[实用新型]监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤

说明书

技术领域

本实用新型涉及冻结法凿井技术领域，具体涉及一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤。

背景技术

人工冻结凿井法是在深厚冲积层或富水软岩层中施工煤矿立井井筒最常用的工法之一。冻结法凿井过程中，冻结壁的变形和破坏直接关系到井筒掘砌工程能否正常进行，因此在冻结法凿井过程中对冻结壁的温度、应力和位移进行监测，根据多源信息评估冻结壁的稳定性、适时调整冻结参数，是保证井筒施工安全的关键性问题。

目前采用的传统冻结壁测温设备主要有测温孔内布置铜-康铜热电偶串、热敏电阻式数字单点测温仪等，存在维护技术难度高、易损坏、在线实时监测难度大等缺点。近年来，随着光纤光栅制作技术的发展，光纤传感器迅速崛起，相比于传统的传感器，光纤传感器敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、适应性强、可实现长距离检测以及测量范围广等显著优势。但现今在推广光纤传感器用于冻结壁信息化监测仍存在的一个主要问题就是光纤的埋设方法，具体体现为：光纤传感对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的准确监测；光纤保护装置如何设置更能确保传感器的成活率；如何减小光纤固化过程对光纤所施加的应力，尤其是剪切应力。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种埋设工艺简单，能准确实现对冻结壁温度、二维方向受力、变形奇异性的监测且能有效保证光纤光缆成活率的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供一种监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤，包括上下叠设的至少2段光纤传感受载体，每一段所述光纤传感受载体的外侧沿长度方向设有U型回路光纤和一根温度补偿光缆，所述U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设有保护钢筋。

优选的，所述U型回路光纤的数量为2个，2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称分布。

优选的，所述保护钢筋包括第一保护钢筋和U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋沿着所述光纤传感受载体的长度方向延伸，所述U型回路保护钢筋位于最下一段所述光纤传感受载体的U型回路光纤的下端，且其形状与所述U型回路光纤的U型部分相适配。

优选的，最下一段所述光纤传感受载体上的第一保护钢筋的下端深入到所述U型回路保护钢筋的开口部内；所述U型回路光纤的竖直部分分别位于所述第一保护钢筋的外侧，最下一段所述光纤传感受载体上的所述U型回路光纤的U型部分位于所述U型回路保护钢筋的内侧。

优选的，最下一段所述光纤传感受载体上预留有注浆渗透孔，所述注浆渗透孔设置于距离光纤传感受载体底部0.5～1.5m之间。

优选的，所述光纤传感受载体优选两端车丝的无缝钢管；

最下一段所述光纤传感受载体的底部设有端头，所述端头上设有端头导向钢筋；所述端头优选为四棱椎状。

本实用新型还提供一种如上述的监测冻结壁温度、应力及变形的分布式光纤的埋设方法，包括如下步骤：

(1)钻取冻结孔，并在冻结壁上的拟监测位置预留监测孔，下放冻结管作为薄壁保护管；

(2)选取分段结构的光纤传感受载体，每一段光纤传感受载体外侧沿长度方向设置U型回路光纤和一根温度补偿光缆，然后在U型回路光纤和温度补偿光缆的侧方均设置沿光纤传感受载体的长度方向延伸的第一保护钢筋；

最下一段光纤传感受载体上预留注浆渗透孔；

(3)将U型回路光纤和温度补偿光缆在紧邻第一保护钢筋的位置封装在所述光纤传感受载体上，并保证U型回路光纤和温度补偿光缆沿长度方向的垂直线性；

(4)在薄壁保护管内侧分段高下放光纤传感受载体，下放过程中，不断调整光纤传感受载体位置，使U型回路光纤指向井筒圆心；并使得相邻两段光纤传感受载体固定连接后其上的第一保护钢筋相互对齐；

(5)光纤传感受载体全部下放完成后，在孔口处设置接线保护箱，将埋设光缆与加厚铠装护光缆熔接，布线至光纤解调设备，进行数据采集，实时监测冻结壁的温度、应力和变形；

(6)从光纤传感受载体内部进行注浆，经注浆渗透孔灌注封孔。

优选的，步骤(2)中，每一段光纤传感受载体外侧沿长度方向设置2个U型回路光纤，且每段光纤传感受载体上的2个U型回路光纤相对于光纤传感受载体的中心轴线对称分布；

最下一段光纤传感受载体的U型回路光纤的底部设有U型回路保护钢筋，所述第一保护钢筋和U型回路保护钢筋的直径大于U型回路光纤和温度补偿光缆的直径。

优选的，步骤(3)中，通过环氧树脂灌缝胶将U型回路光纤和温度补偿光缆封装在所述光纤传感受载体上。