[發(fā)明專利]基于分布式光纖技術的高寒區(qū)井壁變形狀態(tài)辨識方法

有效

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• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113447074B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)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(yè)有限責任公司;中國礦業(yè)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

一種基于分布式光纖技術的高寒區(qū)井壁變形狀態(tài)辨識方法，利用混凝土井壁沿線布設的應變傳感光纖:計算井壁與巖土體的垂直沉降量，確定巖土體含水層變化引起的井壁所受附加應力，根據井壁內外溫度差異，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，結合井壁與巖土體溫度的分布式測量，確定凍結深度；建立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(fā)育位置；當井壁受含水層水壓、凍土壓力及注漿壓力作用下發(fā)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(qū)，通過對溫度降低區(qū)的辨識，確定裂隙發(fā)育位置,該方法具有分布式監(jiān)測、辨識簡便、精度高的特點。

技術領域

本發(fā)明是一種煤礦井壁變形狀態(tài)辨識方法，特別是基于分布式光纖技術的高寒區(qū)井壁變形狀態(tài)辨識方法。

背景技術

井筒是煤礦生產的咽喉部位，井壁破裂和局部失穩(wěn)影響煤炭企業(yè)的正常生產和井下煤礦工人的生命安全。有關井壁變形破壞狀態(tài)辨識方面，主要采用幾何測量法、傳感器監(jiān)測法及分布式光纖監(jiān)測法。幾何測量法，通過測量混凝土井壁變形量，確定井壁的穩(wěn)定性，但該方法只限于表面量測、監(jiān)測精度低。傳感器監(jiān)測法，主要采用電感式、振弦式及光纖光柵式應變和溫度傳感光纖，監(jiān)測井壁變形破壞特征，該方法屬于點式測量，存在漏檢、高寒區(qū)中傳感器適應性低的問題。分布式光纖監(jiān)測法，還未形成井壁內部混凝土受力狀況、裂隙分布和凍土層深度確定方法。

發(fā)明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種模型簡單、易于操作的基于分布式光纖感測技術的高寒區(qū)立井井壁變形破壞狀態(tài)辨識方法，通過井壁深度范圍內應變和溫度參量的連續(xù)量測，獲得井壁凍結深度、混凝土受力狀態(tài)和裂隙發(fā)育分布，及時掌握含水層水壓、凍結壓力及注漿壓力等作用下井壁變形破壞狀態(tài)，確保立井井壁的安全穩(wěn)定。

本發(fā)明采用的技術方案是：一種基于分布式光纖技術的高寒區(qū)井壁變形狀態(tài)辨識方法，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為采用點數量；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

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(huán)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(fā)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(fā)生裂隙；