分布式光纤温度传感器在煤矿冻结建井中的应用

丁 楠，胡传龙，于紧昌，刘亚南

（中国电子科技集团公司第八研究所，安徽合肥 230000）

0 引言

近年来，煤矿矿井逐步向深厚冲积层的深井建设发展，在深厚表土层或软岩层中建设井筒，冻结法是穿越不稳定的厚表土层或软岩层的有效施工方法。冻结建井技术的关键是冻结壁的强度与稳定性的问题，这主要取决于冻结壁的厚度和冻结壁的温度。冻结壁不同层位、不同方位的温度变化都会影响冻结力的大小。研究矿井在冻结和融化过程中温度形成和变化规律，对正确解决冻结与掘砌的关系具有重要的指导意义［1，2］。

目前，冻结建井温度监测采用的是单总线温度传感器组成的测量阵列，在工程使用中虽然能对现场的温度进行监测，但是测温点少，不能有效还原现场温度场分布情况。分布式光纤温度传感器釆用光纤拉曼散射效应［3］测温，能够连续监测测温光缆分布区域的温度场变化，具有实时在线、抗电磁干扰、绝缘性好等优点，非常适合煤矿冻结建井过程中温度场的实时监测［4，5］。

1 分布式光纤温度传感器的基本原理

1.1 系统架构［6，7］

分布式光纤温度传感器利用激光在光纤中传输时产生的自发拉曼（Raman）散射和光时域反射（OTDR）技术来获取空间温度场信息。分布式光纤温度传感器的硬件部分如图1所示，主要由光路部分和电路部分组成。光路部分由脉冲激光器及其驱动器、1×2双向耦合器、波分复用器、标准光纤、测温光纤、光纤滤波器、雪崩光电二极管（APD）等组成。电路部分由多级前向放大器、高速数据采集卡、同步控制电路等组成。软件部分主要是通过计算机系统和编写的采集处理软件完成读取数据采集卡状态、斯托克斯（Stokes）数据、反斯托克斯（Anti-stokes）数据等，计算测温光缆所在温度场各点的温度数据，并显示出完整温度曲线图。此外，还可以通过数据库中预先设定的阈值，与报警系统相连，实现超温报警等功能。

图1 分布式光纤温度传感系统结构图Fig 1 Structure diagram of distributed fiber-optic temperature sensing system

分布式光纤温度传感器工作过程可以表述为:脉冲激光器产生的脉冲光经1×2光纤双向耦合器进入测温光纤，在测温光纤中由于拉曼散射效应，产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经1×2光纤双向耦合器进入到波分复用器，由波分复用器将背向自发拉曼散射光分成两路:一路反斯托克斯光，经滤波器滤波后进雪崩光电二极管，转换成电信号，并进行放大;另一路斯托克斯散射光，经滤波器滤波后进入另一个雪崩光电二极管，转换成电信号，并进行放大。高速数据采集卡将放大后的电信号采集累加平均，然后计算机软件对采集到的数据按照解调原理进行解调，最后通过计算得到空间温度场分布曲线。

1.2 解调原理［8，9］

已知反斯托克斯光和斯托克斯光的强度之比R（T）和温度T的关系为

式中 λs，λas分别为斯托克斯和反斯托克斯光波长;h为普朗克常量;c为真空中光速，k=1.38×10-23J/K;T为绝对温度，K;Δσ 为波数，cm-1。

使用斯托克斯光和反斯托克斯光光强之比对温度进行解调，还需要知道传感光纤中某一长度范围内的准确温度，将测得的斯托克斯光和反斯托克斯光光强度与该段的比值做比较，就可以得出被测区域的温度信息。假设传感光缆处于T0温度时，其反斯托克斯光和斯托克斯光光强度Pas（T0），Ps（T0）之比为

式中Ks，Kas分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数，νs，νas分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率，αs，αas分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光的光纤传输损耗。

当光纤所处温度从T0变化到T时

则

由式（4）可以解调出温度信息

因此，只要测得F（T），F（T0），T0的值，便可解出温度T，此时，再结合OTDR技术即可得到测温光纤所在位置的距离—温度信息。

1.3 OTDR 技术原理［10］

激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤折射率的微观不均匀性，会产生各种散射。入射光脉冲经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所经过的距离为2L，2L=v×t，v为光在光纤中传播的速度，v=c/n（n为光纤的折射率），则在t时刻测量到的是距离光纤入射端距离为L处的背向散射光。

光纤的背向散射光子通量

式中 Φe为光纤入射端的激光脉冲的光子通量;KR为与光纤散射截面相关的系数;ν0为入射激光的频率;S为光纤的背向散射因子;α0为入射光子频率处光纤的损耗;L为距离入射端的长度，则

OTDR技术还可以确定光纤特定点的损耗，光纤故障点、断点的位置，对测量点进行定位，也被称为光纤激光雷达。

2 在冻结建井过程中的应用

在国投新集集团口孜东煤矿开挖过程中，为了避免出现坍塌事故，在开挖点附件进行冻结作业，如图2所示。中间部分为需要开挖的井筒，外围为32个冻结孔，这些冻结孔由几百米的钢管构成，主要用于低温盐水的循环，T1和T2为测温孔。由于冻结的强度、范围和深度要根据矿井大小及其所处地理环境等因素决定，所以，在冻结过程中需要对冻结温度场进行实时监测。现场施工过程中，施工方先用传统的点式温度传感器串接形成单总线温度传感器阵列对T1冻结孔进行监测，然后对关键点温度数据进行处理，计算出整个冻土层的温度场分布［11］。但由于传统点式传感器阵列的扩展受到诸多因素的影响，所以，监测的点数有限，不能很好地反映温度场分布情况。尤其是电传感器相互干扰严重、故障率高、传输速率慢使监测过程受到很大的影响。为了解决以上问题，本文提出将分布式光纤温度传感器测温光缆放入T2冻结孔和单总线温度传感器阵列同时对冻结井壁温度进行监测，对比监测数据，提高监测过程的可靠性。

图2 冻结建井俯视结构示意图Fig 2 Diagram of overlooking structure of shaft-sinking by freezing

2.1 测温光缆结构

冻结建井测温孔温度在-25℃左右，且测温光缆需要反复收放，为了满足如此苛刻的现场条件，本文通过实验，将光缆设计成图3所示的结构。

图3 测温光缆结构Fig 3 Structure of optical cable for temperature measuring

2.2 实验结果分析

在国投新集集团口孜东煤矿冻结建井期间应用分布式光纤温度传感器对测温孔进行了长期的测温实验。从实验数据看，分布式光纤温度传感器测得的温度值与现有单总线温度传感器阵列测得的温度值在同一深度相差无几，并且分布式光纤温度传感器的空间分辨率为1 m（即在空间上可以分辨1 m范围的温度变化），是单总线温度传感器阵列的20～30倍，数据量更大，温度场还原更准确、全面。图4是根据测量到的温度值绘制的温度随距离变化的曲线，从2幅图中可以看出:分布式光纤温度传感器测得的数据点绘制出的趋势曲线更加详细。

图4 根据实测温度值绘制的温度随距离变化的趋势曲线Fig 4 Trend curve of temperature change with distance according to measured temperature value

3 结论

通过在国投新集集团口孜东煤矿冻结建井期间的现场实验情况可以看出:分布式光纤温度传感器在冻结建井温度监测中的应用是完全可行的，并且分布式光纤温度传感器很好地克服了单总线温度传感器阵列的不足，真正实现了对冻结过程中井壁温度的分布式监测。分布式光纤温度传感器的传感光缆既感知温度信息又传输温度信息，可以根据需要获取任意测温层面、任意位置的温度信息，不受具体的测温点的制约，实现对冻结温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监测，它的使用对于加快井筒建设施工速度，提高投资效益具有重要的现实意义。

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［2］王 军，纪洪广，隋智力.深厚表土层人工冻结法凿井技术研究进展［J］.中国矿业，2008，17（7）:93-95.

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