本发明涉及冻结管安全监测技术领域，特别是指一种冻结管断裂监测预警系统与方法。
背景技术：
冻结法是在深厚表土层、基岩风化带以及我国西部富水弱胶结基岩层中施工的一种行之有效的辅助凿井手段。国内外深厚冲积层中冻结法凿井中的冻结管断裂事故屡见不鲜，通常对于冻结管断裂与否的判断还是基于冻结管断裂后冷冻站房内盐水箱、井筒掘进工作面的一些直接或间接现象来判断，如冻结管出现断裂后，工作面底鼓量大，井帮位移量增大；迎头空气温度下降；井帮或井壁出盐水，盐水味道苦涩而浑浊；盐水箱内盐水水位下降明显，盐水去回路的出现流量差；冻结沟槽内，盐水流动的声音明显，有咚咚的响声；断裂的冻结管头部橡胶管受大气压作用而发生变形。以上现象都是基于冻结管已经发生断裂的前提，可想而知，在发现上述现象时已有大量盐水泄漏于地层中，严重时造成冻结壁的开窗，进而带来一系列安全问题，且为断管后的地层处理埋下隐患。
冻结管的安全性关乎冻结工程的成败，然而目前还未有冻结管断裂的监测预警技术出现，传统对于冻结管断裂与否的评价都是基于一种事后判断方法。理想的冻结管监测系统应能够实时监测其受力工作状态，在冻结管受力、变形异常时及时预警，提醒相关单位提前采取补救措施，或停止掘砌、增加支撑以控制井帮变形，改善冻结管受力；或提早关闭冻结管阀门防止过多的盐水漏失。对于冻结管断裂的监测及预警而言，最为重要的是如何通过声发射监测信息的动态分析，实现潜在断裂信号的识别及预警，而这恰恰是目前有待解决的难题。
本发明基于声发射检测技术，建立冻结管工作性能的安全监测系统，并提出冻结管断裂预警方法，实现冻结管断裂危险性的实时监测与判断，可提早发现冻结管的断裂危险，可为冻结法的安全施工提供有力保障。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种冻结管断裂监测预警系统与方法，基于声发射检测技术，通过低温冻结管及其接头的力学性能和声发射性能试验，获取并分析冻结管及接头部位在不同受力形式、变形阶段的声发射信号频谱特征以及不同特征信号随力学过程的变化趋势，建立冻结管变形过程及断裂临界状态的声发射判据。通过声发射监测信息的动态分析，实现冻结管变形力学过程的识别及断裂预警。
该系统包括信号采集模块、信号采集放大模块、数据处理模块、数据存储模块、数据备份模块、信号分析判断模块、显示输出模块和预警模块，信号采集模块连接冻结管上的拾振器，信号采集模块与信号采集放大模块相连；数据处理模块对信号采集放大模块的声发射信号进行处理，识别其波形和频谱特征点；数据存储模块连接数据处理模块，用于存储冻结管声发射信号；数据备份模块连接数据存储模块，用于备份数据；显示输出模块连接数据处理模块，用于将处理后的声发射信号实时显示；信号分析判断模块连接数据处理模块，用于将处理后的声发射数据特征点与断裂信号数据库进行对比分析，判断是否属于冻结管断裂危险信号；预警模块与信号分析判断模块连接，符合冻结管断裂信号数据库的声发射信号可以触发预警模块作出响应，给出声光警报
其中，信号采集模块，由压电转换探头构成，通过耦合剂固定在冻结管管壁上，与冻结管上的拾振器连接，采集由冻结管传递过来的声发射信号。
采用该系统进行监测预警的方法，包括如下步骤：
(一)进行常温和低温条件下冻结管变形过程声发射信号的检测，获得冻结管受载声发射信号的频谱特征；
(二)进行盐水流动噪声识别及漏失检测，获得盐水正常流动和盐水泄漏条件下的声发射信号特征；
(三)进行冻结施工条件下环境噪声测试与分析，包括：冻结施工环境下声学噪声测试及关键信号提取，获得井口翻矸台卸矸、渣土装运、车辆行走及井下机械、工具、爆破震动、浇筑井壁的振动信号和将声发射信号与施工工况对应，分析冻结施工环境下的噪声信号特征；
(四)建立冻结管断裂临界状态的声发射判据，包括：不同应力条件下声发射信号频段的分布模式及其与冻结管变形、断裂信息的相关性和基于声发射信号特征与力学特征耦合分析的冻结管断裂判别模式及识别特征；
(五)在冻结管安装监测传感器，监测传感器与该监测预警系统相连，监测冻结过程中冻结管声发射信号；
(六)对步骤(五)中采集的声发射信号进行分析，获得相应的频谱特征，运用步骤(四)建立的冻结管断裂临界状态的声发射判据进行判断。
其中，步骤(一)中冻结管受载声发射信号的频谱特征包括：冻结管一种以上受力条件、一种以上温度水平下的力学性能及相应过程的声发射性能，受力条件包括冻结管的拉伸、剪切、弯曲，温度水平包括-15℃、-20℃、-25℃、-30℃、-35℃、-40℃；并得到不同温度水平冻结管受载过程声发射信号频谱特征变异性及其与力学特征的相关性。
步骤(二)中盐水正常流动和盐水泄漏条件下的声发射信号特征包括：盐水泄漏条件下声发射信号特征，具体为泄漏声发射信号与传播距离、盐水压力、开裂长度的相关性；盐水正常流动条件下声发射信号特征，具体为盐水正常流动与盐水温度、流动速度的相关性。
步骤(四)中不同应力条件下声发射信号频段的分布模式及其与冻结管变形、断裂信息的相关性包括：不同受力条件下和同一受力条件不同应力状态下声发射信号的选取、信号的频段划分、频谱特征。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明所提出的冻结管断裂监测预警方法能够实现冻结管受力工作状态的实时分析与评价，实现潜在断裂信号的识别及预警，可提早发现冻结管的断裂危险，为冻结法的安全施工提供有力保障。彻底改变以往的被动、滞后的冻结管断裂监测。
附图说明
图1为本发明的冻结管断裂监测预警系统示意图。
其中：1-冻结管；2-拾振器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种冻结管断裂监测预警系统与方法，如图1所示，该系统包括信号采集模块、信号采集放大模块、数据处理模块、数据存储模块、数据备份模块、信号分析判断模块、显示输出模块和预警模块，信号采集模块连接冻结管1上的拾振器2，信号采集模块与信号采集放大模块相连；数据处理模块对信号采集放大模块的声发射信号进行处理，识别其波形和频谱特征点；数据存储模块连接数据处理模块，用于存储冻结管声发射信号；数据备份模块连接数据存储模块，用于备份数据；显示输出模块连接数据处理模块，用于将处理后的声发射信号实时显示；信号分析判断模块连接数据处理模块，用于将处理后的声发射数据特征点与断裂信号数据库进行对比分析，判断是否属于冻结管断裂危险信号；预警模块与信号分析判断模块连接，用于给出声光警报。
下面结合具体实施过程予以阐述。
在运用该系统过程中，具体过程如下：
(1)冻结管多种受力条件、多种温度水平下的力学性能及相应过程的声发射性能测试，每种条件下的信号特征记为l(σ，t)，提取特征集合L，即L：{l1，l2…ln}，冻结管受载变形过程用力学状态集合M来描述，即建立声发射信号特征集L与冻结管力学状态集合M的对应关系，
(2)进行盐水流动噪声识别及漏失检测，获得盐水正常流动和盐水泄漏条件下的声发射信号特征，提取特征集合S，S：{s1，s2…sm}。
(3)进行冻结施工条件下环境噪声测试与分析，获得不同工况下的声发射信号特征集合C，C：{c1，c2…cr}。
(4)形成冻结施工声发射信号源信号特征集合Q，且冻结管变形乃至断裂过程的声发射信号特征集合L∈Q。
(5)在冻结管安装监测传感器，监测冻结过程中冻结管声发射信号；对采集的声发射信号进行分析，获得相应的频谱特征集合K，当K：{k1，k2…kt}∈L时，冻结管存在变形和断裂危险，同时通过声发射信号特征集L与冻结管力学状态集合M的对应关系得到冻结管所处力学状态；当K：{k1，k2…kt}∈Q且L时不存在断管风险。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。