基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法与流程

1.本发明属于煤矿技术领域，涉及一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法。


背景技术：

2.煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法作为一种解决采区覆岩沉降的技术新途径，越来越受到重视。随采随充前，首先在待回采的综采工作面煤层上方的直接顶岩层中形成水平定向长钻孔并下入套管，在随采随充过程中实时向采空区注入充填料浆膏体，直至整个综采工作面作业完成。但是，随充过程中采用的料浆主要成分包括煤矸石、水泥、砂子、黄土、水等，料浆配比控制不好，在套管运输过程中，尤其在套管转弯处，极易造成大颗粒沉淀、凝结，以至于料浆未到达采空区在管道中造成堵塞，严重时可能造成整个套管停输，所以，随充过程中套管内料浆的防堵监测尤为重要。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，解决随充过程中套管内料浆的防堵监测等问题，保证后期套管内料浆正常输送。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
5.一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，包括以下步骤：
6.步骤1，在随充套管下孔前，首先将传感光缆沿随充套管轴向布置于随充套管外壁上侧凹槽内，并胶封保护，使传感光缆与随充套管耦合；传感光缆随随充套管一次性下入孔内，传感光缆地面端接入监测主机，进入测量状态；
7.步骤2，在料浆充填过程中，监测主机采用测应变模式，通过监测主机对传感光缆应变信号的实时监测，评定随充套管各区段的堵塞程度d；
8.步骤3，当某区段堵塞程度d超过20％时，停止料浆输送，并根据传感光缆应变信号的位置信息定位堵塞区域；
9.步骤4，监测主机采用测振动模式，孔口下入高压水射流扩孔钻头，监测主机实时定位扩孔钻头前进位置，到达堵塞位置后，开启射流扩孔模式，扩孔完成后，退出扩孔钻头，继续进行料浆充填。
10.本发明还包括如下技术特征：
11.具体的，所述传感光缆采用普通通信光缆。
12.具体的，所述步骤2中，监测主机的脉冲激光器通过调制发出高度相干的激光脉冲信号，通过环形器送入传感光缆中，由于料浆运输使得光信号在传感光缆中发生扰动，产生后向瑞利散射信号，并再次通过环形器输送到监测主机的光电二极管中，线性解调出调制到传感光缆上的扰动信号的相位信息，通过信号处理算法得到沿传感光缆轴向的应变信息，并由光信号传输延时确定其位置，实现对应变事件的定位。
13.具体的，所述堵塞程度d为该区段随充套管内料浆沉淀物体积占空套管体积的比例。
14.具体的，所述步骤2中，料浆以固定流速通过随充套管水平段，随充套管转弯处及水平段产生沉淀堵塞，此时孔口持续输送料浆，料浆整体流量不变，堵塞处料浆流速变大，此时通过随充套管外侧布置的传感光缆实时感应到应变信号，通过反射光传递给地面监测主机，监测主机对数据解调处理后评定堵塞程度d。
15.具体的，所述堵塞程度d的评定包括：
16.设随充套管轴向方向为x轴，径向方向为y轴，基于哈根-泊肃叶流动原理，料浆在套管内流动，流体速度剖面u(y)表示为：
[0017][0018]
式中，μ为料浆流体第一粘性系数，a为随充套管半径，g＝-δp表示压力梯度；
[0019]
根据牛顿流体原理，料浆属于粘性流体，在随充套管内运动存在剪应力τ(y)，表示为：
[0020][0021]
由式(1)和式(2)得到：
[0022][0023]
当料浆产生堵塞时，由于重力作用，料浆沉降堆积在套管下侧，套管上侧料浆流体压力梯度δp会增大，此时剪应力τ(y)也会变大，套管上侧外壁布置的传感光缆能实时感应到此处套管内的剪应力τ(y)，通过式(3)能解算出该段的压力梯度δp；建立压力梯度δp与堵塞程度d的预测模型：
[0024][0025]
式中，δp0为无堵塞状态下该段的压力梯度，a、b、c为模型常数项。
[0026]
具体的，所述模型常数项a、b、c通过模拟试验计算过程为：搭建实验室模拟平台，截取随充套管2米，孔口通过泥浆泵控制料浆输送压力，在随充套管中间处通过凝固料浆模拟不同堵塞程度d，在堵塞正上方随充套管处布置压力传感器，实时监测与孔口的压力梯度δp；通过模拟不同堵塞程度d，测量对应的压力梯度δp，建立大量样本值，基于插值方法得到曲线变化趋势，通过拟合分析得到模型常数项a、b、c。
[0027]
具体的，步骤4中，高压水射流扩孔钻头下入水平段后，开启水泵，使扩孔钻头在料浆中稳速前进，在此过程中，监测主机采用测振动模式，实时接收随充套管外传感光缆反射信号，通过振动监测定位随充套管中扩孔钻头的实时位置，当钻头到达堵塞区域时，根据堵塞程度d的不同程度加大水压，完成扩孔。
[0028]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0029]
1、本发明通过水平定向长钻孔将输送套管及传感光缆一次性送入直接顶岩层中，不需要二次布置传感器，且井下监测部分采用分布式光纤，整体无源，避免了随采过程中的易燃易爆危险。
[0030]
2、本发明在生态采煤随充过程中，通过传感光缆实时监测随充套管内料浆的流动
情况，监测主机实时评定套管内堵塞程度，定位堵塞区域，同时可跟踪扩孔钻头的位置，精确定位扩孔段，采用一套监测设备两种测量方式即可解决两部分监测难题，在随采随充受限工况范围内是最有效的监测模式。
附图说明
[0031]
图1为料浆随充监测原理示意图；
[0032]
图2为料浆流动原理图；
[0033]
图3为高压水射流扩孔示意图。
[0034]
图中各个标号的含义为：
[0035]
1.采煤工作面，2.直接顶岩层，3.随充套管，4.传感光缆，5.监测主机，6.料浆泵，7.扩孔钻头。
具体实施方式
[0036]
煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤过程：随采随充前，首先在待回采的综采工作面煤层上方的直接顶岩层中形成水平定向长钻孔并下入随充套管，在随采随充过程中实时向采空区注入充填料浆膏体，直至整个综采工作面作业完成。
[0037]
本发明提出一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，该方法可监测到全部随充套管内料浆的流动情况，定位套管内堵塞区域，评定堵塞程度，当随充套管内某区域堵塞超过20％时，下入钻头利用高压水射流进行扩孔，由于高压软管在下入过程中会产生弯曲，无法精准控制扩孔钻头位置，因此通过光纤传感可定位扩孔钻头至堵塞位置，在料浆终凝前，利用高压水射流将其疏通，保证后期套管内料浆正常输送。
[0038]
具体的，该方法基于分布式光纤测应变、测振动原理，在料浆输送过程中，极易在随充套管转弯处及水平段产生沉淀堵塞，此时孔口持续输送料浆，堵塞处的料浆流量增大，形成较大流速，此时通过随充套管外侧布置的传感光缆可实时感应到该事件，监测主机可智能评定堵塞程度，并定位堵塞区段。当堵塞超过20％时，通过孔口下入扩孔钻头，钻头在水平段以较小水压通过料浆时，产生振动，传感光缆可实时感应振动信号，监测主机实时定位钻头前进位置，当钻头前进至堵塞区段时，根据堵塞程度增大钻头水路压力进行扩孔。
[0039]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0040]
实施例1：
[0041]
本实施例提供一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤1，在随充套管下孔前，首先将传感光缆沿随充套管轴向布置于随充套管外壁上侧凹槽内，并胶封保护，保证传感光缆与随充套管耦合；传感光缆采用普通通信缆，传感光缆随随充套管一次性下入孔内，传感光缆地面端接入监测主机，进入测量状态，监测主机根据随充套管及传感光缆相关参数确定传感光缆的零坐标起点位置，并设置采样分辨率；如图1所示，采煤工作面1上方的直接顶岩层2中形成水平定向长钻孔并下入随充套管3，随充套管3外壁的传感光缆4与监测主机5相连，随充套管3连接地面端的料浆泵6。
[0043]
步骤2，在料浆充填过程中，监测主机采用测应变模式，通过监测主机对传感光缆
应变信号的实时监测，评定随充套管各区段的堵塞程度d。
[0044]
具体的，监测主机的脉冲激光器通过调制发出高度相干的激光脉冲信号，通过环形器送入传感光缆中，由于料浆运输使得光信号在传感光缆中发生扰动，产生后向瑞利散射信号，并再次通过环形器输送到监测主机的光电二极管中，线性解调出调制到传感光缆上的扰动信号的相位信息，通过信号处理算法得到沿传感光缆轴向的应变信息，并由光信号传输延时确定其位置，实现对应变事件的定位(分辨率1米)；
[0045]
在随充过程中，通过监测主机对传感光缆应变信号的实时监测，智能评定随充套管各区段的堵塞程度d：料浆以固定流速通过随充套管水平段，但当料浆配比不均匀、固体颗粒物较多、浓度较大时，极易在随充套管转弯处及水平段产生沉淀堵塞，此时孔口持续输送料浆，料浆整体流量不变，堵塞处料浆流速变大，此时通过随充套管外侧布置的传感光缆实时感应到信息，通过反射光传递给地面监测主机，监测主机对数据解调处理后评定堵塞程度d，d为堵塞百分比指的是该区段(1米)随充套管内料浆沉淀物体积占空套管体积的比例；
[0046]
堵塞程度d的评定方法为：
[0047]
如图2，设随充套管轴向方向为x轴，径向方向为y轴，基于哈根-泊肃叶流动原理，料浆在套管内流动，流体速度剖面u(y)表示为：
[0048][0049]
式中，μ为料浆流体第一粘性系数，a为随充套管半径，g＝-δp表示压力梯度；
[0050]
根据牛顿流体原理，料浆属于粘性流体，在随充套管内运动存在剪应力τ(y)，表示为：
[0051][0052]
由式(1)和式(2)得到：
[0053][0054]
当料浆产生堵塞时，由于重力作用，料浆沉降堆积在套管下侧，套管上侧料浆流体压力梯度δp会增大，此时剪应力τ(y)也会变大，套管上侧外壁布置的传感光缆能实时感应到此处套管内的剪应力τ(y)，通过式(3)能解算出该段的压力梯度δp；建立压力梯度δp与堵塞程度d的预测模型：
[0055][0056]
式中，δp0为无堵塞状态下该段的压力梯度，a、b、c为模型常数项，通过模拟试验计算；搭建实验室模拟平台，截取随充套管2米，孔口通过泥浆泵控制料浆输送压力，在套管中间处通过凝固料浆模拟不同堵塞程度d，在堵塞正上方套管处布置压力传感器，实时监测与孔口的压力梯度δp；通过模拟不同堵塞程度d，测量对应的压力梯度δp，建立大量样本值，基于插值方法得到曲线变化趋势，通过拟合分析得到式(4)中的a，b，c参数，完成堵塞程度d模型预测。
[0057]
步骤3，当某区段堵塞程度d超过20％时，停止料浆输送，并根据传感光缆应变信号的位置信息定位堵塞区域。
[0058]
步骤4，监测主机采用测振动模式，孔口下入高压水射流扩孔钻头，监测主机实时定位扩孔钻头前进位置，到达堵塞位置后，开启射流扩孔模式，扩孔完成后，退出扩孔钻头，继续进行料浆充填。
[0059]
如图3下入高压水射流扩孔钻头7，扩孔钻头7下入水平段后，开启水泵，以较小水压保证钻头在料浆中稳速前进，在此过程中，监测主机采用测振动模式，实时接收随充套管外传感光缆反射信号，通过振动监测定位随充套管中钻头的实时位置，当钻头到达堵塞区域时，根据堵塞程度d不同程度加大水压，开启射流扩孔模式，扩孔完成后，退出钻头，继续进行料浆充填。

技术特征：
1.一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在随充套管下孔前，首先将传感光缆沿随充套管轴向布置于随充套管外壁上侧凹槽内，并胶封保护，使传感光缆与随充套管耦合；传感光缆随随充套管一次性下入孔内，传感光缆地面端接入监测主机，进入测量状态；步骤2，在料浆充填过程中，监测主机采用测应变模式，通过监测主机对传感光缆应变信号的实时监测，评定随充套管各区段的堵塞程度d；步骤3，当某区段堵塞程度d超过20％时，停止料浆输送，并根据传感光缆应变信号的位置信息定位堵塞区域；步骤4，监测主机采用测振动模式，孔口下入高压水射流扩孔钻头，监测主机实时定位扩孔钻头前进位置，到达堵塞位置后，开启射流扩孔模式，扩孔完成后，退出扩孔钻头，继续进行料浆充填。2.如权利要求1所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，所述传感光缆采用普通通信光缆。3.如权利要求1所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，所述步骤2中，监测主机的脉冲激光器通过调制发出高度相干的激光脉冲信号，通过环形器送入传感光缆中，由于料浆运输使得光信号在传感光缆中发生扰动，产生后向瑞利散射信号，并再次通过环形器输送到监测主机的光电二极管中，线性解调出调制到传感光缆上的扰动信号的相位信息，通过信号处理算法得到沿传感光缆轴向的应变信息，并由光信号传输延时确定其位置，实现对应变事件的定位。4.如权利要求1所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，所述堵塞程度d为该区段随充套管内料浆沉淀物体积占空套管体积的比例。5.如权利要求1所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，所述步骤2中，料浆以固定流速通过随充套管水平段，随充套管转弯处及水平段产生沉淀堵塞，此时孔口持续输送料浆，料浆整体流量不变，堵塞处料浆流速变大，此时通过随充套管外侧布置的传感光缆实时感应到应变信号，通过反射光传递给地面监测主机，监测主机对数据解调处理后评定堵塞程度d。6.如权利要求5所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，所述堵塞程度d的评定包括：设随充套管轴向方向为x轴，径向方向为y轴，基于哈根-泊肃叶流动原理，料浆在套管内流动，流体速度剖面u(y)表示为：式中，μ为料浆流体第一粘性系数，a为随充套管半径，g＝-δp表示压力梯度；根据牛顿流体原理，料浆属于粘性流体，在随充套管内运动存在剪应力τ(y)，表示为：由式(1)和式(2)得到：
当料浆产生堵塞时，由于重力作用，料浆沉降堆积在套管下侧，套管上侧料浆流体压力梯度δp会增大，此时剪应力τ(y)也会变大，套管上侧外壁布置的传感光缆能实时感应到此处套管内的剪应力τ(y)，通过式(3)能解算出该段的压力梯度δp；建立压力梯度δp与堵塞程度d的预测模型：式中，δp0为无堵塞状态下该段的压力梯度，a、b、c为模型常数项。7.如权利要求6所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，所述模型常数项a、b、c通过模拟试验计算过程为：搭建实验室模拟平台，截取随充套管2米，孔口通过泥浆泵控制料浆输送压力，在随充套管中间处通过凝固料浆模拟不同堵塞程度d，在堵塞正上方随充套管处布置压力传感器，实时监测与孔口的压力梯度δp；通过模拟不同堵塞程度d，测量对应的压力梯度δp，建立大量样本值，基于插值方法得到曲线变化趋势，通过拟合分析得到模型常数项a、b、c。8.如权利要求1所述的基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，其特征在于，步骤4中，高压水射流扩孔钻头下入水平段后，开启水泵，使扩孔钻头在料浆中稳速前进，在此过程中，监测主机采用测振动模式，实时接收随充套管外传感光缆反射信号，通过振动监测定位随充套管中扩孔钻头的实时位置，当钻头到达堵塞区域时，根据堵塞程度d的不同程度加大水压，完成扩孔。

技术总结
本发明公开了一种基于光纤传感的生态采煤随充套管内料浆防堵监测方法，基于分布式光纤测应变、测振动原理，在料浆输送过程中在随充套管转弯处及水平段产生沉淀堵塞，此时通过随充套管外侧布置的传感光缆可实时感应到该事件，监测主机可智能评定堵塞程度，并定位堵塞区段；当堵塞超过20％时，通过孔口下入扩孔钻头，监测主机实时定位钻头前进位置，当钻头前进至堵塞区段时，根据堵塞程度增大钻头水路压力进行扩孔。本发明解决了随充过程中套管内料浆的防堵监测等问题，保证后期套管内料浆正常输送。常输送。常输送。


技术研发人员：丛琳 王海军 鲁晶津 王云宏 崔伟雄 王冰纯 房哲 陈崇枫
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/9