丁 楠，胡傳龍，于緊昌，劉亞南

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥 230000）

0 引言

近年來，煤礦礦井逐步向深厚沖積層的深井建設(shè)發(fā)展，在深厚表土層或軟巖層中建設(shè)井筒，凍結(jié)法是穿越不穩(wěn)定的厚表土層或軟巖層的有效施工方法。凍結(jié)建井技術(shù)的關(guān)鍵是凍結(jié)壁的強(qiáng)度與穩(wěn)定性的問題，這主要取決于凍結(jié)壁的厚度和凍結(jié)壁的溫度。凍結(jié)壁不同層位、不同方位的溫度變化都會(huì)影響凍結(jié)力的大小。研究礦井在凍結(jié)和融化過程中溫度形成和變化規(guī)律，對(duì)正確解決凍結(jié)與掘砌的關(guān)系具有重要的指導(dǎo)意義［1，2］。

目前，凍結(jié)建井溫度監(jiān)測(cè)采用的是單總線溫度傳感器組成的測(cè)量陣列，在工程使用中雖然能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是測(cè)溫點(diǎn)少，不能有效還原現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)分布情況。分布式光纖溫度傳感器釆用光纖拉曼散射效應(yīng)［3］測(cè)溫，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)溫光纜分布區(qū)域的溫度場(chǎng)變化，具有實(shí)時(shí)在線、抗電磁干擾、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合煤礦凍結(jié)建井過程中溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4，5］。

1 分布式光纖溫度傳感器的基本原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)［6，7］

分布式光纖溫度傳感器利用激光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼（Raman）散射和光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)來獲取空間溫度場(chǎng)信息。分布式光纖溫度傳感器的硬件部分如圖1所示，主要由光路部分和電路部分組成。光路部分由脈沖激光器及其驅(qū)動(dòng)器、1×2雙向耦合器、波分復(fù)用器、標(biāo)準(zhǔn)光纖、測(cè)溫光纖、光纖濾波器、雪崩光電二極管（APD）等組成。電路部分由多級(jí)前向放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡、同步控制電路等組成。軟件部分主要是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和編寫的采集處理軟件完成讀取數(shù)據(jù)采集卡狀態(tài)、斯托克斯（Stokes）數(shù)據(jù)、反斯托克斯（Anti-stokes）數(shù)據(jù)等，計(jì)算測(cè)溫光纜所在溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并顯示出完整溫度曲線圖。此外，還可以通過數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)定的閾值，與報(bào)警系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警等功能。

圖1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of distributed fiber-optic temperature sensing system

分布式光纖溫度傳感器工作過程可以表述為:脈沖激光器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)1×2光纖雙向耦合器進(jìn)入測(cè)溫光纖，在測(cè)溫光纖中由于拉曼散射效應(yīng)，產(chǎn)生背向的斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，背向的斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光經(jīng)1×2光纖雙向耦合器進(jìn)入到波分復(fù)用器，由波分復(fù)用器將背向自發(fā)拉曼散射光分成兩路:一路反斯托克斯光，經(jīng)濾波器濾波后進(jìn)雪崩光電二極管，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行放大;另一路斯托克斯散射光，經(jīng)濾波器濾波后進(jìn)入另一個(gè)雪崩光電二極管，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行放大。高速數(shù)據(jù)采集卡將放大后的電信號(hào)采集累加平均，然后計(jì)算機(jī)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)按照解調(diào)原理進(jìn)行解調(diào)，最后通過計(jì)算得到空間溫度場(chǎng)分布曲線。

1.2 解調(diào)原理［8，9］

已知反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度之比R（T）和溫度T的關(guān)系為

式中 λs，λas分別為斯托克斯和反斯托克斯光波長(zhǎng);h為普朗克常量;c為真空中光速，k=1.38×10-23J/K;T為絕對(duì)溫度，K;Δσ 為波數(shù)，cm-1。

使用斯托克斯光和反斯托克斯光光強(qiáng)之比對(duì)溫度進(jìn)行解調(diào)，還需要知道傳感光纖中某一長(zhǎng)度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確溫度，將測(cè)得的斯托克斯光和反斯托克斯光光強(qiáng)度與該段的比值做比較，就可以得出被測(cè)區(qū)域的溫度信息。假設(shè)傳感光纜處于T0溫度時(shí)，其反斯托克斯光和斯托克斯光光強(qiáng)度Pas（T0），Ps（T0）之比為

式中Ks，Kas分別為與光纖斯托克斯和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)，νs，νas分別為斯托克斯和反斯托克斯散射光子頻率，αs，αas分別為斯托克斯和反斯托克斯散射光的光纖傳輸損耗。

當(dāng)光纖所處溫度從T0變化到T時(shí)

則

由式（4）可以解調(diào)出溫度信息

因此，只要測(cè)得F（T），F(xiàn)（T0），T0的值，便可解出溫度T，此時(shí)，再結(jié)合OTDR技術(shù)即可得到測(cè)溫光纖所在位置的距離—溫度信息。

1.3 OTDR 技術(shù)原理［10］

激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖折射率的微觀不均勻性，會(huì)產(chǎn)生各種散射。入射光脈沖經(jīng)背向散射返回到光纖入射端所需的時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所經(jīng)過的距離為2L，2L=v×t，v為光在光纖中傳播的速度，v=c/n（n為光纖的折射率），則在t時(shí)刻測(cè)量到的是距離光纖入射端距離為L(zhǎng)處的背向散射光。

光纖的背向散射光子通量

式中 Φe為光纖入射端的激光脈沖的光子通量;KR為與光纖散射截面相關(guān)的系數(shù);ν0為入射激光的頻率;S為光纖的背向散射因子;α0為入射光子頻率處光纖的損耗;L為距離入射端的長(zhǎng)度，則

OTDR技術(shù)還可以確定光纖特定點(diǎn)的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行定位，也被稱為光纖激光雷達(dá)。

2 在凍結(jié)建井過程中的應(yīng)用

在國(guó)投新集集團(tuán)口孜東煤礦開挖過程中，為了避免出現(xiàn)坍塌事故，在開挖點(diǎn)附件進(jìn)行凍結(jié)作業(yè)，如圖2所示。中間部分為需要開挖的井筒，外圍為32個(gè)凍結(jié)孔，這些凍結(jié)孔由幾百米的鋼管構(gòu)成，主要用于低溫鹽水的循環(huán)，T1和T2為測(cè)溫孔。由于凍結(jié)的強(qiáng)度、范圍和深度要根據(jù)礦井大小及其所處地理環(huán)境等因素決定，所以，在凍結(jié)過程中需要對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，施工方先用傳統(tǒng)的點(diǎn)式溫度傳感器串接形成單總線溫度傳感器陣列對(duì)T1凍結(jié)孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出整個(gè)凍土層的溫度場(chǎng)分布［11］。但由于傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器陣列的擴(kuò)展受到諸多因素的影響，所以，監(jiān)測(cè)的點(diǎn)數(shù)有限，不能很好地反映溫度場(chǎng)分布情況。尤其是電傳感器相互干擾嚴(yán)重、故障率高、傳輸速率慢使監(jiān)測(cè)過程受到很大的影響。為了解決以上問題，本文提出將分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫光纜放入T2凍結(jié)孔和單總線溫度傳感器陣列同時(shí)對(duì)凍結(jié)井壁溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)過程的可靠性。

圖2 凍結(jié)建井俯視結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Diagram of overlooking structure of shaft-sinking by freezing

2.1 測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)

凍結(jié)建井測(cè)溫孔溫度在-25℃左右，且測(cè)溫光纜需要反復(fù)收放，為了滿足如此苛刻的現(xiàn)場(chǎng)條件，本文通過實(shí)驗(yàn)，將光纜設(shè)計(jì)成圖3所示的結(jié)構(gòu)。

圖3 測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of optical cable for temperature measuring

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在國(guó)投新集集團(tuán)口孜東煤礦凍結(jié)建井期間應(yīng)用分布式光纖溫度傳感器對(duì)測(cè)溫孔進(jìn)行了長(zhǎng)期的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，分布式光纖溫度傳感器測(cè)得的溫度值與現(xiàn)有單總線溫度傳感器陣列測(cè)得的溫度值在同一深度相差無幾，并且分布式光纖溫度傳感器的空間分辨率為1 m（即在空間上可以分辨1 m范圍的溫度變化），是單總線溫度傳感器陣列的20～30倍，數(shù)據(jù)量更大，溫度場(chǎng)還原更準(zhǔn)確、全面。圖4是根據(jù)測(cè)量到的溫度值繪制的溫度隨距離變化的曲線，從2幅圖中可以看出:分布式光纖溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制出的趨勢(shì)曲線更加詳細(xì)。

圖4 根據(jù)實(shí)測(cè)溫度值繪制的溫度隨距離變化的趨勢(shì)曲線Fig 4 Trend curve of temperature change with distance according to measured temperature value

3 結(jié)論

通過在國(guó)投新集集團(tuán)口孜東煤礦凍結(jié)建井期間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)情況可以看出:分布式光纖溫度傳感器在凍結(jié)建井溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用是完全可行的，并且分布式光纖溫度傳感器很好地克服了單總線溫度傳感器陣列的不足，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)凍結(jié)過程中井壁溫度的分布式監(jiān)測(cè)。分布式光纖溫度傳感器的傳感光纜既感知溫度信息又傳輸溫度信息，可以根據(jù)需要獲取任意測(cè)溫層面、任意位置的溫度信息，不受具體的測(cè)溫點(diǎn)的制約，實(shí)現(xiàn)對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的空間分布狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，它的使用對(duì)于加快井筒建設(shè)施工速度，提高投資效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］金 川.淮南礦區(qū)凍結(jié)法鑿井的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.建井技術(shù)，2006（12）:26-29.

［2］王 軍，紀(jì)洪廣，隋智力.深厚表土層人工凍結(jié)法鑿井技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008，17（7）:93-95.

［3］Hartog A H，Leach A P，Gold M P .Distributed temperature sensor in solid-core fiber［J］.Electron Lett，1985，21:1061-1062.

［4］徐 建，馬 賓.分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)在煤礦凍結(jié)表土段溫度測(cè)量中的應(yīng)用［J］.工礦自動(dòng)化，2007（2）:99-100.

［5］郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等.分布式光纖溫度傳感技術(shù)及應(yīng)用［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，3（5）:543-546.

［6］張?jiān)谛?，馮海琪，余向東，等.分布光纖拉曼光子傳感器系統(tǒng)［J］.半導(dǎo)體光電，1999，20（2）:83-85.

［7］Dakin J P，Pratt D J.Temperature distribution measurement using Raman ratio thermometry［J］.SPIE Fiber Optic and Laser Sensors，1985，566:249-256.

［8］張?jiān)谛嘞驏|，郭 寧，等.分布式光纖Raman光子傳感器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.光電子·激光，1999，10（2）:110-112.

［9］張?jiān)谛?，張步新，?陽，等.光纖背后激光自發(fā)拉曼散射的溫度效應(yīng)研究［J］.光子學(xué)報(bào)，1996，25（3）:273-278.

［10］王劍鋒，張?jiān)谛旌７?，?分布式光纖溫度傳感器新測(cè)溫原理的研究［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17（1）:25-28.

［11］鄭曉亮，郭兆坤，謝鴻志，等.基于分布式光纖傳感技術(shù)的凍結(jié)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（1）:18-21.