[發明專利]基于分布式光纖技術的高寒區井壁變形狀態辨識方法

有效

• 申請號: 202110642814.5
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113447074B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 于斌;樸春德;曲臣;井慶賀
• 申請（專利權）人: 扎賚諾爾煤業有限責任公司;中國礦業大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;E21F17/18
• 代理公司: 徐州上智知識產權代理事務所(普通合伙) 32575
• 代理人: 閆莉;尹麗華

1.一種基于分布式光纖技術的高寒區井壁變形狀態辨識方法，其特征在于，具體方法如下：

步驟1)辨識井壁受力特征

1.1)根據井壁和周圍巖土體中傳感光纖所測的應變分布，分別計算井壁和周圍巖土體的沉降量，確定周圍巖土體對井壁的附加應力

有關井壁和周圍巖土體的沉降計算公式為：

式中，S為基于分布式實測應變的井壁或井壁周圍巖土體的沉降量；ε_m為實測應變；n為采樣點數量；l_i和l_i+1分別為井壁或井壁周圍巖土體中任意段埋深范圍；

有關周圍巖土體對井壁的附加應力為：

式中，q為附加應力；E為井壁混凝土彈性模量；r為井壁的外徑；ε_i和ε_i+1分別為井壁埋深分別為h_i和h_i+1的實測應變；

1.2)根據溫度傳感光纖測量井壁內外溫度差異，建立井壁內、外壁溫度與切向應力之間關系，確定井壁受力特征，計算公式為：

式中，σ_x為切向應力；E為井壁的彈性模量；α為井壁的材料膨脹系數；μ為井壁混凝土材料的泊松比；ΔT為沿井壁壁厚各點的溫度變化值；分別為井壁傳感光纖環向應變梯度和縱向應變梯度；

1.3)利用混凝土井壁沿線布設的應變傳感光纖，建立應變傳感光纖所受剪應力與應變梯度之間關系，確定井壁裂隙發育位置，即

式中，τ為應變傳感光纖與井壁混凝土之間的剪應力；E為應變傳感光纖的彈性模量；D為應變傳感光纖的直徑；為應變傳感光纖沿深度的應變梯度；

裂隙上、下應變傳感光纖剪應力受力方向互為相向，且[σ]＝E·ε大于井壁混凝土的抗拉強度σ_b時，井壁發生裂隙；

步驟2)當高寒區含水層凍脹壓力、水壓力及注漿壓力等作用下井壁發生變形破壞時，利用井壁和周圍巖土體沿線布設的應變傳感光纖，計算巖土體沉降量對井壁的附加應力，確定井壁變形破壞位置；

步驟3)利用井壁沿線布設的溫度傳感光纖，當井壁受含水層水壓、凍土壓力及注漿壓力作用下發生破裂時，地下水或注漿漿液沿裂隙流動并形成井壁溫度的降低區，通過對溫度降低區的辨識，確定裂隙發育位置。

2.根據權利要求1所述的一種基于分布式光纖技術的高寒區井壁變形狀態辨識方法，其特征在于，所述的溫度降低區的確定方法包括：

1)基于井壁沿線布設的溫度傳感光纖，測量井壁溫度分布，當溫度傳感光纖所測的溫度低于零度時，確定井壁凍結深度；或

2)通過含有碳纖維加熱絲的溫度傳感光纖，測量井壁溫度分布，計算井壁沿線溫度梯度，根據溫度梯度的特征點，確定井壁凍結深度,溫度梯度的計算公式為

式中，TG為溫度梯度；k為比例系數；T為溫度傳感光纖所測巖土體和混凝土溫度；T₀為通過碳纖維加熱絲控制的溫度傳感光纖基礎溫度。

3.根據權利要求1或2所述的一種基于分布式光纖技術的高寒區井壁變形狀態辨識方法，其特征在于，分別在立井周圍巖土體、井壁與巖土體邊界、立井外壁與立井內壁之間及立井內壁表面布設多根垂向傳感光纖；同時沿立井內壁表面環向布設傳感光纖，傳感光纖沿立井深度設置多層；所有傳感光纖以首尾相連方式熔接后，與預留在井口的光纜進行熔接并鋪設至監測室，通過光纜與分布式光纖解調儀連接后，測量井壁沿線應變和溫度參量；所述的傳感光纖為一體式應變、溫度傳感光纖，將溫度傳感光纖測量數據作為溫度補償，校準應變傳感光纖量值。

4.根據權利要求3所述的一種基于分布式光纖技術的高寒區井壁變形狀態辨識方法，其特征在于，所述應變傳感光纖為緊套傳感光纖；溫度傳感光纖分為兩種，一種為松套傳感光纖；另一種為在松套傳感光纖的傳感光纖與護套之間添加碳纖維加熱絲，加熱絲連通電源之后能夠調節傳感光纖的溫度值。

5.根據權利要求3所述的一種基于分布式光纖技術的高寒區井壁變形狀態辨識方法，其特征在于，沿立井井壁開凹槽，凹槽的寬度為3mm、深度為5mm，傳感光纖嵌裝于凹槽內，待傳感光纖布設后，采用環氧樹脂與稀釋劑組合的粘結劑進行充填。