专利名称：一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统及其布设方法
技术领域：
本发明涉及一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统，属于检测仪器设备技术领域。
背景技术：
冻结法施工井筒的冻结壁在井筒开挖过程中起到临时支护的作用，而冻结壁的温度、受力及变形对井筒的顺利开挖至关重要。冻结壁的变形不仅影响井筒的正常开挖，如发生冻结壁失稳和破坏将会造成重大的经济损失和安全事故。如何避免冻结法施工井筒的冻结壁超过允许变形或破坏之前及时采取加固措施以减小灾害。为了保证冻结法施工井筒的冻结壁的温度、受力和变形均在允许范围之内，需要 利用传感设备监测冻结壁状态。目前冻结壁的温度采用测温孔内布置铜-康铜热电偶串、热敏电阻式数字单点测温仪，冻结壁的变形采用设置钢球垂线，冻胀压力采用TYJ-20 土压计及KYJ - 30渗压计、钢弦式土压力盒。光纤光栅传感技术在20世纪90年代发展起来的一种新型传感监测技术，与常规传感器相比有很大的优越性，如可靠性好、抗干扰能力强、抗腐蚀、耐高温、体积小、测点多、灵活方便，而且容易实现远距离信号传输和测量控制，可在恶劣环境下工作等优点，已经成为岩土工程变形监测领域的热点。在光纤传感技术发展的基础上将该技术应用在冻结法施工井筒的冻结壁中，以建立一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统以便对冻结法施工井筒的冻结壁的温度、受力和变形进行实时和自动化监测。本发明解决技术问题采用如下方案一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统，包括工程监测设备和处理监测信息的计算机软件系统，其结构特点在于，所述工程监测设备包括植入在冻结壁内用于监测冻结壁的温度、受力及变形分布式光纤、FBG传感器，所述分布式光纤、FBG传感器通过光缆分别连接光纤应变分析仪、光纤光栅应变采集系统以实现数据采集；所述计算机软件系统包括数据库、数据分析系统、预警预报系统和监测报告生成系统；所述数据库用于收集光纤应变分析仪和光纤光栅应变采集系统监测到的数据，所述数据分析系统通过数据分析软件对数据库中监测数据进行分析和预测，所述预警预报系统在数据分析系统对数据进行分析和预测后，在冻结壁超过允许变形或破坏之前对冻结壁的变形情况提供实时预警预报；所述监测报告生成系统以向导的形式自动生成的各类报表和报告；整个计算机软件系统主要实现数据接收、原始曲线和数据查询、动态直方显示，温度值、受力值及变形值自动识别和曲线报表和报告综合处理，并具有打印输出功能。
一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统的布设施工方法，其特点在于按如下步骤进行I)根据地质条件确定冻结壁需要监测的位置，并设计监测钻孔；监测钻孔包括变形监测孔、测温孔，沿井筒周壁轴向均布；并在施工冻结钻孔的过程中同时施工监测钻孔，当监测钻孔施工到设计深度后开始布设分布式光纤 及FBG传感器；2)选择PVC护管，PVC护管为分段结构，采用平口套管方式连接以保证护管内壁光滑，将PVC护管固定在细钢丝上，逐渐放入监测钻孔内，然后将分布式光纤、FBG传感器放A PVC护管内，使用光纤分析仪监测放入的光纤是否有损坏，为了保证光纤传感器在安装过程中的成功率，在每个钻孔中至少安装2根以上分布式光纤；所述PVC护管的管壁上间隔30-50cm打有小孔，即泥浆渗入孔，以便混凝土泥浆能进入护管内。3)监测钻孔的孔口采用钢管作为护管，钢管和PVC护管搭接，在井口环形沟槽内米用钢管作为分布式光纤、FBG传感器的护管,将分布式光纤、FBG传感器引入金属盒子内，再连接光缆；4)监测钻孔和分布式光纤、FBG传感器之间采用泥浆充填，泥浆是在护管和钻孔之间进行充填，泥浆再通过PVC护管上的渗入孔渗入管内，在冻结壁形成的过程中，监测钻孔中的泥浆和分布式光纤、FBG传感器及监测孔结冰成为一体实现耦合；5)将冻结壁内的分布式光纤、FBG传感器通过光缆分别连接光纤应变分析仪、光纤光栅应变采集系统以实现数据采集；再连接到计算机上，通过数据库和数据分析软件对监测数据进行实时分析和预测预报。与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在本发明可以实时和自动监测冻结法施工井筒的冻结壁温度、受力和变形，能在超过允许变形或破坏之前对冻结壁的变形情况提供预警预报，以减小灾害和损失。与常规传感器相比有很大的优越性，如质量轻、实现分布式监测、使用寿命长、可靠性好、抗干扰能力强、抗腐蚀、耐高温、体积小、测点多、灵活方便，而且容易实现远距离信号传输和测量控制，可在恶劣环境下工作等优点。
图I是本发明监测系统结构示意图。图2是本发明监测系统布设示意图。图3是本发明PVC护管结构示意图。图4是本发明PVC护管连接方式结构示意图。图中1冻结壁、2监测部位、3监测设备、4计算机软件系统、5、外管箍、6扁铁、7监测孔、8光缆、9光纤应变分析仪、10光纤光栅应变采集系统、IIPVC护管、12分布式光纤、13FBG传感器、14变形监测孔、15泥浆渗入孔以下结合附图通过具体实施方式
对本发明技术方案做进一步说明。
具体实施例方式监测系统，包括工程监测设备3和处理监测信息的计算机软件系统4，如图2所示，工程监测设备3包括植入在冻结壁I内用于监测冻结壁的温度、受力及变形分布式光纤12、FBG传感器13，分布式光纤12、FBG传感器13通过光缆8分别连接光纤应变分析仪9、光纤光栅应变采集系统10以实现数据采集。如图I所示，计算机软件系统4包括数据库、数据分析系统、预警预报系统和监测报告生成系统；所述数据库用于收集光纤应变分析仪和光纤光栅应变采集系统监测到的数据，所述数据分析系统通过数据分析软件对数据库中监测数据进行分析和预测，所述预警预报系统在数据分析系统对数据进行分析和预测后，在冻结壁超过允许变形或破坏之前对冻结壁的变形情况提供实时预警预报；所述监测报告生成系统以向导的形式自动生成的各类报表和报告；整个计算机软件系统主要实现数据 接收、原始曲线和数据查询、动态直方显示，温度值、受力值及变形值自动识别和曲线报表和报告综合处理，并具有打印输出功能。数据采集分布式光纤、FBG传感器分别连接到光纤应变分析仪、光纤光栅应变采集系统实现数据采集。当冻结壁温度、受力及变形发生变化时，分布式光纤、FBG传感器就能监测到相应的变化。可以通过光纤应变分析仪的设置监测分布式光纤对冻结壁温度、受力及变形不同位置的测点的变化。光纤应变分析仪和光纤光栅应变采集系统监测到的数据通过数据线直接进入计算机的数据库。监测数据软件分析系统数据库采用Microsoft SQL Server2005,三维图形显示采用Surfer实现，采用Matlab工具箱实现冻结壁监测数据的分析和预测，监测报告以向导的形式自动生成的各类报表。具体实施时，首先需要把分布式光纤和FBG传感器植入冻结法施工井筒的冻结壁内，布设方法如下首先根据地质条件确定需要监测的位置，在监测部位I处设计监测钻孔，钻孔包括测温孔和变形监测孔；其次在施工冻结钻孔的过程中同时施工监测钻孔 ’第三，将PVC护管固定在细钢丝上，PVC管连接采用平口套管式，逐渐放入监测钻孔内，PVC护管连接方式如图4所示，采用外管箍5与钢管接头螺纹连接，外管箍5连接的上下钢管上焊接扁铁6，扁铁和外管箍外壁螺纹连接；第四，将分布式光纤、FBG传感器放入PVC护管11内，PVC护管的管壁上间隔30-50cm打有小孔，即泥浆渗入孔15，以便混凝土泥浆能进入护管内，如图3所示。第五，分布式光纤安装在监测孔内使用光纤分析仪监测光纤是否有损坏，为了保证光纤传感器在安装过程中的成功率，在每个钻孔中至少安装2根以上分布式光纤。第六，在监测钻孔的孔口采用钢管作为护管，钢管和PVC护管搭接。在井口环形沟槽内采用钢管作为分布式光纤护管，将分布式光纤引入金属盒子内，再连接光缆。第七，监测钻孔和分布式光纤、FBG传感器之间采用泥浆充填，泥浆是在护管和钻孔之间进行充填，泥浆再通过PVC护管上的孔渗入管内。在冻结壁形成的过程中，监测钻孔中的泥浆和分布式光纤及监测孔结冰成为一体实现耦合。第八、将冻结壁内的分布式光纤、FBG传感器通过光缆分别连接光纤应变分析仪、光纤光栅应变采集系统以实现数据采集；再连接到计算机上，通过数据库和数据分析软件对监测数据进行实时分析和预测预报。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如护管埋设方法、数据分析方法、钻孔充填材料等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统，包括工程监测设备和处理监测信息的计算机软件系统，其特征在于， 所述工程监测设备包括植入在冻结壁内用于监测冻结壁的温度、受力及变形分布式光纤、FBG传感器，所述分布式光纤、FBG传感器通过光缆分别连接光纤应变分析仪、光纤光栅应变采集系统以实现数据采集； 所述计算机软件系统包括数据库、数据分析系统、预警预报系统和监测报告生成系统；所述数据库用于收集光纤应变分析仪和光纤光栅应变采集系统监测到的数据，所述数据分析系统通过数据分析软件对数据库中监测数据进行分析和预测，所述预警预报系统在数据分析系统对数据进行分析和预测后，在冻结壁超过允许变形或破坏之前对冻结壁的变形情况提供实时预警预报；所述监测报告生成系统以向导的形式自动生成的各类报表和报告；整个计算机软件系统主要实现数据接收、原始曲线和数据查询、动态直方显示，温度值、受力值及变形值自动识别和曲线报表和报告综合处理，并具有打印输出功能。
2.—种权利要求I所述的实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统的布设施工方法，其特征在于按如下步骤进行 1)根据地质条件确定冻结壁需要监测的位置，并设计监测钻孔；监测钻孔包括变形监测孔、测温孔，沿井筒周壁轴向均布；并在施工冻结钻孔的过程中同时施工监测钻孔，当监测钻孔施工到设计深度后开始布设分布式光纤及FBG传感器； 2)选择PVC护管，PVC护管为分段结构，采用平口套管方式连接以保证护管内壁光滑，将PVC护管固定在细钢丝上，逐渐放入监测钻孔内，然后将分布式光纤、FBG传感器放入PVC护管内，使用光纤分析仪监测放入的光纤是否有损坏，为了保证光纤传感器在安装过程中的成功率，在每个钻孔中至少安装2根以上分布式光纤；所述PVC护管的管壁上间隔30-50cm打有小孔，即泥浆渗入孔，以便混凝土泥浆能进入护管内； 3)监测钻孔的孔口采用钢管作为护管，钢管和PVC护管搭接，在井口环形沟槽内采用钢管作为分布式光纤、FBG传感器的护管,将分布式光纤、FBG传感器引入金属盒子内，再连接光缆； 4)监测钻孔和分布式光纤、FBG传感器之间采用泥浆充填，泥浆是在护管和钻孔之间进行充填，泥浆再通过PVC护管上的渗入孔渗入管内，在冻结壁形成的过程中，监测钻孔中的泥浆和分布式光纤、FBG传感器及监测孔结冰成为一体实现耦合； 5)将冻结壁内的分布式光纤、FBG传感器通过光缆分别连接光纤应变分析仪、光纤光栅应变采集系统以实现数据采集；再连接到计算机上，通过数据库和数据分析软件对监测数据进行实时分析和预测预报。
全文摘要
一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形及的系统及其布设方法，属于检测仪器设备技术领域，用于对井筒冻结法施工的冻结壁温度、受力及变形进行实时和自动监测。该系统包括需要监测的冻结法施工井筒的冻结壁、工程监测位置、变形监测传感设备及仪器、监测数据软件分析系统。解决的问题是由于冻结法施工井筒冻结壁的变形和破坏将直接关系到冻结法施工的井筒工程能否正常施工，如何在冻结法施工井筒冻结壁出现超过允许变形或破坏之前发现征兆是减小灾害的关键问题。本发明的有益效果在于该实时和自动监测井筒冻结壁温度、受力及变形监测变形系统将能在冻结法施工的井筒冻结壁出现超过允许变形或破坏之前提供预警预报以减小的灾害和损失。
文档编号E21B47/07GK102748005SQ20121024388
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者刘增辉, 梅家敏, 武胜男, 沈华军, 陆卫国 申请人:中煤矿山建设集团有限责任公司