[发明专利]基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法

说明书

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。

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；ε_m为实测应变；n为采用点数量；l_i和l_i+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；ε_i和ε_i+1分别为井壁埋深分别为h_i和h_i+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，σ_x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σ_b时，井壁发生裂隙；