專利名稱：一種采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法，涉及測量應(yīng)力、溫度的測量、類似線性尺寸的測量及管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地下礦層被開采后形成的空間稱為采空區(qū)。地下礦層被開采后，其上部巖層失去支撐，平衡條件被破壞，隨之產(chǎn)生彎曲、塌落，以致發(fā)展到地表下沉變形，造成地表塌陷，形成凹地。隨著采空區(qū)的不斷擴大，凹地不斷發(fā)展而形成采空塌陷區(qū)，進(jìn)而對地上或地下建 (構(gòu))筑物產(chǎn)生危害。采空塌陷災(zāi)害是造成人類生命財產(chǎn)損失的地質(zhì)災(zāi)害的主要形式之一。 長距離輸油或輸氣管道橫貫東西、縱穿南北，輸送距離可達(dá)數(shù)千公里，常不可避免地要穿過采空塌陷區(qū)。由于選線的不充分或地下礦體的進(jìn)一步開采等原因，在采空塌陷區(qū)的管道有可能在活動塌陷盆地內(nèi)通過，從而使管道的安全運營遭受嚴(yán)重威脅。早在1865年美國建成全球第一條原油管道起，世界即進(jìn)入到了管道運營的時代， 而管道通過采空區(qū)問題則不斷出現(xiàn)。1975年英國國家煤炭理事會頒布的《塌陷工程手冊》 中規(guī)定了預(yù)測管道通過煤礦采空區(qū)地表塌陷的“NCB法”。1986年，國際管道科學(xué)研究院委托Battelle研究院對穿越采空塌陷區(qū)的管道受力性狀和防治方法進(jìn)行了研究，形成了《開采塌陷區(qū)的管道監(jiān)測與防治》報告(NG-18，No. 155)，該項目系統(tǒng)總結(jié)了采空塌陷的特征，分析了采空區(qū)對管道的危害，開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)力計算軟件，提出了塌陷區(qū)管道監(jiān)測方法。我國管道事業(yè)雖然起步較晚，但我國的管道工業(yè)正處在蓬勃發(fā)展之中，這些管道大多將我國西部豐富的石油天然氣輸送到我國的東部，正在加緊建設(shè)和規(guī)劃的能源輸送管道有西氣東輸二線、中緬管道、蘭鄭長管道等多條上千公里管道。這些管線經(jīng)過許多礦物采空區(qū)或未來開采區(qū)。如西氣東輸一線管線途徑山西、山東、陜西、寧夏4個省區(qū)的8個礦區(qū)， 受76個礦井開采形成的部分采空區(qū)的影響，總長度約887. 494km，采空區(qū)一旦形成，將破壞地表平衡條件，導(dǎo)致地表大面積下沉、凹陷、裂縫或誘發(fā)滑坡、崩塌等次生災(zāi)害，直接影響管道安全；鄯烏天然氣管道沿途經(jīng)過12處采空塌陷區(qū)，受影響總長度約12. 6km，對管道安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅，其中以蘆草溝塌陷區(qū)最為嚴(yán)重；陜京輸氣管線途經(jīng)山西煤礦區(qū)，蘭鄭長成品油管線河南段、鐵大原油管線鞍山-遼陽段等也容易發(fā)生采空塌陷等災(zāi)害。面對眾多的采空塌陷災(zāi)害，我國的管道運營公司雖然采取了積極的工程防護(hù)措施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護(hù)工程也并非“一勞永逸”，設(shè)計施工的不確定因素較多，再者防護(hù)治理的周期長以及治理時機不易掌握。而監(jiān)測則是一種高效、低成本的防護(hù)措施。美國國際管道科學(xué)研究院(PRCI)將監(jiān)測管道作為防治采空塌陷災(zāi)害的主要方式，我國的西氣東輸、陜京線等管道投產(chǎn)后對采空區(qū)也進(jìn)行有效的監(jiān)測。傳統(tǒng)的采空區(qū)土體變形采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺、支距尺和全站儀或GPS等方法，這些方法的實時性都較差，均是對地表已經(jīng)塌陷這一既有現(xiàn)象進(jìn)行結(jié)果監(jiān)測，難以滿足采空區(qū)監(jiān)測超前預(yù)報、長期和實時在線的要求。傳統(tǒng)的管道應(yīng)變監(jiān)測以電阻式應(yīng)變計、振弦式應(yīng)變計為主，在耐腐蝕、抗干擾方面較差，穩(wěn)定性也難以滿足要求。近幾年興起的分布式光纖傳感技術(shù)(以BOTDR為代表)在管體監(jiān)測方面已有一定的應(yīng)用。目前的這些監(jiān)測方式均局限于對采空塌陷區(qū)土體地表變形這一既有結(jié)果進(jìn)行獨立監(jiān)測，還未開展對采空塌陷區(qū)土體變形信息的超前監(jiān)測。超前監(jiān)測不僅能超前判斷采空塌陷作用的活動情況、發(fā)育發(fā)展規(guī)律、破壞機理，還能查明采空塌陷對埋地管道的影響方式和程度，更重要的是能掌握鋼質(zhì)管道的應(yīng)力位移變化規(guī)律，判斷管道的安全狀態(tài)，為防治時機的確定提供依據(jù)。綜合以上的信息，就能對采空塌陷區(qū)管道進(jìn)行安全預(yù)警，提前預(yù)報采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)以及管道的危險狀態(tài)，為減災(zāi)方案的設(shè)計實施提供依據(jù)。超前監(jiān)測代表了采空塌陷區(qū)管道監(jiān)測的趨勢。光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點外，光纖光柵還具有其獨特的特性易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復(fù)用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域有著廣闊的前景。作為光子研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術(shù)近年來受到普遍關(guān)注，各國研究者積極開展有關(guān)研究工作。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測的物理量有溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動等， 其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡單、最普遍的一種光纖光柵。它是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應(yīng)變的變化會引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過檢測光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測量溫度和應(yīng)變的基本原理。由耦合模理論可知，均勻的光纖布拉格光柵可以將其中傳輸?shù)囊粋€導(dǎo)模耦合到另一個沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(布拉格波長)入，為λΒ = 2neffA(1)式中λ B為布拉格波長；nrff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵柵距。對式(1)微分可得光柵的中心波長與溫度和應(yīng)變的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于監(jiān)測方法所用系統(tǒng)在采空塌陷區(qū)(1)的埋地油氣管道a(2)的正上方安裝光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)，然后通過光纖接線盒a(4)與引至監(jiān)測站的光纜a 連接，在監(jiān)測站里，光纜a 與光開關(guān)(6)連接，光開關(guān)(6)與光纖光柵解調(diào)儀(7)連接，光纖光柵解調(diào)儀(7)與下位機(8)連接，下位機(8)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a (9)傳輸、GPRS通訊模塊b (10)接收到上位機 (11)；同時，光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)實時監(jiān)測管道a(2)正上方土體水平變形，也以相同方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(11)；用上述裝置對采空塌陷區(qū)油氣管道進(jìn)行監(jiān)測；監(jiān)測流程依次是傳感器采集的波長信號在現(xiàn)場監(jiān)測站通過解調(diào)和預(yù)處理之后，被遠(yuǎn)程傳輸?shù)疆惖乇O(jiān)測中心；監(jiān)測中心接收到數(shù)據(jù)后，通過特定算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，計算出采空塌陷土體水平變形變化；通過采空塌陷土體水平變形變化動態(tài)顯示對管體和土體應(yīng)變變化的狀態(tài)穩(wěn)定情況進(jìn)行判定，判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值；土體水平變形的報警條件為監(jiān)測曲線出現(xiàn)突變；土體水平變形值超過閾值時進(jìn)行管道安全的聯(lián)合預(yù)警；當(dāng)土體水平變形小于閾值時則表明管道處于安全狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其特征在于具體方法是光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)實時監(jiān)測管道aO)上方土體水平變形，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)光纜a(5)傳到光開關(guān)(6)，光開關(guān)(6)后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀(7)解調(diào)傳至下位機(8)，下位機(8)調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)(6)和光纖光柵解調(diào)儀(7)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a(9)傳輸、GPRS通訊模塊b(10)接收到上位機 (11)；上位機(11)對土體水平變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)監(jiān)測曲線及監(jiān)測數(shù)值的變化，判斷采空塌陷區(qū)土體的穩(wěn)定狀態(tài)和管道的安全狀態(tài)；數(shù)據(jù)的處理主要由軟件完成；下位機(8) 數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將光纖光柵解調(diào)儀(7)采集的光波長數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變數(shù)據(jù)，上位機 (11)在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)水平變形監(jiān)測公式計算土體水平變形，并最終判斷采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)和管道的安全狀況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其特征在于采用光纖光柵傳感網(wǎng)采集波長信號，光纖光柵傳感網(wǎng)由無紡?fù)凉げ?12)、光纖光柵鋼筋傳感器(13)組成；光纖光柵鋼筋傳感器(1 交織成“#”字形固定在上下兩層無紡?fù)凉げ?1 中間，每個光纖光柵鋼筋傳感器(1 單獨為1路，每路的光纖光柵數(shù)量和傳感網(wǎng)鋪設(shè)長度需根據(jù)采空塌陷的實際情況而定；光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)實時監(jiān)測管道a(2)正上方土體水平變形，無紡?fù)凉げ?12)用于貼合土體變形，光纖光柵鋼筋傳感器(1 測量無紡?fù)凉げ?1 各點的應(yīng)變，通過最小二乘法將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定水平變形函數(shù)并求取函數(shù)最大值，函數(shù)最大值即為土體水平變形值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其特征在于監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)流程包括三部分內(nèi)容下位機(8)的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸程序、上位機的數(shù)據(jù)分析程序；下位機(8)數(shù)據(jù)采集是完成數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理；光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)的數(shù)據(jù)通過光纖光柵解調(diào)儀(7)保存到下位機(8)，下位機(8)數(shù)據(jù)采集程序?qū)Ρ４娴臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類，并根據(jù)光纖光柵傳感特性將波長變化值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)變值；數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸程序?qū)崿F(xiàn)上位機(11)和下位機(8)的數(shù)據(jù)通訊；通過對GPRS通訊模塊的控制，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸程序?qū)⑾挛粰C(8)的預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(11)，并將上位機(11)的數(shù)據(jù)接收情況反饋給下位機(8)，實現(xiàn)了自動傳輸；上位機(11)數(shù)據(jù)分析程序是通過數(shù)學(xué)方法對接受數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合出數(shù)據(jù)的變化曲線，并將處理結(jié)果與報警閾值進(jìn)行對比，進(jìn)而判斷采空區(qū)土體變形情況及采空區(qū)管道的安全情況。
5.一種如權(quán)利要求1所述采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法的系統(tǒng)，其特征在于它由光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)、光纖接線盒乂4)、光纜a(5)、光開關(guān)(6)、光纖光柵解調(diào)儀(7)、下位機(8)、GPRS通訊模塊a(9)、GPRS通訊模塊b(10)、上位機(11)組成；在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道aO)的正上方安裝光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)，然后通過光纖接線盒a(4)與引至監(jiān)測站的光纜a 連接，在監(jiān)測站里，光纜a 與光開關(guān)(6)連接，光開關(guān)(6)與光纖光柵解調(diào)儀(7)連接，光纖光柵解調(diào)儀(7)與下位機(8)連接，下位機(8)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS 通訊模塊a (9)傳輸，GPRS通訊模塊b (10)接收后傳到上位機(11)；塌陷區(qū)水平變形的光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)輸出信號經(jīng)光開關(guān)(6)導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀(7)，光纖光柵解調(diào)儀(7)解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機(8)，光開關(guān)(6)導(dǎo)通信號的周期由下位機(8)控制；下位機(8)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給GPRS通訊模塊a (9)，GPRS通訊模塊a (9)將下位機(8)計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(11)，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵傳感網(wǎng)、光開關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀、下位機、GPRS 通訊模塊，光纖光柵傳感網(wǎng)輸出接光開關(guān)的輸入，光開關(guān)的輸出接光纖光柵解調(diào)儀的輸入， 光纖光柵解調(diào)儀的輸出接下位機的輸入，下位機的輸出接GPRS通訊模塊；遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)包括GPRS通訊模塊、上位機、數(shù)據(jù)信號遠(yuǎn)程實時接收、數(shù)據(jù)信號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機的輸入，上位機的輸出分別接數(shù)據(jù)信號遠(yuǎn)程實時接收、數(shù)據(jù)信號分析與處理、變化曲線動態(tài)顯示的輸入；光纖光柵傳感網(wǎng)將土體水平變形信號經(jīng)光纜傳到光開關(guān)，光開關(guān)后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)傳至下位機，下位機調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)和光纖光柵解調(diào)儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的GPRS通訊模塊傳輸、 遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)的GPRS通訊模塊接收傳到上位機，上位機對土體變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷采空塌陷區(qū)管道的安全狀態(tài)及采空區(qū)土體的塌陷情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的電原理是光纖光柵傳感網(wǎng)a (3)的PC接頭用光纜a (5)與光開關(guān)(6)的PC接頭連接，光開關(guān)(6)的R232連接下位機(8)的R232接口，光開關(guān)(6)的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀 (7) SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀(7) SM125的LAN端口連接下位機⑶的LAN端口， 下位機(8)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機(8)的R232端口接GPRS通訊模塊a (9)西門子MC!35i的R232端口，GPRS通訊模塊a (9)經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS通訊模塊b(10)天線GSM接收后由R232接到上位機(11)的R232，上位機(11)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端；光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)的輸出信號經(jīng)光開關(guān)(6)導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀(7)，光纖光柵解調(diào)儀(7)解調(diào)出光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)的中心波長位移量傳輸至下位機(8)，光開關(guān) (6)導(dǎo)通信號的周期由下位機(8)控制；下位機(8)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS通訊模塊a (9)，GPRS通訊模塊a (9)將下位機(8)計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(11)，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯不器顯不。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)由無紡?fù)凉げ?12)、光纖光柵鋼筋傳感器(1 組成；光纖光柵鋼筋傳感器(13)交織成“#”字形固定在上下兩層無紡?fù)凉げ?12)中間；每個光纖光柵鋼筋傳感器單獨為1路，每路的光纖光柵數(shù)量和傳感網(wǎng)鋪設(shè)長度需根據(jù)采空塌陷的實際情況而定， 通過光纖接線盒b (16)與光纜b (17)連接，并最終引至監(jiān)測站。
9.一種如權(quán)利要求5所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于在管道aO)頂部安裝光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)，然后通過光纖接線盒a(4)與光纜a(5)連接，光纜a 接至監(jiān)測站，在監(jiān)測站里，光纜a 與光開關(guān)(6)連接，光開關(guān)(6)與光纖光柵解調(diào)儀(7)連接，光纖光柵解調(diào)儀(7)與下位機(8)連接，下位機(8)輸出接無線通訊模塊a (9)，無線通訊模塊b (10)輸出接上位機(11)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于以管道a(2)軸線為中心在兩側(cè)各5m范圍內(nèi)整平的表面鋪設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)；光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)由無紡?fù)凉げ?12)、光纖光柵鋼筋傳感器(1 組成；光纖光柵鋼筋傳感器交織成“#”字形固定在上下兩層無紡?fù)凉げ?1 中間；每個光纖光柵鋼筋傳感器單獨為 1路，通過光纖接線盒b (16)與光纜b(17)連接，并最終引至監(jiān)測站。
全文摘要
本發(fā)明是一種采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法。光纖光柵傳感網(wǎng)a(3)實時監(jiān)測管道a(2)上方土體水平變形，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)光纜a(5)、光開關(guān)(6)后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀(7)解調(diào)傳至下位機(8)，下位機(8)調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)(6)和光纖光柵解調(diào)儀(7)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a(9)傳輸、GPRS通訊模塊b(10)接收到上位機(11)；上位機(11)對土體水平變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)監(jiān)測曲線及監(jiān)測數(shù)值的變化，判斷采空塌陷區(qū)土體的穩(wěn)定狀態(tài)和管道的安全狀態(tài)。
文檔編號E21F17/00GK102345472SQ20101024003
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者劉建平, 吳張中, 荊宏遠(yuǎn), 蔡永軍, 譚東杰, 邱紅輝, 郝建斌, 韓冰, 馬云賓 申請人:中國石油天然氣股份有限公司