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1、基于分布式光纤检测技术的井筒稳定性健康诊断摘要：井筒作为立井生产过程中的唯一通道，它的安全直接影响着煤矿的效益。本文基于分 布式光纤传感技术，通过预埋在井筒内的传感光纤，探讨了光纤监测技术在井筒监测方面的 可行性，提出了井筒发生变形时的应变、温度及偏斜变形时的检测过程。基于分布式光纤监 测技术对井筒的监测，可以达到全面、实时、自动、长期监测的目的，并及时检测井筒的安 全隐患。关键字：光纤 井筒 监测 健康诊断1 引言井筒作为立井生产过程必须经过的唯一通道，它的安全与否直接影响煤矿的正常生产。 由于井筒所处地质性质千差万别，地层条件、井壁受力状况复杂多样，井筒在建井过程中或 运行过程中出现变形破
2、裂、破坏，从而对煤矿生产带来巨大的经济财产损失和人员伤亡事故 发生1。现在对井筒井壁破坏的原因分析有很多2，无论哪种原因造成的井壁破裂，井壁的变形、 破坏是一个缓慢的非线性变形。如果对井筒运营过程中的井壁的状况进行监控，掌握井筒的 安全状态，寻求井筒变形的内在规律，并对井筒变形破坏机理和影响因素进行深入科学地分 析，就可以提前发现矿井开采过程中的井壁的潜在危险因素，从而采取有效措施，确保井筒 连续的生产运行，具有十分重要的意义3。对于井筒监测来说由于测试环境恶劣、立井井筒施工工艺复杂及作业空间狭小，作业时 间仓促等原因，对监测工作提出了很大的难题4。目前国内外对于井壁监测方法有，传感器 测量法
3、、几何测量法及动力检测法等方法5。传感器测量法是通过应变计、钢筋计、压力盒、 沉降仪等传感器测量井壁的应变、沉降等局部变形量，但由于这些传感器均属于点式传感器， 具有以下缺点：埋设少时容易出现漏检；埋设太多传感器，则由于引线过多影响结构稳定性； 以及传感器与传导线的交接处易于接触不良、断裂而使检测点失效、成活率较低等缺点，在 检测中不足以获取井筒稳定状态的所有特征量，难以实现井筒安全预警6-8 。几何测量法有钢丝绳基准线法、精密钢卷尺伸长法、倒垂线法、超铟棒位移监测法等方 法，这些方法是直接测量井壁整体变形状况。但这些方法的观测结果不精确、观测时间占用 井筒，仅限于表面数据，自动化程度低、精度
4、差、安装不便、不能掌握井壁局部受力状况、 监测效果不甚理想等缺点。另外，已使用的很多监测系统都是由专人定时到现场采集数据， 这样一方面不利于有关单位随时掌握井壁变形、受力信息，另一方面获取的信息量往往过少， 极有可能漏检具有代表性的数据，从而给井壁的受力状况分析带来困难。动力检测法作为间接的测试方法，动态成分高、容易受外界环境的干扰，很难达到井筒 需要的检测精度。因此，具有全自动长期定时和实时监测功能的监测系统就非常的必要9。布里渊光时域反射测量技术（简称BOTDR）是一项全分布式尖端检测技术，具有分布式、 一端检测、不需回路、长距离、耐久性好、抗干扰强、与被测物协调性能好等优点，可以弥 补上
5、述检测技术的不足，已成为一些主要发达国家竞相研发的一项尖端检测技术10，11。井筒作为立井生产过程必须经过的唯一通道，它的安全与否直接影响煤矿的正常生产。 由于井筒所处地质性质千差万别，地层条件、井壁受力状况复杂多样，井筒在建井过程中或 运行过程中出现变形破裂、破坏，从而对煤矿生产带来巨大的经济财产损失和人员伤亡事故 发生。17。现在对井筒井壁破坏的原因分析有很多19，无论哪种原因造成的井壁破裂，井壁的变 形、破坏是一个缓慢的非线性变形。如果对井筒运营过程中的井壁的状况进行监控，掌握井 筒的安全状态，寻求井筒变形的内在规律，并对井筒变形破坏机理和影响因素进行深入科学 地分析，就可以提前发现矿井
6、开采过程中的井壁的潜在危险因素，从而采取有效措施，确保 井筒连续的生产运行，具有十分重要的意义1。对于井筒监测来说由于测试环境恶劣、立井井筒施工工艺复杂及作业空间狭 小，作业时间仓促等原因，对监测工作提出了很大的难题16。目前国内外对于井 壁监测方法有，传感器测量法、几何测量法及动力检测法等方法14。传感器测量法是通过 应变计、钢筋计、压力盒、沉降仪等传感器测量井壁的应变、沉降等局部变形量，但由于这 些传感器均属于点式传感器，具有以下缺点：埋设少时容易出现漏检；埋设太多传感器，则 由于引线过多影响结构稳定性；以及传感器与传导线的交接处易于接触不良、断裂而使检测 点失效、成活率较低等缺点，在检测
7、中不足以获取井筒稳定状态的所有特征量，难以实现井 筒安全预警。【3】【20】21315。几何测量法有钢丝绳基准线法、精密钢卷尺伸长法、倒垂线法、超铟棒位移监测法等方 法，这些方法是直接测量井壁整体变形状况。但这些方法的观测结果不精确、观测时间占用 井筒，仅限于表面数据，自动化程度低，精度差，安装不便，不能掌握井壁局部受力状况， 监测效果不甚理想等缺点。另外，已使用的很多监测系统都是由专人定时到现场采集数据， 这样一方面不利于有关单位随时掌握井壁变形、受力信息，另一方面获取的信息量往往过少， 极有可能漏采具有代表性的数据，从而给井壁的受力状况分析带来困难。动力检测法作为间接的测试方法，动态成分高
8、，容易受外界环境的干扰，很难达到井筒 需要的检测精度。因此，具有全自动长期定时和实时监测功能的监测系统就非常的必要。11布里渊光时域反射测量技术（简称BOTDR）是一项全分布式尖端检测技术，具有分布式、 一端检测、不需回路、长距离、耐久性好、抗干扰强、与被测物协调性能好等优点，可以弥 补上述检测技术的不足，已成为一些主要发达国家竞相研发的一项尖端检测技术4，5。近几年来，一些科研人员对立井井筒采动损害、变形监测与治理提出的一些新方 法，取得了一定的效果，但还没有从根本上消除井筒损害对煤矿安全生产的威胁。井筒在运营期间的监测与维护是矿井安全生产中至关重要的工作内容。有必要对立井 井筒进行变形监测
9、,获得监测数据,为进行合理的支护初始设计提供可靠的数据, 判断支护初始设计的合理性和可靠性,井筒围岩的稳定程度和安全性。进而根据 监测信息,修改初始设计,使其逐步趋于合理。井壁附加应力18自20世纪80年代中后期以来,黄淮平原地区有50多个煤矿竖井陆续发生井壁严重变形破裂灾害有关试验、观测和理论分析普遍证实井壁破裂的一项主要原因是: 矿井疏排水引起松散表土层底部含水层(简称“底含”)失水压缩,进而带动表土 层整体下沉,与井壁外侧摩擦而产生井壁附加应力,促进井壁纵向压缩变形,在井 壁应力超过材料强度的部位发生井壁破裂.由于井壁的纵向附加应力在底含 基岩接触面一带达到最大,因此绝大多数井壁破裂段位
10、于底含和基岩风化带层 位内17传统传感器技术寿命周期短、稳定性差、标定维护工作量大，目前沿着高可靠性、长寿命、 低功耗的智能化传感器发展 通用性差、智能程度低等问题，既不符合智能型集中监控的要求，又不能满足煤 矿安全生产的需要。因此，对井筒变形监测工作方法、监测内容进行全面详细地研究, 并研究出一套 切实可行且行之有效的监测方法尤为迫切。本文根据立井开采方式的矿井井筒的安全监测问题，提出了基于分布式光纤监测技术的 矿井井壁监测设计方案。此设计方案将有效地监测运行期间影响井壁稳定性、安全性的参数 的变化，及时了解可能发生危险的井筒断面应力状况，采取相应地措施进行治理。 测试仍是目前掌握井筒的稳定
11、状态、预测井壁病态的重要手段。但现场实测面临 着许多困难。2 分布式光纤检测技术的检测原理2.1 BOTDR 检测原理 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为 载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术，其核心技术是检测光纤中的背向 布里渊散射信号。布里渊散射光受应变的影响，当光纤沿线发生轴向应变时，光纤中的背向 布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤所受的轴向应变呈良好的线性关 系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射光频率的漂移量就可以获得光纤的应变值。由于 布里渊频移v B与温度也存在线性关系，BOTDR也可用于测量各点的温度变化。2.
12、1)布里渊频移与应变和温度的关系由式(2.1)表示：v ( , T) = v (0, T ) + % 仏)乜+色 - (T - T )BB 0 dd T0式中，v ( , T)为在环境温度为T、应变为时光纤布里渊频率的漂移量；v (0, T )表B B 0示无应变、温度为t时光纤布里渊频率的漂移量；色a和印q分别表示与光纤类型有 0dd T关的应变和温度的比例系数58。 由光纤的一端向光纤中注入脉冲光时，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生作用后产 生布里渊散射，其中背向布里渊散射光沿着光纤返回到脉冲光的入射端。因此，由某一点返 回的布里渊散射光到BOTDR的距离为(2)cTZ = 一2n式中，
13、c为真空中的光速，n为光纤的折射系数，T为发出脉冲光至接收到散射光的时间间 隔。本课题所采用的BOTDR检测仪是由日本NTT公司研制的AQ8603光纤应变分析仪,其主要技术性能指标如表 2.1。表 2.1 AQ8603 光纤应变分析仪的主要技术性能指标项目性能指标脉冲宽度(ns)102050100200空间分辨率(m)1251122动态范围*(dB)26101315应变测量精度(%)*0.0040.0040.0030.0030.003重复性*0.040.020.020.020.02应变测量范围 1.5 %1.5%测量范围(Km)1, 2, 5, 10, 20, 40, 80空间采样间隔(m)1
14、.00, 0.50, 0.20, 0.10, 0.05最大空间米样点数20000频率采样范围(GHz)9.911.9频率采样间隔(MHz)1, 2, 5, 10, 20, 50平均次数210224空间定位精度(m)(2.0 X10-5X测量范围(m)+0.2m+2X距离采样间隔(m)*测量条件：平均次数214频率扫描间隔10MHz2.2 光纤检测技术在井筒监测中的优点 光纤传感技术在井筒监测方面，与普通的机械、电子类传感器相比，具有以下几个方面 的优势：(1) 敏度高、动态范围大。系统的空间分辨率一般在米的量级，因而对被测量在更窄 范围的变化一般只能观测其平均值；这是光纤传感技术的优点之一。获
15、得的数据具有较高的 精度和可靠性:(2) 光纤集传感和传输于一身，光纤上任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信 息传输通道，可进行空间上的连续检测；将传感光纤布设成网状，就可以得到被测量的二维 和三维分布情况；(3) 测量参数多。基于BOTDR的光纤传感技术可测量温度、应力、应变等物理量。 另外，还具有频带宽、高速传输、可集成、能解决许多机、电传感器无法解决的技术难点问 题10。(乔学光，1998)(4) 传感光纤铺设在井筒衬砌里面，在监测过程中不占用井筒时间，工作人员不下井， 工作安全;(5) 实现了计算机多点自动监测，并可以根据需要由计算机任意设定的时间表进行数 据采集，经过软件处理，可以自动显示应力、应变、温度等参数的变化曲线，通过对数据的 全面、及时、准确分析，及时了解建井期井壁受力与变形状况。工作省时、省力、监测信息 丰富;(6) 抗电磁干扰。一般电磁辐射频率比光波频率低许多，所以在光纤中传输的光信号， 不受电磁场干扰的影响；(7) 电绝缘性好。光纤是由电绝缘的介质组成，且其敏感元件也多是由电绝缘材料做 成；这也避免井筒施工中的电缆意外损坏给监测工作造成了困难，提高系统稳定性9。8）耐腐蚀。制作光纤的材料石英具
