括有：光纤光栅长标距传感器、光纤光栅角度传感器和光纤光栅位移传感器；在所述卸压槽监测层位内若干个所述光纤光栅长标距传感器、若干个所述光纤光栅角度传感器、若干个所述光纤光栅位移传感器和若干个所述外置光纤光栅温度传感器均设置在所述井壁的内表面上；所述光纤光栅长标距传感器、所述光纤光栅角度传感器、所述光纤光栅位移传感器和所述外置温度传感器均通过所述光缆与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与所述计算机连接，由所述光纤光栅解调仪向所述计算机传递解调后的所述光纤光栅长标距传感器、所述光纤光栅角度传感器和、所述光纤光栅位移传感器和所述外置光纤光栅温度传感器采集的波长信号。进一步地，在上述光纤传感器系统中，沿所述井壁的内表面竖向设置有多个所述分布式光纤传感器；沿所述井壁的竖直方向上还设置有多个水平的正常监测层位，每个所述正常监测层位包括一个沿所述井壁的内表面环向设置的所述分布式光纤传感器、多个沿所述井壁的内表面竖向和多个沿所述井壁的内表面环向设置的所述光纤光栅应变传感器、多个沿所述井壁的内表面竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器和一条所述光缆，其中，沿所述井壁的内表面环向设置的所述光纤光栅应变传感器的内部均设置有一个内置光纤光栅温度传感器；每个所述卸压槽监测层位包括多个沿所述井壁的内表面竖向设置的所述光纤光栅长标距传感器、多个在所述井壁的内表面上设置的所述光纤光栅角度传感器、多个沿所述井壁的内表面竖向设置的所述光纤光栅位移传感器、多个沿所述井壁的卸压槽的内表面竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器和一条所述光缆，其中，所述光纤光栅长标距传感器的内部均设置有一个所述内置光纤光栅温度传感器。进一步地，在上述光纤传感器系统中，沿所述井壁竖向设置的所述分布式光纤传感器共有二至四根，每根竖向设置的所述分布式光纤传感器均由所述井壁的顶端延伸至所述井壁的底端，竖向设置的所述分布式光纤传感器均匀分布在所述井壁的内表面上；在每个所述正常监测层位内环向设置的所述分布式光纤传感器沿所述井壁的内表面形成一个圆；在每个所述正常监测层位内竖向设置的所述光纤光栅应变传感器设置有四至八个、环向设置的所述光纤光栅应变传感器设置有四至八个、竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器设置有一至两个，在一个所述正常监测层位内竖向设置的所述光纤光栅应变传感器与环向设置的所述光纤光栅应变传感器的数量相同；在一个所述正常监测层位内的竖向设置的所述光纤光栅应变传感器均匀分布在所述井壁的内表面上、环向设置的所述光纤光栅应变传感器均匀分布在所述井壁的内表面上。进一步地，在上述光纤传感器系统中，在每个所述卸压槽监测层位内设置有：所述光纤光栅长标距传感器、所述光纤光栅角度传感器、所述光纤光栅位移传感器和所述外置光纤光栅温度传感器；所述光纤光栅长标距传感器沿所述井壁的内表面竖向设置有四至八个、所述光纤光栅角度传感器在所述井壁的内表面上设置有二至六个、所述光纤光栅位移传感器沿所述井壁的内表面竖向设置有二至六个、所述外置光纤光栅温度传感器在所述井壁的内表面上设置有一至两个；在一个所述卸压槽监测层位内所述光纤光栅长标距传感器均匀分布在所述井壁的内表面上、所述光纤光栅角度传感器均匀分布在所述井壁的内表面上、所述光纤光栅位移传感器均匀分布在所述井壁的内表面上和所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对井壁进行监测的光纤传感器系统，用于既有井筒条件下的深立井进行地层加固注浆的过程中对所述井壁进行监测，进而对变形进行预警，其特征在于，所述光纤传感器系统包括：分布式光纤传感器、光纤光栅应变传感器、外置光纤光栅温度传感器、光缆、分布式光纤解调仪、光纤光栅解调仪和计算机，若干个所述分布式光纤传感器、若干个所述光纤光栅应变传感器和若干个所述外置光纤光栅温度传感器均设置在所述井壁的内表面上；若干个所述分布式光纤传感器均通过所述光缆与所述分布式光纤解调仪连接，所述分布式光纤解调仪与所述计算机连接，由所述分布式光纤解调仪向所述计算机传递解调后的所述分布式光纤传感器采集的波长信号；所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器均通过所述光缆与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与所述计算机连接，由所述光纤光栅解调仪向所述计算机传递解调后的所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器采集的波长信号。

【技术特征摘要】
1.一种对井壁进行监测的光纤传感器系统，用于既有井筒条件下的深立井进行地层加固注浆的过程中对所述井壁进行监测，进而对变形进行预警，其特征在于，所述光纤传感器系统包括：分布式光纤传感器、光纤光栅应变传感器、外置光纤光栅温度传感器、光缆、分布式光纤解调仪、光纤光栅解调仪和计算机，若干个所述分布式光纤传感器、若干个所述光纤光栅应变传感器和若干个所述外置光纤光栅温度传感器均设置在所述井壁的内表面上；若干个所述分布式光纤传感器均通过所述光缆与所述分布式光纤解调仪连接，所述分布式光纤解调仪与所述计算机连接，由所述分布式光纤解调仪向所述计算机传递解调后的所述分布式光纤传感器采集的波长信号；所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器均通过所述光缆与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与所述计算机连接，由所述光纤光栅解调仪向所述计算机传递解调后的所述光纤光栅应变传感器和所述外置光纤光栅温度传感器采集的波长信号。2.根据权利要求1所述的光纤传感器系统，其特征在于，沿所述井壁的竖直方向上还设置有一至两个卸压槽监测层位，所述卸压槽监测层位设置在所述井壁的卸压槽的位置上；所述光纤传感器系统还包括有：光纤光栅长标距传感器、光纤光栅角度传感器和光纤光栅位移传感器；在所述卸压槽监测层位内若干个所述光纤光栅长标距传感器、若干个所述光纤光栅角度传感器、若干个所述光纤光栅位移传感器和若干个所述外置光纤光栅温度传感器均设置在所述井壁的内表面上；所述光纤光栅长标距传感器、所述光纤光栅角度传感器、所述光纤光栅位移传感器和所述外置温度传感器均通过所述光缆与所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与所述计算机连接，由所述光纤光栅解调仪向所述计算机传递解调后的所述光纤光栅长标距传感器、所述光纤光栅角度传感器和、所述光纤光栅位移传感器和所述外置光纤光栅温度传感器采集的波长信号。3.根据权利要求2所述的光纤传感器系统，其特征在于，沿所述井壁的内表面竖向设置有多个所述分布式光纤传感器；沿所述井壁的竖直方向上还设置有多个水平的正常监测层位，每个所述正常监测层位包括一个沿所述井壁的内表面环向设置的所述分布式光纤传感器、多个沿所述井壁的内表面竖向和多个沿所述井壁的内表面环向设置的所述光纤光栅应变传感器、多个沿所述井壁的内表面竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器和一条所述光缆，其中，沿所述井壁的内表面环向设置的所述光纤光栅应变传感器的内部均设置有一个内置光纤光栅温度传感器；每个所述卸压槽监测层位包括多个沿所述井壁的内表面竖向设置的所述光纤光栅长标距传感器、多个在所述井壁的内表面上设置的所述光纤光栅角度传感器、多个沿所述井壁的内表面竖向设置的所述光纤光栅位移传感器、多个沿所述井壁的卸压槽的内表面竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器和一条所述光缆，其中，所述光纤光栅长标距传感器的内部均设置有一个所述内置光纤光栅温度传感器。4.根据权利要求3所述的光纤传感器系统，其特征在于，沿所述井壁竖向设置的所述分布式光纤传感器共有二至四根，每根竖向设置的所述分布式光纤传感器均由所述井壁的顶端延伸至所述井壁的底端，竖向设置的所述分布式光纤传感器均匀分布在所述井壁的内表面上；在每个所述正常监测层位内环向设置的所述分布式光纤传感器沿所述井壁的内表面形成一个圆；在每个所述正常监测层位内竖向设置的所述光纤光栅应变传感器设置有四至八个、环向设置的所述光纤光栅应变传感器设置有四至八个、竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器设置有一至两个，在一个所述正常监测层位内竖向设置的所述光纤光栅应变传感器与环向设置的所述光纤光栅应变传感器的数量相同；在一个所述正常监测层位内的竖向设置的所述光纤光栅应变传感器均匀分布在所述井壁的内表面上、环向设置的所述光纤光栅应变传感器均匀分布在所述井壁的内表面上。5.根据权利要求3所述的光纤传感器系统，其特征在于，在每个所述卸压槽监测层位内设置有：所述光纤光栅长标距传感器、所述光纤光栅角度传感器、所述光纤光栅位移传感器和所述外置光纤光栅温度传感器；所述光纤光栅长标距传感器沿所述井壁的内表面竖向设置有四至八个、所述光纤光栅角度传感器在所述井壁的内表面上设置有二至六个、所述光纤光栅位移传感器沿所述井壁的内表面竖向设置有二至六个、所述外置光纤光栅温度传感器在所述井壁的内表面上设置有一至两个；在一个所述卸压槽监测层位内所述光纤光栅长标距传感器均匀分布在所述井壁的内表面上、所述光纤光栅角度传感器均匀分布在所述井壁的内表面上、所述光纤光栅位移传感器均匀分布在所述井壁的内表面上和所述外置光纤光栅温度传感器均匀分布在所述井壁的内表面上。6.根据权利要求3所述的光纤传感器系统，其特征在于，在所述正常监测层位内竖向设置的所述光纤光栅应变传感器为单波长应变传感器，两个竖向设置的所述光纤光栅应变传感器之间的初始应变波长的间隔为4nm；在所述正常监测层位环向设置的所述光纤光栅应变传感器为双波长应变传感器，两个环向设置的所述光纤光栅应变传感器之间的初始应变波长的间隔为4nm、初始温度波长的间隔为1.5nm；所述光纤光栅长标距传感器为双波长应变传感器，两个所述光纤光栅长标距传感器之间的初始应变波长的间隔为4nm、初始温度波长的间隔为1.5nm；所述光纤光栅位移传感器为单波长应变传感器，两个所述光纤光栅位移传感器之间的初始波长的间隔为4nm；所述光纤光栅角度传感器为单波长应变传感器，两个所述光纤光栅角度传感器之间的初始波长的间隔为4nm；所述外置光纤光栅温度传感器为单波长应变传感器，两个所述外置光纤光栅温度传感器之间的初始波长的间隔为1.5nm；设置在环向设置的所述光纤光栅应变传感器的内部的所述内置光纤光栅温度传感器对环向设置的所述光纤光栅应变传感器进行温度补偿，设置在所述正常监测层位竖向设置的所述外置光纤光栅温度传感器对竖向设置的所述光纤光栅应变传感器进行温度补偿，设置在所述卸压槽监测层位的所述光纤光栅长标距传感器内部的所述内置光纤光栅温度传感器对所述光纤光栅长标距传感器进行温度补偿，设置在所述卸压槽监测层位的所述外置光纤光栅温度传感器对所述光纤光栅角度传感器和所述光纤光栅位移传感器进行温度补偿。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：程桦，彭世龙，荣传新，姚直书，王晓健，孙家应，余大有，李华，黎明镜，唐彬，张楠，林键，王志，王彬，段寅，刘小虎，
申请(专利权)人：安徽理工大学，安徽省煤田地质局第一勘探队，
类型：发明
国别省市：安徽,34