鄭曉亮, 胡業(yè)林, 沈華軍, 謝鴻志, 豆安峰, 于緊昌

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001； 2.中煤礦山建設(shè)集團有限責任公司，安徽 合肥230000； 3.中國電子科技集團公司 第八研究所，安徽 合肥 230000)

分布式光纖測溫技術(shù)在凍結(jié)修復(fù)工程中的應(yīng)用*

鄭曉亮1, 胡業(yè)林1, 沈華軍2, 謝鴻志3, 豆安峰2, 于緊昌3

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001； 2.中煤礦山建設(shè)集團有限責任公司，安徽 合肥230000； 3.中國電子科技集團公司 第八研究所，安徽 合肥 230000)

針對采用凍結(jié)法進行成井井壁修復(fù)工程的特殊性，在進行常規(guī)水文孔、測溫孔監(jiān)測的同時，增加新型檢測手段，利用分布式光纖測溫技術(shù)檢測每個凍結(jié)器的縱向溫度，通過數(shù)據(jù)分析，為指導凍結(jié)施工安全順利進行提供依據(jù)。詳細介紹了修復(fù)工程的概況和分布式光纖測溫系統(tǒng)的原理、組成、檢測方法及測溫光纜結(jié)構(gòu)。給出了現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，與常規(guī)測溫孔數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)量大,能全面、直觀地反映凍結(jié)壁實際發(fā)展狀況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，機動靈活，檢測方法具有一定的推廣價值。

分布式光纖測溫； 凍結(jié)法； 縱向測溫； 修復(fù)工程

0 引 言

人工凍結(jié)法是煤礦立井井筒建設(shè)的常用方法，國內(nèi)凍結(jié)深度已突破700 m，凍結(jié)方案設(shè)計、凍結(jié)過程控制技術(shù)已基本成熟。一般凍結(jié)工程在凍結(jié)器圈徑內(nèi)布置幾個測溫孔和水文孔，根據(jù)測溫孔內(nèi)各測點溫度變化來掌握凍結(jié)壁的發(fā)展情況，根據(jù)水文孔的溢水情況,判斷含水地層凍結(jié)壁是否整體交圈[1,2]。但是，采用凍結(jié)法對已建成井筒進行修復(fù)，由于井筒已經(jīng)建成，測溫孔只能反映凍結(jié)壁的局部情況，水文孔溢水也不能作為判斷凍結(jié)壁交圈的條件。

為了全面掌握凍結(jié)壁的發(fā)展情況，有效地控制凍結(jié)壁的厚度，保證修復(fù)工程順利進行，本文采用分布式光纖測溫技術(shù)對凍結(jié)器的縱向溫度進行檢測，直接觀測整個凍結(jié)壁的發(fā)展狀況，可為凍結(jié)控制提供有力數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

安徽淮南某煤礦主、副、風3個井筒采用鉆井法施工， 2009年，副井井筒發(fā)生突水涌砂淹井事故，經(jīng)分析計算，井下巷道充水容積7 6744 m3，3個以下井筒充水容積2 2926 m3，涌水時間5 小時20分鐘，平均涌水量18 700 m3/h。事故發(fā)生后，采用鉆孔彩色電視儀、超聲波測井儀等探測手段對井筒出水點進行測定，均無法探明出水點具體位置和井筒破裂情況。平均涌水量為18 700 m3/h，可以判定井壁破壞范圍較大，經(jīng)專家會議討論決定采用地面預(yù)注漿加凍結(jié)法修復(fù)井壁，即利用注漿法改善土體與井壁壁后充填物性能，利用凍結(jié)法封水修復(fù)井壁，要求凍結(jié)壁具有一定的強度和厚度。

為使凍結(jié)壁快速交圈，迅速達到設(shè)計厚度，增強抵抗地層擾動后性能弱化所帶來其它風險的能力，副井凍結(jié)采用雙排孔布置。為減少凍脹力對井壁造成影響，內(nèi)排孔布置圈徑盡量小。外排布置42個凍結(jié)孔(W1～W42)，布置圈徑19.6 m，孔間距1.465 m。內(nèi)排布置32個凍結(jié)孔(N1～N32)，布置圈徑13.9 m，孔間距1.364 m。布置測溫孔7個(C1～C7)，水文孔4個(S1～S4)，布置圖如圖1所示。

凍結(jié)站2011年6月27日開機運轉(zhuǎn)，截止9月11日，副井4個水位孔水位全部達到管口，從各孔的水位變化分析來看凍結(jié)壁發(fā)展所產(chǎn)生的凍脹水、部分凍脹壓力通過水文孔得到釋放。由于凍結(jié)法應(yīng)用于成井井壁修復(fù)工程尚屬首次，沒有相關(guān)經(jīng)驗可以借鑒。此時，通過水文孔溢水和測溫孔數(shù)據(jù)都無法準確判斷凍結(jié)壁是否交圈及其發(fā)展情況。2011年11月8日，凍結(jié)工程運轉(zhuǎn)131天，鹽水溫度在-32～-33 ℃之間，溫差為2.5～3.8 ℃，距離施工組織設(shè)計要求150天凍結(jié)工期，剩余19天。為明確掌握副井凍結(jié)壁實際狀況，正確制定下一步施工方案，決定對副井凍結(jié)孔進行縱向溫度測溫。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)介紹

2.1 檢測原理

分布式光纖溫度測量系統(tǒng)能在整條測溫光纜的長度上，以一定的間隔連續(xù)感知出溫度場在光纜長度方向上的變化。測量原理是光纖的時域反射(OTDR)理論和背向拉曼(Raman)散射溫度效應(yīng)，利用時域反射原理可以實現(xiàn)對測溫點的定位，利用背向拉曼散射原理可以實現(xiàn)溫度的感知和度量。

從量子理論能級的觀點來看，拉曼散射是由光子的非彈性碰撞產(chǎn)生的。試驗中發(fā)現(xiàn)，反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光對溫度敏感，其強度受溫度調(diào)制；斯托克斯(Stokes)散射光強度也與溫度有一定的關(guān)系，但受溫度的影響比較??；而瑞利(Rayleigh)散射光基本上與溫度無關(guān)。

在光纖L處區(qū)域的反斯托克斯散射光子數(shù)

(1)

在光纖L處區(qū)域的斯托克斯散射光子數(shù)

(2)

在光纖L處區(qū)域的瑞利斯散射光子數(shù)

(3)

式中Ne為光纖入射光脈沖光子數(shù)；KR,Ka,Ks為與光纖瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射截面相關(guān)的系數(shù)；S為光纖的背向散射因子；ν0,νa,νs分別為瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射光頻率；a0,aa,as分別為瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射光在光纖中的傳輸損耗；L為光纖待測區(qū)域處距光纖入射端的距離；Ra(T),Rs(T)為與光纖分子低能級和高能級上的布局數(shù)有關(guān)的系數(shù)，它與光纖處區(qū)域的溫度有關(guān)

Ra(T)=[exp(hΔν/kT)-1]-1,

(4)

Rs(T)=[1-exp(-hΔν/kT)]-1,

(5)

式中 Δν為拉曼散射光頻率；h為普朗克常數(shù)；k為波耳茲曼常數(shù)。

溫度解調(diào)方法是用斯托克斯拉曼散射OTDR曲線來解調(diào)反斯托克斯拉曼散射OTDR曲線，由式(1)和式(2)可得

(6)

由式(6)可得

(7)

式中T0，Na(T0)，Ns(T0)，Na(T)，Ns(T)均為已知，即可得到區(qū)域處的溫度T[3，4]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由光學部分和信號采集與處理部分組成。光學部分由半導體激光器、光纖定向耦合器、傳感光纖、光學分光器件等組成，信號處理部分由光電接收器和數(shù)據(jù)采集處理計算機組成[5～7]。

圖2 分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 檢測方法與傳感光纖結(jié)構(gòu)

凍結(jié)器縱向測溫必須在停止凍結(jié)器供液一段時間以后才能測得實際凍結(jié)壁溫度，且檢測完成后應(yīng)立即恢復(fù)供液，所以，凍結(jié)器縱向測溫是一種機動的檢測方式。

一個凍結(jié)器的縱向測溫，光纜需要完成下放、檢測、回收3個步驟，由于凍結(jié)器溝槽內(nèi)無法放置光纜自動收放裝置，采用野外光纜收放線架配以滑輪的形式進行人工收放測溫光纜，完成一個凍結(jié)器的測量時間在1 h左右。實際檢測時用2根測溫光纖同時進行測量，根據(jù)測量時間每間隔1h停止2個凍結(jié)器的供液，停止供液18 h后進行該凍結(jié)器的縱向溫度測量，測量完成后立即恢復(fù)供液，再檢測其他的凍結(jié)器，依次進行。副井共74個凍結(jié)孔，按一天完成16個孔，編制檢測時間表，5天完成所有凍結(jié)器的縱向溫度檢測。

副井測溫深度范圍為0～673 m(底部5 m為配重管)，測溫光纜長度為800 m。由于測溫光纜需要不斷的人工下放、回收，纜受力不均勻，必須具有一定的抗拉能力，保證不出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象，影響測量精度，設(shè)計測溫光纜結(jié)構(gòu)如圖3所示。單根緊包光纖與芳綸一同套入不銹鋼軟管中，不銹鋼軟管具有抗壓、抗彎作用，外加一層不銹鋼編制絲使光纜具有一定的抗拉能力，最后外覆一層聚氨酯護套具有耐低溫的作用。為了增加抗拉強度，防止光纜收放過程過度受力斷裂，采用綁扎的方式，另配一根1.8 mm鍍鋅鋼絲繩作為拉力承載體。光纜具體參數(shù)如下:多模纖芯，直徑62.5±2.5 μm，最大衰減3.5 dB/km(850 nm)，1.5 dB/km(1 300 nm)，工作溫度-50～+90 ℃，允許彎曲半徑10D(動態(tài))、2 0D(靜態(tài))，允許拉力200 N(長期)，300 N(短期)，抗壓力3 000 N/100 mm(長期)，5 000N/100 mm(短期)，重量25 kg/km。

圖3 鎧裝光纜結(jié)構(gòu)

3 凍結(jié)器縱向溫度檢測

副井外排42個孔和內(nèi)排32個孔2011年11月8日～12日的縱向溫度曲線圖如圖4、圖5所示，整體溫度分布在-19～-30 ℃之間，分析可知副井凍結(jié)孔運行正常，無堵孔和短路現(xiàn)象，縱向溫度隨深度的增加平緩下降，且內(nèi)排凍結(jié)器溫度比外排凍結(jié)器溫度低，符合凍結(jié)鹽水正循環(huán)規(guī)律。

圖4 副井外排凍結(jié)器縱向溫度曲線圖

圖5 副井內(nèi)排凍結(jié)器縱向溫度曲線圖

根據(jù)凍結(jié)壁發(fā)展情況、凍結(jié)器縱向溫度檢測結(jié)果、內(nèi)外排鹽水供液回路去回路溫差、鹽水流量數(shù)據(jù)、凍結(jié)孔間距，內(nèi)排孔偏斜圖及內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁發(fā)展鋒面應(yīng)全部達到井壁外緣(-3 ℃)方可進行井筒排水的設(shè)計要求，通過計算得出各層位凍土全部發(fā)展到井壁外緣的時間為160天，具備排水施工條件。由于修復(fù)項目的特殊性，為防止因凍土發(fā)展過快，進入井壁造成破壞，需提前對副井部分凍結(jié)器進行控制，控制方式為減少鹽水流量。

4 結(jié) 論

從副井各個凍結(jié)控孔縱向溫度的檢測結(jié)果看，分布式光纖測溫系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)量遠大于傳統(tǒng)單總線溫度傳感系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)量，溫度數(shù)據(jù)連續(xù)分布，可直觀顯示縱向溫度的分布情況，通過數(shù)值模擬，可得到從地面到井底連續(xù)的凍結(jié)壁溫度場，為判斷凍結(jié)壁的交圈情況及其厚度提供了詳實的數(shù)據(jù)。通過應(yīng)用驗證了分布式光纖測溫技術(shù)在凍結(jié)工程溫度場檢測方式的應(yīng)用可能性，建立了一套分布式光纖測溫檢測凍結(jié)孔縱向溫度的方法，檢測數(shù)據(jù)為現(xiàn)場施工技術(shù)人員提供了凍結(jié)控制決策支持，具有重要的應(yīng)用價值。

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Application of distributed fiber temperature detection

technology in freezing restoration project*ZHENG Xiao-liang1, HU Ye-lin1, SHEN Hua-jun2, XIE Hong-zhi3, DOU An-feng2, YU Jin-chang3

(1.School of Electric and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huai’nan 232001,China; 2.China Coal Mine Construction Group Co Ltd,Hefei 230000,China; 3.The Eighth Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230000,China)

Aiming at particularity of the case of using freezing method to conduct shaft-forming well wall restoration project,at the same time of monitoring the conventional hydrological hole and thermometer hole,new means of detection are added,and distributed fiber temperature detection technology is used to check the temperature of each longitudinal freezer.By data analysis,provide basis for guiding the freeze construction being carried out safely and smoothly.The general situation of restoration project,the principle,composition,detection method and temperature measuring optical cable structure of the distributed fiber temperature detection system are introduced in detail.Field measured data is given,which has large quantities of datas and can reflect the actual development status of freezing wall comprehensively and intuitively compared with the traditional thermometer hole data.System structure is simple and flexible,also the detection method has certain promotional value.

distributed fiber temperature detection；freezing method；longitudinal temperature detection；restoration project

2015—01—07

安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2013A103)；地方高校省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201310361209)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0155—03

TD 265

A

1000—9787(2015)04—0155—03

鄭曉亮(1979-)，男，安徽淮南人，博士研究生，副教授，主要從事煤礦安全自動化、計算機監(jiān)控方面的教學和科研工作。