基于光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法

1.本发明涉及的是煤炭开采技术领域，具体涉及一种基于全分布式光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法。


背景技术：

2.煤炭是我国的主体能源，随生产设备的大型化和开采的深部化，回采巷道断面越来越大，所处应力环境日益复杂，由此导致的巷道大变形、大破坏、难支护等问题，成为制约工作面安全高效生产的重要问题。回采巷道各类问题，终是在回采扰动作用下，矿山压力对巷道围岩造成的破坏问题。分析不同阶段巷道围岩破坏形式、破坏区的形态和扩展规律是井巷工程领域揭示巷道破坏规律和围岩稳定性控制的核心内容。因此，对回采过程中巷道围岩变形破坏信息进行高精度、实时监测，对于巷道围岩稳定性控制有重要意义。
3.围岩松动圈是在矿山压力所用下在巷道围岩一定深度范围内形成的以宏观裂隙高度发育为主要特征的一个特殊圈层，松动圈内围岩结构的完整性遭到破坏，承载能力下降，其发育范围和形态是影响巷道围岩稳定性和确定合理支护参数的重要因素。现阶段巷道围岩松动圈的测定方法主要有钻孔窥视法和声波测速法。分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和变形。由于其可实现分布式、高精度、大范围、全天候、和抗干扰强等特点，在地下工程围岩监测中展现出了其独特优势。
4.本发明以实现回采巷道围岩松动圈范围的实时监测为目的，依靠分布式光纤传感技术，提出了一种分布式光纤应变表征巷道围岩破坏后形成的松动圈测试方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于全分布式光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，以进一步补充巷道围岩松动圈的现场测试手段，为回采巷道围岩稳定性控制和实现巷道围岩大范围分布式光纤监测提供新的思路。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：基于光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，包括
7.1、冲预泵光纤传感技术原理；
8.2、回采巷道围岩松动圈关键特征及分布式光纤应变表征方法；
9.3、围岩松动圈测试光纤布设工艺及方法。
10.所述的冲预泵光纤传感技术原理包括：在测量过程中，连续调整两个激光器的频率以检测接收端的功率，并确定最大能量传输时的频率差，进一步确定产生频率差位置处的外界因素。
11.δvb＝v
b(ε)-v
b(0)
＝c1δt c2δε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
12.δε＝[δv
b-c1δt]/c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]
式中：δvb为布里渊频移的变化；c1是温度的敏感系数；v
b(ε)
是应变引起的布里渊
频移；c2是应变的敏感系数；v
b(0)
是初始布里渊频移。通过检测布里渊信号的频移变化和归一化信号功率变化值来获得光纤的应变和温度信息，以实现分布式测量。
[0014]
所述的回采巷道围岩松动圈关键特征及分布式光纤应变表征方法具体包括：
[0015]
2.1碎胀和挤压膨胀
[0016]
岩石多为脆性材料，受井下实际巷道断面限制，巷道围岩在弹性阶段产生很小的弹性变形即发生宏观破坏。破碎岩块在矿山压力作用下进一步挤压破碎。碎胀是岩石类材料的显著特征，当岩石发生宏观破坏后即表现为碎胀，岩体破坏后挤压膨胀则被认为是煤矿软岩或回采巷道变形以数十至数百毫米的主要原因。松动区岩体处碎胀状态，破碎岩块相互挤压，体积膨胀，是回采巷道围岩松动圈关键特征之一。当松动圈范围为h，挤压移近量为a时，处于松动圈内的光纤整体受拉，其应变可表示为：
[0017][0018]
式中：ψ(c)为光纤与相邻介质的耦合状态函数；k为岩石碎胀系数；α为光纤植入的倾角；f(a)是破碎岩石挤压相对移近时引起的附加膨胀量，当f(a)为0时，对应碎胀特征区范围内光纤应变表示为：
[0019][0020]
可见，松动圈内光纤应变值的大小与破坏区发育范围无关，光纤受拉(应变＞0)范围即表征了松动圈的范围；根据以上分析，通过实时观测光纤的应变为正的对应的光纤范围，即可实现对巷道围岩松动圈发育范围的实时监测；
[0021]
2.2渐进破坏
[0022]
回采巷道围岩应力受工作面回采超前支承压力影响不断增大，巷道围岩破坏范围(松动圈范围)不断增大即是围岩应力增大过程的直观响应。根据芬纳——卡斯特纳公式，巷道围岩松动圈半径可表示为：
[0023][0024]
式中：a为巷道等效半径，m；为围岩摩擦角，度；σ为地应力，mpa；c
*
为围岩内聚力，mpa。
[0025]
可见，受超前支承压力影响，即σ增大的过程，巷道围岩松动圈半径随之增大，表现出由浅即深的渐进破坏特征。分布式光纤受拉应变范围的增大表征了松动圈的增大过程；光纤应变增大的过程表征了围岩应力环境恶化过程。
[0026]
所述的围岩松动圈测试光纤布设工艺具体包括：
[0027]
3.1光纤植入
[0028]
光纤宜以钻孔形式植入待测巷道围岩中，钻孔应与围岩呈一定夹角，且越小越好。将光纤布设在pvc空心管壁外，将其送入钻孔，并采用水泥封孔。
[0029]
3.2光纤定位
[0030]
由于井下所用光缆多为铠装加强筋光缆，传统加热法、张拉法定位效果受到极大
限制，故在传感光缆选型时应采用两种不同初始中心频率的光缆。通过传感光缆的初始中心频率即可对光纤的空间位置进行分辨。
[0031]
所述的光纤植入具体包括以下步骤：
[0032]
3.11钻孔：钻孔孔径应不小于pvc管外径，其偏斜率不超过1
°
。钻孔工作结束后，清孔，并对钻孔进行一次冲孔处理，扫除孔壁上的碎石，保证钻孔的成型质量，保证光纤顺利植入。
[0033]
3.12将光纤布设在预先设置孔洞的pvc管壁外，并采用胶带或扎带，按照固定的长度对光纤进行固定。其中，在pvc管上钻孔的作用是为了对带有分布式传感光缆的pvc管进行注浆，水泥浆通过pvc管上的孔流入钻孔中，使带有传感光缆的pvc管与围岩充分粘合。
[0034]
3.13光纤下方：以上工作完成后，将带有光纤的pvc管下方至钻孔中，下放过程中，采用激光笔实时对光纤的完好性进行检测。
[0035]
3.14注浆：光纤下方完成后，对pvc管内带压注入水泥浆液，待水泥浆注满后封孔。
[0036]
本发明的有益效果：建立分布式光纤应变——巷道围岩破坏特征之间的联系，提出一种基于全分布式光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，进一步补充巷道围岩松动圈的现场测试手段，为回采巷道围岩稳定性控制和实现巷道围岩大范围分布式光纤监测提供新的思路。
附图说明
[0037]
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
[0038]
图1为本发明的ppp-botda技术原理示意图；
[0039]
图2为本发明的松动圈内光纤变形状态示意图；
[0040]
图3为本发明的光纤与pvc管布局示意图；
[0041]
图4为本发明的注浆工艺流程图；
[0042]
图5为本发明的光纤空间定位示意图；
[0043]
图6为本发明实施例的光纤布设示意图；
[0044]
图7为本发明实施例的光纤应变示意图(工作面距传感光缆-296m～-276m)；
[0045]
图8为本发明实施例的光纤应变示意图(工作面距传感光缆-276m～-54m)；
[0046]
图9为本发明实施例的光纤应变示意图(工作面距传感光缆-54m～-35m)；
[0047]
图10为本发明实施例的光纤应变示意图(工作面距传感光缆-35m-20m)。
具体实施方式
[0048]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0049]
参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：基于光纤传感技术(ppp-botda)的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，包括
[0050]
1、脉冲预泵光纤传感技术原理；
[0051]
ppp-botda是一种基于布里渊散射的光纤传感技术，在传感光纤的两端分别注入脉冲光和连续光，当两个光束之间的频率偏移等于光纤特定区域的布里渊偏移时，会发生受激布里渊放大。布里渊散射光频移与光纤特定位置的应变和温度呈线性关系。因此，通过
连续检测布里渊散射光频率，可以获得光纤沿线的应变和温度分布。
[0052]
在测量过程中，连续调整两个激光器的频率以检测接收端的功率，并确定最大能量传输时的频率差，进一步确定产生频率差位置处的外界因素。
[0053]
δvb＝v
b(ε)-v
b(0)
＝c1δt c2δε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
δε＝[δv
b-c1δt]/c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0055]
式中：δvb为布里渊频移的变化；c1是温度的敏感系数；v
b(ε)
是应变引起的布里渊频移；c2是应变的敏感系数；v
b(0)
是初始布里渊频移。通过检测布里渊信号的频移变化和归一化信号功率变化值来获得光纤的应变和温度信息，以实现分布式测量。
[0056]
2、回采巷道围岩松动圈关键特征及分布式光纤应变表征方法
[0057]
①
碎胀和挤压膨胀
[0058]
岩石多为脆性材料，受井下实际巷道断面限制，巷道围岩在弹性阶段产生很小的弹性变形即发生宏观破坏。破碎岩块在矿山压力作用下进一步挤压破碎。碎胀是岩石类材料的显著特征，当岩石发生宏观破坏后即表现为碎胀，岩体破坏后挤压膨胀则被认为是煤矿软岩或回采巷道变形以数十至数百毫米的主要原因。松动区岩体处碎胀状态，破碎岩块相互挤压，体积膨胀，是回采巷道围岩松动圈关键特征之一。当松动圈范围为h，挤压移近量为a时，松动圈内光纤变形状态如图2所示：
[0059]
此时，处于松动圈内的光纤整体受拉，其应变可表示为：
[0060][0061]
式中：ψ(c)为光纤与相邻介质的耦合状态函数；k为岩石碎胀系数；α为光纤植入的倾角；f(a)是破碎岩石挤压相对移近时引起的附加膨胀量，当f(a)为0时，对应碎胀特征区范围内光纤应变表示为：
[0062][0063]
可见，松动圈内光纤应变值的大小与破坏区发育范围无关，光纤受拉(应变＞0)范围即表征了松动圈的范围；根据以上分析，通过实时观测光纤的应变为正的对应的光纤范围，即可实现对巷道围岩松动圈发育范围的实时监测；
[0064]
②
渐进破坏
[0065]
回采巷道围岩应力受工作面回采超前支承压力影响不断增大，巷道围岩破坏范围(松动圈范围)不断增大即是围岩应力增大过程的直观响应。根据芬纳——卡斯特纳公式，巷道围岩松动圈半径可表示为：
[0066][0067]
式中：a为巷道等效半径，m；为围岩摩擦角，度；σ为地应力，mpa；c
*
为围岩内聚力，mpa。
[0068]
可见，受超前支承压力影响，即σ增大的过程，巷道围岩松动圈半径随之增大，表现出由浅即深的渐进破坏特征。分布式光纤受拉应变范围的增大表征了松动圈的增大过程；
光纤应变增大过程表征了围岩应力环境恶化过程。
[0069]
3、围岩松动圈测试光纤布设工艺
[0070]
①
光纤植入
[0071]
光纤宜以钻孔形式植入待测巷道围岩中，钻孔应与围岩呈一定夹角，且越小越好。将光纤布设在pvc空心管壁外，将其送入钻孔，并采用水泥封孔。
[0072]
(1)钻孔：钻孔孔径应不小于pvc管外径，其偏斜率不超过1
°
。钻孔工作结束后，清孔，并对钻孔进行一次冲孔处理，扫除孔壁上的碎石，保证钻孔的成型质量，保证光纤顺利植入。
[0073]
(2)将光纤布设在预先设置孔洞的pvc管壁外，并采用胶带或扎带1，按照固定的长度对光纤进行固定。其中，在pvc管上钻孔2的作用是为了对带有分布式传感光缆的pvc管进行注浆，水泥浆通过pvc管上的孔流入钻孔中，使带有传感光缆的pvc管与围岩充分粘合。(图3中1为扎带或胶带，2为钻孔，3为金属基索状传感光缆(包层61、光纤62、金属加强件63、护套64))
[0074]
(3)光纤下方：以上工作完成后，将带有光纤的pvc管下方至钻孔中，下放过程中，采用激光笔实时对光纤的完好性进行检测。
[0075]
(4)注浆：光纤下方完成后，对pvc管内带压注入水泥浆液，待水泥浆注满后封孔。
[0076]
②
光纤定位
[0077]
由于井下所用光缆多为铠装加强筋光缆，传统加热法、张拉法定位效果受到极大限制，故在传感光缆选型时应采用两种不同初始中心频率的光缆。通过传感光缆的初始中心频率即可对光纤的空间位置进行分辨。
[0078]
实施例1：以某矿巷道底板围岩松动圈范围的现场分布式光纤监测数据进行说明。
[0079]
1、分布式光纤传感系统
[0080]
在某煤矿21104综采工作面11#联络巷巷口附近以钻孔方式向运输平巷底板布设一条分布式传感光缆(3
#
)，光纤下穿区段煤柱进入21104工作面运输平巷(图6)。21104工作面底板以砂质泥岩、粉砂岩为主，泥质胶结，水平层理。
[0081]
2、松动圈监测
[0082]
对工作面回采296m范围内的底板松动圈进行了连续监测。
[0083]
工作面距传感光缆-296m～-276m过程中，巷道底板保持稳定。
[0084]
工作面距传感光缆-276m～-54m过程中，符合图8，光纤应变增量＞0的范围增大至9.35m，对应底板松动圈范围为2.41m。
[0085]
工作面距传感光缆-54m～-20m过程中(即将推过光纤最远端)，符合图9和图10，光纤应变增量＞0的范围进一步增大至15.51m，对应底板松动圈范围为4.01m。且呈现出动态变化的特征。
[0086]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。