高空間分辨率分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)

地?zé)峋两到Y(jié)構(gòu)監(jiān)測

（BOTDA）

1. 概述

由于地下水和油氣資源的過量開采，地面沉降已經(jīng)成為一個(gè)世界范圍內(nèi)普遍發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。我國于20世紀(jì)20年代在上海和天津最早發(fā)現(xiàn)了地面沉降；截止2015年，已有102個(gè)城市發(fā)生了不同程度的地面沉降，其中9個(gè)城市的最大沉降量已經(jīng)超過了50mm。2011年國務(wù)院頒發(fā)的《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011-2020年）》要求查明全國地面沉降災(zāi)害現(xiàn)狀、分布規(guī)律、發(fā)展趨勢及形成原因，建立重點(diǎn)地區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。2017年11月國土資源部發(fā)布的《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案（2017-2025年）》中也明確指出，地面沉降是我國當(dāng)前城市發(fā)展面臨的5大地質(zhì)問題之一，而這個(gè)問題在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口密集城市尤為突出。當(dāng)前，要實(shí)現(xiàn)地面沉降有效的防治和管理，不僅需要獲取地表的變形量，也需要掌握地面以下各地層的變形情況。

2. 高空間分辨率分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)（BOTDA）

2.1. 系統(tǒng)簡介

高空間分辨率分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)（BOTDA）是基于受激布里淵散射效應(yīng)、光時(shí)域反射技術(shù)原理的最新一代分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)通信級單模光纖，光纖既是傳輸介質(zhì)，又是傳感元件。將光纖敷設(shè)于待測體上，即可實(shí)時(shí)獲得光纖上每一點(diǎn)的溫度和應(yīng)變分布信息，實(shí)現(xiàn)超長距離的連續(xù)在線監(jiān)測與精確定位。

BOTDA集光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)和信息處理等技術(shù)于一體。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定、空間分辨率高、定位精確、安裝維護(hù)簡便、功耗低。該系統(tǒng)具有高空間分辨率（0.25米）、全域分布無盲點(diǎn)、無源防爆、抗干擾、對環(huán)境要求低、使用壽命長、智能融合便捷等優(yōu)勢。

2.2. 測量原理

分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)儀BOTDA采用普通單模通信光纖為傳感器，“傳"、“感"合一，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)十公里溫度與應(yīng)變分布式測量。

BOTDA系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括：脈沖激光光源、連續(xù)激光光源，傳感光纖，信號探測電路。其中脈沖光源和連續(xù)光源位于傳感光纖的兩端，相向入射；傳感光纖一般由雙芯光纖構(gòu)成探測回路，既是傳感器，又是傳輸介質(zhì)，安裝簡單方便。

BOTDA系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.3. 性能指標(biāo)

3. 系統(tǒng)方案

已建井壁的受力，主要有不隨時(shí)間變化的井壁自重、井塔井筒裝備附加于井壁上的荷載、地層壓力等恒荷載，還有隨時(shí)間變化的井壁豎直附加力和溫度應(yīng)力。

鑒于分布式光纖傳感器自身具有長期穩(wěn)定、觀測精度良好、儀器結(jié)構(gòu)牢固、防潮密封性好、本征無源防爆，能在很大溫度變輻范圍內(nèi)正常工作的特性。選擇分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)對井壁應(yīng)力和井筒溫度進(jìn)行監(jiān)測，可以滿足井筒安全監(jiān)測需工期長、測試儀器穩(wěn)定可靠、精度高等要求。

3.1. 設(shè)計(jì)依據(jù)

3.2. 監(jiān)測系統(tǒng)組成

分布式光纖井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)包括光纖監(jiān)測主機(jī)、探測光纜、計(jì)算機(jī)。較之傳統(tǒng)煤礦井筒安全監(jiān)測產(chǎn)品，具有集成化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。

針對井筒安全監(jiān)測對象的不同，分別在不同的監(jiān)測部位敷設(shè)專用探測光纜，通過光纜遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)自動無人實(shí)時(shí)觀測、定時(shí)觀測、自動存儲數(shù)據(jù)、瀏覽查詢圖標(biāo)輸出及井壁安全狀態(tài)預(yù)測預(yù)警等多種功能。同時(shí)結(jié)合相應(yīng)分析軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繼而判斷井壁在周圍地壓、自重、豎直附加力、井筒溫度、開采等因素作用下的*穩(wěn)定狀態(tài)及發(fā)展趨勢。其系統(tǒng)監(jiān)測拓?fù)鋱D如下所示。

3.3. 井壁應(yīng)力以及井筒溫度監(jiān)測

這部分內(nèi)容涉密，請?jiān)斣兾宜尽?br/>

3.4. 溫度補(bǔ)償

受激布里淵散射光同時(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，當(dāng)光纖沿線的溫度發(fā)生變化或者存在軸向應(yīng)變時(shí)，光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變和溫度的變化呈良好的線性關(guān)系，因此通過測量光纖中的背向受激布里淵散射光的頻率漂移量，就可以得到光纖沿線溫度和應(yīng)變的分布信息。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，在井下的溫度的分布是均勻分布，沒有突變的。因此另鋪設(shè)一條多模測溫光纜使用DTS測量溫度分布信息提供給高空間分辨率BOTDA系統(tǒng)，從而解調(diào)出井下應(yīng)力分布情況