专利名称：一种采空塌陷区土体水平变形监测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区土体水平变形监测方法和系统，涉及测量应力、温度的测量、类似线性尺寸的测量及管道系统技术领域。
背景技术：
地下矿层被开采后形成的空间称为采空区。地下矿层被开采后，其上部岩层失去支撑，平衡条件被破坏，随之产生弯曲、塌落，以致发展到地表下沉变形，造成地表塌陷，形成凹地。随着采空区的不断扩大，凹地不断发展而形成采空塌陷区，进而对地上或地下建 (构)筑物产生危害。采空塌陷灾害是造成人类生命财产损失的地质灾害的主要形式之一。 长距离输油或输气管道横贯东西、纵穿南北，输送距离可达数千公里，常不可避免地要穿过采空塌陷区。由于选线的不充分或地下矿体的进一步开采等原因，在采空塌陷区的管道有可能在活动塌陷盆地内通过，从而使管道的安全运营遭受严重威胁。早在1865年美国建成全球第一条原油管道起，世界即进入到了管道运营的时代， 而管道通过采空区问题则不断出现。1975年英国国家煤炭理事会颁布的《塌陷工程手册》 中规定了预测管道通过煤矿采空区地表塌陷的“NCB法”。1986年，国际管道科学研究院委托Battelle研究院对穿越采空塌陷区的管道受力性状和防治方法进行了研究，形成了《开采塌陷区的管道监测与防治》报告(NG-18，No. 155)，该项目系统总结了采空塌陷的特征，分析了采空区对管道的危害，开发了相应的应力计算软件，提出了塌陷区管道监测方法。我国管道事业虽然起步较晚，但我国的管道工业正处在蓬勃发展之中，这些管道大多将我国西部丰富的石油天然气输送到我国的东部，正在加紧建设和规划的能源输送管道有西气东输二线、中缅管道、兰郑长管道等多条上千公里管道。这些管线经过许多矿物采空区或未来开采区。如西气东输一线管线途径山西、山东、陕西、宁夏4个省区的8个矿区， 受76个矿井开采形成的部分采空区的影响，总长度约887. 494km，采空区一旦形成，将破坏地表平衡条件，导致地表大面积下沉、凹陷、裂缝或诱发滑坡、崩塌等次生灾害，直接影响管道安全；鄯乌天然气管道沿途经过12处采空塌陷区，受影响总长度约12. 6km，对管道安全生产构成重大威胁，其中以芦草沟塌陷区最为严重；陕京输气管线途经山西煤矿区，兰郑长成品油管线河南段、铁大原油管线鞍山-辽阳段等也容易发生采空塌陷等灾害。面对众多的采空塌陷灾害，我国的管道运营公司虽然采取了积极的工程防护措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防护工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者防护治理的周期长以及治理时机不易掌握。而监测则是一种高效、低成本的防护措施。美国国际管道科学研究院(PRCI)将监测管道作为防治采空塌陷灾害的主要方式，我国的西气东输、陕京线等管道投产后对采空区也进行有效的监测。传统的采空区土体变形采用经纬仪、水准仪、钢尺、支距尺和全站仪或GPS等方法，这些方法的实时性都较差，均是对地表已经塌陷这一既有现象进行结果监测，难以满足采空区监测超前预报、长期和实时在线的要求。传统的管道应变监测以电阻式应变计、振弦式应变计为主，在耐腐蚀、抗干扰方面较差，稳定性也难以满足要求。近几年兴起的分布式光纤传感技术(以BOTDR为代表)在管体监测方面已有一定的应用。目前的这些监测方式均局限于对采空塌陷区土体地表变形这一既有结果进行独立监测，还未开展对采空塌陷区土体变形信息的超前监测。超前监测不仅能超前判断采空塌陷作用的活动情况、发育发展规律、破坏机理，还能查明采空塌陷对埋地管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道的应力位移变化规律，判断管道的安全状态，为防治时机的确定提供依据。综合以上的信息，就能对采空塌陷区管道进行安全预警，提前预报采空区的稳定状态以及管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。超前监测代表了采空塌陷区管道监测的趋势。光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等， 其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。由耦合模理论可知，均勻的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长(布拉格波长)入，为λΒ = 2neffA (1)式中λ B为布拉格波长；nrff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。对式(1)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系
权利要求
1.一种采空塌陷区土体水平变形监测方法，其特征在于监测方法所用系统在采空塌陷区(1)的埋地油气管道a(2)的正上方安装光纤光栅传感网a(3)，然后通过光纤接线盒a(4)与引至监测站的光缆a 连接，在监测站里，光缆a 与光开关(6)连接，光开关(6)与光纤光栅解调仪(7)连接，光纤光栅解调仪(7)与下位机(8)连接，下位机(8)预处理后的数据通过GPRS通讯模块a (9)传输、GPRS通讯模块b (10)接收到上位机 (11)；同时，光纤光栅传感网a(3)实时监测管道a(2)正上方土体水平变形，也以相同方式将数据传输至上位机(11)；用上述装置对采空塌陷区油气管道进行监测；监测流程依次是传感器采集的波长信号在现场监测站通过解调和预处理之后，被远程传输到异地监测中心；监测中心接收到数据后，通过特定算法对数据进行进一步的分析处理，计算出采空塌陷土体水平变形变化；通过采空塌陷土体水平变形变化动态显示对管体和土体应变变化的状态稳定情况进行判定，判断数据是否超出阈值；土体水平变形的报警条件为监测曲线出现突变；土体水平变形值超过阈值时进行管道安全预警；当土体水平变形小于阈值时则表明管道处于安全状态。
2.根据权利要求1所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于具体方法是光纤光栅传感网aC3)实时监测管道aO)上方土体水平变形，采集的数据经光缆a(5)传到光开关(6)，光开关(6)后经光纤光栅解调仪(7)解调传至下位机(8)，下位机(8)调用自编的程序，控制光开关(6)和光纤光栅解调仪(7)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过GPRS通讯模块a(9)传输、GPRS通讯模块b(10)接收到上位机 (11)；上位机(11)对土体水平变形数据进行分析，根据监测曲线及监测数值的变化，判断采空塌陷区土体的稳定状态和管道的安全状态；数据的处理主要由软件完成；下位机(8) 数据预处理主要是将光纤光栅解调仪(7)采集的光波长数据根据转化为应变数据，上位机 (11)在接收数据后，首先将数据分类，根据水平变形监测公式计算土体水平变形，并最终判断采空区的稳定状态和管道的安全状况。
3.根据权利要求1或2所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于采用光纤光栅传感网采集波长信号，光纤光栅传感网由无纺土工布(12)、光纤光栅钢筋传感器(13)组成；光纤光栅钢筋传感器(1 交织成“#”字形固定在上下两层无纺土工布(1 中间，每个光纤光栅钢筋传感器(1 单独为1路，每路的光纤光栅数量和传感网铺设长度需根据采空塌陷的实际情况而定；光纤光栅传感网a(3)实时监测管道a(2)正上方土体水平变形，无纺土工布(12)用于贴合土体变形，光纤光栅钢筋传感器(1 测量无纺土工布(1 各点的应变，通过最小二乘法将数据进行拟合确定水平变形函数并求取函数最大值，函数最大值即为土体水平变形值。
4.根据权利要求1或2所述的采空塌陷区油气管道监测方法，其特征在于监测方法的数据流程包括三部分内容下位机(8)的数据采集程序、数据的远程传输程序、上位机的数据分析程序；下位机(8)数据采集是完成数据的采集和预处理；光纤光栅传感网aC3)的数据通过光纤光栅解调仪(7)保存到下位机(8)，下位机(8)数据采集程序对保存的数据进行分类，并根据光纤光栅传感特性将波长变化值转化为相应的应变值；数据的远程传输程序实现上位机(11)和下位机(8)的数据通讯；通过对GPRS通讯模块的控制，数据远程传输程序将下位机(8)的预处理数据传输到上位机(11)，并将上位机(11)的数据接收情况反馈给下位机(8)，实现了自动传输；上位机(11)数据分析程序是通过数学方法对接受数据进行处理，拟合出数据的变化曲线，并将处理结果与报警阈值进行对比，进而判断采空区土体变形情况及管道的安全情况。
5.一种如权利要求1所述采空塌陷区土体水平变形监测方法的系统，其特征在于它由光纤光栅传感网a(3)、光纤接线盒乂4)、光缆a(5)、光开关(6)、光纤光栅解调仪(7)、下位机(8)、GPRS通讯模块a(9)、GPRS通讯模块b(10)、上位机(11)组成；在采空塌陷区(1)的油气管道aO)的正上方安装光纤光栅传感网a(3)，然后通过光纤接线盒a(4)与引至监测站的光缆a 连接，在监测站里，光缆a 与光开关(6)连接，光开关(6)与光纤光栅解调仪(7)连接，光纤光栅解调仪(7)与下位机(8)连接，下位机(8)预处理后的数据通过GPRS 通讯模块a (9)传输，GPRS通讯模块b (10)接收后传到上位机(11)；塌陷区水平变形的光纤光栅传感网aC3)输出信号经光开关(6)导通传输至光纤光栅解调仪(7)，光纤光栅解调仪(7)解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传输至下位机(8)，光开关(6)导通信号的周期由下位机(8)控制；下位机(8)对数据进行预处理，并将处理后的数据传输给GPRS通讯模块a (9)，GPRS通讯模块a (9)将下位机(8)计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的上位机(11)，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。
6.根据权利要求5所述的采空塌陷区土体水平变形监测系统，其特征在于该系统分为现场数据采集传输系统和远程接收分析系统；现场数据采集传输系统包括光纤光栅传感网、光开关、光纤光栅解调仪、下位机、GPRS 通讯模块，光纤光栅传感网输出接光开关的输入，光开关的输出接光纤光栅解调仪的输入， 光纤光栅解调仪的输出接下位机的输入，下位机的输出接GPRS通讯模块；远程接收分析系统包括GPRS通讯模块、上位机、数据信号远程实时接收、数据信号分析与处理、变化曲线动态显示；GPRS通讯模块的输出接上位机的输入，上位机的输出分别接数据信号远程实时接收、数据信号分析与处理、变化曲线动态显示的输入；光纤光栅传感网将土体水平变形信号经光缆传到光开关，光开关后经光纤光栅解调仪解调传至下位机，下位机调用自编的程序，控制光开关和光纤光栅解调仪，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过现场数据采集传输系统的GPRS通讯模块传输、 远程接收分析系统的GPRS通讯模块接收传到上位机，上位机对土体变形数据进行分析，判断采空塌陷区管道的安全状态及采空区土体的塌陷情况。
7.根据权利要求5或6所述的采空塌陷区土体水平变形监测系统，其特征在于该系统的电原理是光纤光栅传感网a (3)的PC接头用光缆a (5)与光开关(6)的PC接头连接，光开关(6)的R232连接下位机(8)的R232接口，光开关(6)的PC接头连接光纤光栅解调仪 (7) SM125的PC接口，光纤光栅解调仪(7) SM125的LAN端口连接下位机⑶的LAN端口， 下位机⑶的输出由VGA端接显示器的VGA端，下位机⑶的R232端口接GPRS通讯模块 a (9)西门子MC!35i的R232端口，GPRS通讯模块a (9)经天线GSM、GPRS网络，被GPRS通讯模块b(10)天线GSM接收后由R232接到上位机(11)的R232，上位机(11)的输出由VGA端接显示器的VGA端；光纤光栅传感网aC3)的输出信号经光开关(6)导通传输至光纤光栅解调仪(7)，光纤光栅解调仪(7)解调出光纤光栅传感网aC3)的中心波长位移量传输至下位机(8)，光开关 (6)导通信号的周期由下位机(8)控制；下位机(8)对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS通讯模块a (9)，GPRS通讯模块a (9)将下位机(8)计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的上位机(11)，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显不器显不。
8.根据权利要求5或6所述的采空塌陷区土体水平变形监测系统，其特征在于所述光纤光栅传感网aC3)由无纺土工布(12)、光纤光栅钢筋传感器(1 组成；光纤光栅钢筋传感器(13)交织成“#”字形固定在上下两层无纺土工布(12)中间；每个光纤光栅钢筋传感器单独为1路，每路的光纤光栅数量和传感网铺设长度需根据采空塌陷的实际情况而定， 通过光纤接线盒b (16)与光缆b (17)连接，并最终引至监测站。
全文摘要
本发明是一种采空塌陷区土体水平变形监测方法和系统及系统。光纤光栅传感网a(3)实时监测管道a(2)上方土体水平变形，采集的数据经光缆a(5)、光开关(6)后经光纤光栅解调仪(7)解调传至下位机(8)，下位机(8)调用自编的程序，控制光开关(6)和光纤光栅解调仪(7)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过GPRS通讯模块a(9)传输、GPRS通讯模块b(10)接收到上位机(11)；上位机(11)对土体水平变形数据进行分析，根据监测曲线及监测数值的变化，判断采空塌陷区土体的稳定状态和管道的安全状态。
文档编号G01B11/02GK102346016SQ20101024002
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者刘建平, 吴张中, 杨喜良, 荆宏远, 蔡永军, 谭东杰, 郝建斌, 韩冰, 马云宾 申请人:中国石油天然气股份有限公司