一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，包括：

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法


[0001]本专利技术属于煤矿
，涉及一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法
。

技术介绍

[0002]煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法实现了对采空区上覆岩层减沉
、
控沉的目的，解决因采煤引起的地表塌陷
、
环境破坏等问题
。
该方法通过在直接顶水平定向长钻孔中下入随充套管，在工作面回采过程中，直接顶岩层随着采煤过程推进而垮落，套管前端裸露于采空区，通过随充套管开始往采空区注入料浆进行采空区填充
。
当该区段料浆凝固后，采煤机带动液压支架挡板继续向前推进，通常移动距离为3米至5米，此时，需要通过随充套管下入水刀，利用水力切割方式将套管切断，保证出浆口位于待填充的采空区
。
由于水刀后端连接高压软管，软管在反复下入提出过程中会有弯曲
、
扭转
、
拉伸等现象，无法通过软管长度精准控制水刀切割位置，切割位置靠前，料浆会填充到采煤工作面，影响正常采煤工作，切割位置靠后，料浆会继续填充于凝固膏体区，从而造成套管堵塞
。
因此，控制水刀切割位置变得尤为重要，需要随充套管的精准识别和定位
。
现阶段，通常采用视频方式，对采空区的裸露套管进行人为监测，但由于采空区条件受限，该方法无法精准判断套管裸露长度以及切割位置，更无法对水刀刀头进行精准定位，套管切割位置误差较大
。

技术实现思路
/>[0003]为克服上述问题，本专利技术提出一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，该方法在随充过程中，通过分布式光缆可识别随充套管裸露于采空区的具体长度，验证直接顶的垮落情况，并进一步确定水刀需要切割的精准位置
。
下入水刀后，通过分布式光缆监测刀头振动，可定位刀头的具体位置，通过实时跟踪刀头运动，将刀头定位到待切割区进行切割，完成随充套管出浆口的精准定位
。
[0004]本专利技术采用的具体方案包括：
[0005]一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，包括：
[0006]S1、
布设切割传感系统；地面垂直孔下到直接顶完成水平定向长钻孔，并沿孔设置随充套管；沿随充套管长度方向，在随充套管外壁上贴设分布式光缆，地面垂直孔段贴设通信光缆，水平定向长钻孔段贴设螺旋光缆；且在地面设置分布式解调单元，分布式解调单元与分布式光缆连接；
[0007]S2、
识别定位：在随充过程中，通过分布式光缆可识别随充套管裸露于采空区的具体长度，验证直接顶的垮落情况，并进一步确定水刀需要切割的精准位置；下入水刀后，通过分布式光缆监测刀头振动，可定位刀头的具体位置，通过实时跟踪刀头运动，将刀头定位到待切割区进行切割，完成随充套管出浆口的精准定位
。
[0008]可选的，在所述的
S1
中，还对随充套管与孔壁间注浆密封
。
[0009]可选的，所述的
S2
具体包括：
[0010]随充套管识别和水刀刀头定位两部分；
[0011]随充套管识别基于螺旋光缆段信号频带
0.5Hz
～
10Hz
的低频信号进行应变反演：当直接顶垮落后，套管围岩压力释放，应变量变小，通过螺旋光缆的应变反演，可判断随充套管尾部在采空区的裸露长度，若监测到光缆尾部区段应变值未大幅度变小，说明该区段直接顶未直接垮落；通过随充套管尾部的裸露长度，结合采煤机的推进距离，判断采空区中间区域，确定水刀切割的具体位置；
[0012]水刀刀头定位选择螺旋光缆段
60Hz
～
300Hz
的中高频段信号进行振动反演：水刀后端连接高压软管，水刀下入随充套管水平段采用高压水利输送的方式，水刀下入过程中，刀头由于高压水的推力会产生大幅度振动，刀头碰撞随充套管管壁，通过水平段螺旋光缆可感应到刀头的振动信号，从而实时定位刀头的具体位置，当判断刀头前进到切割位置后，停止输送，开始套管切割
。
[0013]可选的，所述的套管识别基于螺旋光缆段信号频带
0.5Hz
～
10Hz
的低频信号进行应变反演具体包括：
[0014]首先，对原始数据进行保真滤波处理，对滤波后的数据再进行降采样处理，使用抗混叠滤波器提取低频带；
[0015]其次，应用中值滤波器和
DC
去除滤波器来衰减脉冲噪声，将“应变
0”数据开始时间设置为前一段采空区充填完毕停止输送料浆的时刻；
[0016]最后，通过在时间方向上使用梯形数值积分将应变率域数据转换为累积应变域，在低频数据集中，筛选出信噪比最高的数据进行瀑布图成像并映射于事先确定好的坐标系上，进行一段时间背景信息采集后，工作面推进，直接顶垮落，此阶段连续进行应变变化测量，识别需要切割的套管位置，并开始从孔口下入水刀
。
[0017]可选的，水刀刀头定位选择螺旋光缆段
60Hz
～
300Hz
的中高频段信号进行振动反演具体包括：
[0018]首先，通过设置带通滤波器得到
60Hz
～
300Hz
的中高频信号；
[0019]然后根据距离分辨率设定步长，并进行快速傅里叶变换，再设定频点提取相位信息，进行相互差分消除相位噪声，解缠绕处理后对相位信号进行高通滤波，在中高频数据集中，筛选出信噪比最高的数据绘制刀头轨迹曲线，并映射于事先确定好的坐标系上
。
[0020]可选的，具体包括：
[0021]进入设置状态，预先根据井筒参数
、
随充套管和螺旋光缆长度确定长高坐标，确定传感光缆的零坐标起点位置；
[0022]进入测量状态，首先激光器产生线性扫频的连续光，光被光纤耦合器分为两部分，一部分作为探测光发射到待测光纤中，另一部分作为本地参考光；
[0023]线性扫频光的电场表达式为，单位为
N/C
：
[0024][0025]式
(1)
中
P
是光功率单位是
mW
，
ω
c
是激光的中心角频率单位是
rad/s
，
f0是扫频起始频率单位是
Hz
，
k
是扫频速度单位是
Oct/min
，
φ
(t)
是相位噪声项
,t
是时间，单位是
s
；
[0026]探测光在光纤某处产生的瑞利背向散射光的光电场表达式为：
[0027]E
RBS
(t)
＝
Eiexpj{
ω
c
(t
‑
τ
i
)+2
π...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，其特征在于，包括：
S1、
布设切割传感系统；地面垂直孔下到直接顶完成水平定向长钻孔，并沿孔设置随充套管；沿随充套管长度方向，在随充套管外壁上贴设分布式光缆，地面垂直孔段贴设通信光缆，水平定向长钻孔段贴设螺旋光缆；且在地面设置分布式解调单元，分布式解调单元与分布式光缆连接；
S2、
识别定位：在随充过程中，通过分布式光缆可识别随充套管裸露于采空区的具体长度，验证直接顶的垮落情况，并进一步确定水刀需要切割的精准位置；下入水刀后，通过分布式光缆监测刀头振动，可定位刀头的具体位置，通过实时跟踪刀头运动，将刀头定位到待切割区进行切割，完成随充套管出浆口的精准定位
。2.
根据权利要求1所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，其特征在于，在所述的
S1
中，还对随充套管与孔壁间注浆密封
。3.
根据权利要求1或2所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，其特征在于，所述的
S2
具体包括：随充套管识别和水刀刀头定位两部分；随充套管识别基于螺旋光缆段信号频带
0.5Hz
～
10Hz
的低频信号进行应变反演：当直接顶垮落后，套管围岩压力释放，应变量变小，通过螺旋光缆的应变反演，可判断随充套管尾部在采空区的裸露长度，若监测到光缆尾部区段应变值未大幅度变小，说明该区段直接顶未直接垮落；通过随充套管尾部的裸露长度，结合采煤机的推进距离，判断采空区中间区域，确定水刀切割的具体位置；水刀刀头定位选择螺旋光缆段
60Hz
～
300Hz
的中高频段信号进行振动反演：水刀后端连接高压软管，水刀下入随充套管水平段采用高压水利输送的方式，水刀下入过程中，刀头由于高压水的推力会产生大幅度振动，刀头碰撞随充套管管壁，通过水平段螺旋光缆可感应到刀头的振动信号，从而实时定位刀头的具体位置，当判断刀头前进到切割位置后，停止输送，开始套管切割
。4.
根据权利要求3所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，其特征在于，所述的套管识别基于螺旋光缆段信号频带
0.5Hz
～
10Hz
的低频信号进行应变反演具体包括：首先，对原始数据进行保真滤波处理，对滤波后的数据再进行降采样处理，使用抗混叠滤波器提取低频带；其次，应用中值滤波器和
DC
去除滤波器来衰减脉冲噪声，将“应变
0”数据开始时间设置为前一段采空区充填完毕停止输送料浆的时刻；最后，通过在时间方向上使用梯形数值积分将应变率域数据转换为累积应变域，在低频数据集中，筛选出信噪比最高的数据进行瀑布图成像并映射于事先确定好的坐标系上，进行一段时间背景信息采集后，工作面推进，直接顶垮落，此阶段连续进行应变变化测量，识别需要切割的套管位置，并开始从孔口下入水刀
。5.
根据权利要求3所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，其特征在于，水刀刀头定位选择螺旋光缆段
60Hz
～
300Hz
的中高频段信号进行振动反演具体包括：首先，通过设置带通滤波器得到
60Hz
～
300Hz
的中高频信号；然后根据距离分辨率设定步长，并进行快速傅里叶变换，再设定频点提取相位信息，进
行相互差分消除相位噪声，解缠绕处理后对相位信号进行高通滤波，在中高频数据集中，筛选出信噪比最高的数据绘制刀头轨迹曲线，并映射于事先确定好的坐标系上
。6.
根据权利要求1或2所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管的识别定位方法，其特征在于，具体包括：进入设置状态，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛琳，王云宏，王海军，鲁晶津，崔伟雄，李宇腾，徐晶，张庆庆，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：