光纤传感地层分层沉降仪关键技术研究

华东地区的淮北、大屯、徐州、兖州、永夏、淮南等矿区是我国东部主要的产煤基地，自1987年以来，一直面临着因第四纪地层沉降导致的立井井壁的突发性破坏和治理后的重复性破坏，至今没有一个有效的监测和预警装置。研究地层沉降变形的检测技术十分迫切，意义重大。光纤卓越的组网和传感能力使采用现场观测的方法全了解地层沉降成为可能，提出一种用于钻孔中植入传感光纤的地层沉降特征信息检测、识别和预警的新技术及其装置。研究第四纪地层沉降关键表征参数，分层沉降光纤传感仪结构，传感器最大允移量及其多点传感非均一化理论，与传感器、岩层匹配的砂浆配比，探索该方法的植入工艺；通过钻孔模拟和水泥砂浆试件试验，研究沉降变形光纤传感定位方法和变形的扩展技术，影响检测灵敏度的因素。研制一套适应于该地质条件的检测范围大于70m、埋藏深度100-240m的多点准分布式光纤钻孔地层沉降检测装置，在一个矿井实运行。

我国华东地区的煤矿井壁破裂，其主要原因是第四系厚松散层的失水沉降所致。本项目从松散层的沉降变形监测入手，提出了松散层沉降的应变量计算模型，研制出光纤光栅沉降仪及其配套设备，采用光纤光栅传感器监测松散层不同层位的多点应变，系统研究了光纤光栅沉降仪进行松散层沉降监测的基础理论和工程应用的关键技术。. 用光纤传感器监测不同层位的“应变量”，可以得出松散层失水沉降量，由此得出区域地层压缩量；也可以用这一监测值分析松散层的水位降情况，还可以通过它和水位降反过来求解松散层的压缩模量，获得地质特征。构建了松散层应变监测的“光纤光栅-胶结层-封装材料-水泥砂浆-松散层”应变传递力学模型，研究钻孔埋入式光纤Bragg光栅传感器检测的应变传递关系及其影响因素，给出了钻孔光纤传感的应变传递表达式，讨论了钻孔半径对应变传递的影响。. 光纤光栅沉降仪由光纤光栅传感器、光通路、光纤光栅解调仪、服务器、3G传输和客户端6部分组成，软件包括数据采集、数据传输、数据解调、数据处理、数据上传、数据下载和故障诊断7个部分。光纤光栅沉降仪选用玻璃纤维封装光纤Bragg光栅应变传感器和不锈钢光纤Bragg光栅温度传感器作为感知元件，传感光栅波长带宽为8～9nm，传感点位大于20个。研究了钻孔施工工艺及光纤Bragg光栅传感器埋入方法，就钻孔光纤光栅传感器植入、注浆及施工过程对光纤Bragg光栅传感特性影响等内容进行了研究。. 在理论研究的同时，进行了10架次的平面应力相似模型试验，48个水泥砂浆试件的力学性能试验，2架次的松散层渗流试验。在兖州矿区的鲍店煤矿布置传感点24个和东滩煤矿布置传感点32个的光纤光栅沉降仪各1套，长期监测松散层沉降，初步得出了2个煤矿松散层沉降的发展规律和可能的沉降最大层位。深入研究松散层在注水过程中的松散层应变状态，及与注水量、水位变化的规律，开展了济三煤矿的松散层地面注水效果的长期监测。. 工程实践表明，注水量每增加1000m³松散层应变平均增大1.715，年注水13万m³，每孔流量3.79～6.00m³/h，可以维持地层不出现沉降；兖州矿区松散层中111m处的地层温度分别为18.281℃，平均地温梯度为4.407℃/100m。项目的研究改变了长期以来松散层沉降用“水位降”这一指标的表征现状，其成果对掌握地层沉降过程、指导地层注水具有重要意义。