專利名稱：一種采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
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(cè)系統(tǒng)，涉及測(cè)量應(yīng)力、溫度的測(cè)量、類似線性尺寸的測(cè)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(kuò)大，凹地不斷發(fā)展而形成采空塌陷區(qū)，進(jìn)而對(duì)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(cái)產(chǎn)損失的地質(zhì)災(zāi)害的主要形式之一。 長(zhǎng)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(dòng)塌陷盆地內(nèi)通過，從而使管道的安全運(yùn)營(yíng)遭受嚴(yán)重威脅。早在1865年美國(guó)建成全球第一條原油管道起，世界即進(jìn)入到了管道運(yùn)營(yíng)的時(shí)代， 而管道通過采空區(qū)問題則不斷出現(xiàn)。1975年英國(guó)國(guó)家煤炭理事會(huì)頒布的《塌陷工程手冊(cè)》 中規(guī)定了預(yù)測(cè)管道通過煤礦采空區(qū)地表塌陷的“NCB法”。1986年，國(guó)際管道科學(xué)研究院委托Battelle研究院對(duì)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(cè)與防治》報(bào)告(NG-18，No. 155)，該項(xiàng)目系統(tǒng)總結(jié)了采空塌陷的特征，分析了采空區(qū)對(duì)管道的危害，開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算軟件，提出了塌陷區(qū)管道監(jiān)測(cè)方法。我國(guó)管道事業(yè)雖然起步較晚，但我國(guó)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(guó)西部豐富的石油天然氣輸送到我國(guó)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(zhǎng)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(gè)省區(qū)的8個(gè)礦區(qū)， 受76個(gè)礦井開采形成的部分采空區(qū)的影響，總長(zhǎng)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(zhǎng)度約12. 6km，對(duì)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(zhǎng)成品油管線河南段、鐵大原油管線鞍山-遼陽(yáng)段等也容易發(fā)生采空塌陷等災(zāi)害。面對(duì)眾多的采空塌陷災(zāi)害，我國(guó)的管道運(yùn)營(yíng)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(jì)施工的不確定因素較多，再者防護(hù)治理的周期長(zhǎng)以及治理時(shí)機(jī)不易掌握。而監(jiān)測(cè)則是一種高效、低成本的防護(hù)措施。美國(guó)國(guó)際管道科學(xué)研究院(PRCI)將監(jiān)測(cè)管道作為防治采空塌陷災(zāi)害的主要方式，我國(guó)的西氣東輸、陜京線等管道投產(chǎn)后對(duì)采空區(qū)也進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。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(shí)時(shí)性都較差，均是對(duì)地表已經(jīng)塌陷這一既有現(xiàn)象進(jìn)行結(jié)果監(jiān)測(cè)，難以滿足采空區(qū)監(jiān)測(cè)超前預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)在線的要求。傳統(tǒng)的管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)以電阻式應(yīng)變計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì)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(cè)方面已有一定的應(yīng)用。目前的這些監(jiān)測(cè)方式均局限于對(duì)采空塌陷區(qū)土體地表變形這一既有結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測(cè)，還未開展對(duì)采空塌陷區(qū)土體變形信息的超前監(jiān)測(cè)。超前監(jiān)測(cè)不僅能超前判斷采空塌陷作用的活動(dòng)情況、發(fā)育發(fā)展規(guī)律、破壞機(jī)理，還能查明采空塌陷對(duì)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(shí)機(jī)的確定提供依據(jù)。綜合以上的信息，就能對(duì)采空塌陷區(qū)管道進(jìn)行安全預(yù)警，提前預(yù)報(bào)采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)以及管道的危險(xiǎn)狀態(tài)，為減災(zāi)方案的設(shè)計(jì)實(shí)施提供依據(jù)。超前監(jiān)測(cè)代表了采空塌陷區(qū)管道監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)。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(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)外，光纖光柵還具有其獨(dú)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(guó)研究者積極開展有關(guān)研究工作。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測(cè)的物理量有溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等， 其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡(jiǎn)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(huì)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(cè)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(cè)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€(gè)導(dǎo)模耦合到另一個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(zhǎng)(布拉格波長(zhǎng))入，為λΒ = 2neffA (1)式中λ B為布拉格波長(zhǎng)；nrff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵柵距。對(duì)式(1)微分可得光柵的中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系
A —^ = (α/+ξ)ΔΓ + ( -Ρ )Δ￡(2)
兒β式中 =+#為光纖的熱膨脹系數(shù)；為光纖材料的熱光系數(shù)；
Λ αΤη dT
之為光纖材料的彈光系數(shù)。由式(2)可知，應(yīng)變是由于光纖布拉格光柵周期的伸縮 η as
和彈光效應(yīng)引起布拉格波長(zhǎng)的變化，而溫度是由于光纖布拉格光柵熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起布拉格波長(zhǎng)的變化。光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(1)傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入各種大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好·’⑵與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、光損耗低、光譜特性好、可靠性高； (3)具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；(4)輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；(5)測(cè)量信息以波長(zhǎng)編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強(qiáng)的抗干擾能力；(6)高靈敏度、高分辯力。與廣泛使用的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)有(1)對(duì)測(cè)量點(diǎn)能精確定位，分辨率高；( 成本低；C3)能對(duì)傳感部分進(jìn)行加工、封裝，使其更適合現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍測(cè)量，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其體現(xiàn)在能獲得長(zhǎng)期、 可靠的巖土體變形數(shù)據(jù)，目前還未見到光纖光柵傳感技術(shù)用于采空區(qū)管道敷設(shè)帶土體水平變形監(jiān)測(cè)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種空間分辨率高、成本低、安全有效的基于光纖光柵實(shí)時(shí)在線的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明提出了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(cè)方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)采空塌陷區(qū)埋地管道敷設(shè)帶上方土體水平變形及其影響下的管道進(jìn)行超前監(jiān)測(cè)。采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示，它由光纖光柵傳感網(wǎng) a3、光纖接線盒a4、光纜a5、光開關(guān)6、光纖光柵解調(diào)儀7、下位機(jī)8、GPRS通訊模塊a9、GPRS 通訊模塊alO、上位機(jī)11組成；在采空塌陷區(qū)1的埋地油氣管道a2的正上方安裝光纖光柵傳感網(wǎng)a3，然后通過光纖接線盒a4與引至監(jiān)測(cè)站的光纜a5連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a5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(jī)8連接，下位機(jī)8預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a9傳輸、GPRS通訊模塊alO接收到上位機(jī)11。采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖4所示，該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程接收分析系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)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(jī)、 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(jī)的輸入，下位機(jī)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(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出分別接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示的輸入。光纖光柵傳感網(wǎng)a3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平變形，將土體水平變形信號(hào)經(jīng)光纜a5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(jī)8，下位機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)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a9傳輸、GPRS通訊模塊blO接收傳到上位機(jī)11，上位機(jī)11對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷采空塌陷區(qū)土體水平變形的狀態(tài)。該系統(tǒng)的電原理如圖5所示，光纖光柵傳感網(wǎng)a3的PC接頭用光纜a5與光開關(guān)6 的PC接頭連接，光開關(guān)6的R232連接下位機(jī)8的R232接口，光開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀7SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀7SM125的LAN端口連接下位機(jī)8的LAN端口，下位機(jī)8的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機(jī)8的R232端口接GPRS通訊模塊a9 西門子MC!35i的R232端口，GPRS通訊模塊a9經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS通訊模塊blO 天線GSM接收后由R232接到上位機(jī)11的R232，上位機(jī)11的輸出由VGA端接顯示器的VGA端。塌陷區(qū)水平變形的輸出信號(hào)經(jīng)光開關(guān)6逐一導(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(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)8，光開關(guān)6導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)8控制。下位機(jī)8對(duì)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a9，GPRS通訊模塊a9將下位機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)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(jī)11，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。其中光纖光柵傳感網(wǎng)bl5的構(gòu)成如圖3所示；當(dāng)管體已敷設(shè)至管溝設(shè)計(jì)位置，且覆土回填至管頂后，以管道bl4軸線為中心在兩側(cè)各5m范圍(管廊帶)內(nèi)整平的表面鋪設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)bl5，長(zhǎng)度根據(jù)采空塌陷區(qū)的范圍而定；其中光纖光柵傳感網(wǎng)bl5的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由無紡?fù)凉げ?2、光纖光柵鋼筋傳感器13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?2中間； 每個(gè)光纖光柵鋼筋傳感器單獨(dú)為1路，每路的光纖光柵數(shù)量需根據(jù)采空塌陷的實(shí)際情況而定，通過光纖接線盒bl6與光纜bl7連接，并最終引至監(jiān)測(cè)站。塌陷區(qū)水平變形的輸出信號(hào)經(jīng)光開關(guān)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(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)8，光開關(guān)6導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)8控制。下位機(jī)8對(duì)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a9， GPRS通訊模塊a9將下位機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)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(jī)11，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)置在采空塌陷區(qū)附近的閥室，包括如下幾部分(1)監(jiān)測(cè)站與各傳感器的光纖接線盒和連接光纜，用于將采空塌陷區(qū)上各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站；(2)光開關(guān)6，由于監(jiān)測(cè)采空塌陷和管道的傳感器很多，信號(hào)通道眾多，無法一次連接到光纖光柵解調(diào)儀7上，用光開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7分析；(3)光纖光柵解調(diào)儀7，用于解調(diào)出各傳感器的中心波長(zhǎng)位移量；(4)計(jì)算機(jī)及程序，用于控制解調(diào)儀解調(diào)的頻率，并將解調(diào)儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為各監(jiān)測(cè)量，將這些監(jiān)測(cè)量發(fā)送給GPRS通訊模塊，并接收GPRS通訊模塊的信號(hào)進(jìn)行控制；^GPRS通訊模塊，用于將計(jì)算機(jī)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的服務(wù)器，也可接受接服務(wù)器的信號(hào)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)采空塌陷區(qū)1變形時(shí)，埋地管道a2的應(yīng)變因承受土體的下塌作用而發(fā)生變化；同時(shí)，隨著采空塌陷的不斷進(jìn)行，通過水平變形監(jiān)測(cè)裝置a3監(jiān)測(cè)采空塌陷區(qū)管頂上方土體水平變形。通過連接光纜a5，將采空塌陷區(qū)各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)焦忾_關(guān)6，光開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀 解調(diào)出各傳感器波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)位移量并傳感給下位機(jī)8，下位機(jī)8將解調(diào)儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為各監(jiān)測(cè)量，并將監(jiān)測(cè)量發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)GPRS通訊模塊a9，GPRS通訊模 塊a9通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，用GPRS通訊模塊blO傳送給上位機(jī)11，上位機(jī)11將各 監(jiān)測(cè)量與報(bào)警閾值對(duì)比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在(1)將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)抗干擾、耐腐蝕、易于組 網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)明顯；該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，且成本較低；(2)采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)，采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)與管道直接接觸的上方 土體應(yīng)變，通過監(jiān)測(cè)的變形值就能計(jì)算出該區(qū)域土體的水平變形；同時(shí)根據(jù)采空塌陷的變 形特征，將對(duì)采空塌陷區(qū)的“現(xiàn)象監(jiān)測(cè)，，轉(zhuǎn)化為塌陷“本質(zhì)因素監(jiān)測(cè)”，能提前對(duì)地表變形進(jìn) 行預(yù)報(bào)，避免了對(duì)“地表未出現(xiàn)明顯變形則表示管道未受カ或還處于安全狀態(tài)”的誤報(bào)，提 高了采空塌陷區(qū)管道預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性；(3)本系統(tǒng)具有自動(dòng)、連續(xù)、及時(shí)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)掌握采空塌陷區(qū)土體水平 變形狀態(tài)、對(duì)管體的影響，能對(duì)采空塌陷區(qū)的治理加固和管道安全防護(hù)時(shí)機(jī)的科學(xué)決策提 供有力依據(jù)。


圖1采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)構(gòu)成2光纖光柵傳感網(wǎng)構(gòu)成3 土體水平變形監(jiān)測(cè)裝置4采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理5采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電原理圖其中1-采空塌陷區(qū) 2-管道a3-光纖光柵傳感網(wǎng)a 4-光纖接線盒a5-光纜a6-光開關(guān)7-光纖光柵解調(diào)儀 8-下位機(jī)9-GPRS通訊模塊a10-GPRS通訊模塊b11-上位機(jī)12-無紡?fù)凉げ?3-光纖光柵鋼筋傳感器14-管道b15-光纖光柵傳感網(wǎng)b16-光纖接線盒b17-光纜b
具體實(shí)施例方式實(shí)施例.本例是ー實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1-圖7所示。在一采深采厚比為10、開 采長(zhǎng)度15m、管道理深: 、管道長(zhǎng)度為130m的采空塌陷區(qū)上作試驗(yàn)，管體直徑為168mm、壁厚 為6mm、鋼級(jí)L245。采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。在采空塌陷區(qū)1的油 氣管道a2的正上方安裝光纖光柵傳感網(wǎng)a3，然后通過光纖接線盒a4與引至監(jiān)測(cè)站的光纜 a5連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a5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(jī)8連接，下位機(jī)8預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a9傳輸、GPRS通訊模塊blO接收到上位機(jī)11。采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖4所示，該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jī)、 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(jī)的輸入，下位機(jī)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(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出分別接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示的輸入。光纖光柵傳感網(wǎng)a 3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平變形，將土體水平變形信號(hào)經(jīng)光纜a5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(jī)8，下位機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)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a9傳輸、GPRS通訊模塊blO接收傳到上位機(jī)11，上位機(jī)11對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷采空塌陷區(qū)土體水平變形的狀態(tài)。該系統(tǒng)的電原理如圖5所示，光纖光柵傳感網(wǎng)a3的PC接頭用光纜a5與光開關(guān)6 的PC接頭連接，光開關(guān)6的R232連接下位機(jī)8的R232接口，光開關(guān)6的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀7SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀7SM125的LAN端口連接下位機(jī)8的LAN端口，下位機(jī)8的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機(jī)8的R232端口接GPRS通訊模塊a9 西門子MC35i的R232端口，GPRS通訊模塊a9經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)，被GPRS通訊模塊blO 天線GSM接收后由R232接到上位機(jī)11的R232，上位機(jī)11的輸出由VGA端接顯示器的VGA 端。塌陷區(qū)水平變形的輸出信號(hào)經(jīng)光開關(guān)6逐一導(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(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)8，光開關(guān)6導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)8控制。下位機(jī)8對(duì)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a9，GPRS通訊模塊a9將下位機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)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(jī)11，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。其中光纖光柵傳感網(wǎng)bl5的構(gòu)成如圖3所示；當(dāng)管體已敷設(shè)至管溝設(shè)計(jì)位置，且覆土回填至管頂后，以管道bl4軸線為中心在兩側(cè)各5m范圍(管廊帶)內(nèi)整平的表面鋪設(shè)長(zhǎng)20m、 寬IOm的光纖光柵傳感網(wǎng)bl5 ；其中光纖光柵傳感網(wǎng)bl5的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由無紡?fù)凉げ?2、光纖光柵鋼筋傳感器13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?2中間； 每個(gè)光纖光柵鋼筋傳感器單獨(dú)為1路，沿管道bl4軸向布置7路、中部5路之間間距為2m、 兩側(cè)各一路與其相鄰的路間距為lm，每路設(shè)置6個(gè)光柵、間距為細(xì)；沿垂直管道bl4軸向方向以塌陷區(qū)中心為中軸線兩側(cè)各對(duì)稱布置4路、中心1路(共布置5路)、間距為細(xì)，每路設(shè)置 個(gè)光柵、間距為1. 67m ；通過光纖接線盒bl6與光纜bl7連接，并最終引至監(jiān)測(cè)站。塌陷區(qū)水平變形的輸出信號(hào)經(jīng)光開關(guān)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(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)8，光開關(guān)6導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)8控制。下位機(jī)8對(duì)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a9，GPRS通訊模塊a9將下位機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)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(jī)11，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)置在采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，如圖1所示，包括光纖接線盒a4，連接光纜a5、光開關(guān)6、光纖光柵解調(diào)儀7、下位機(jī)8、GPRS通訊模塊a9 ；各光纖光柵傳感器采集的信號(hào)通過光纜a5接到監(jiān)測(cè)站的光開關(guān)6，光開關(guān)6輸出接光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀7輸出接下位機(jī)8，下位機(jī)8輸出接GPRS通訊模塊a9。光纖光柵傳感網(wǎng)bl5采集的信號(hào)通過光纜a5接到監(jiān)測(cè)站的光開關(guān)6，光開關(guān)6將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(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(zhǎng)位移量給下位機(jī)8，下位機(jī)8自動(dòng)計(jì)算出各監(jiān)測(cè)量輸給GPRS通訊模塊a9并接受 GPRS通訊模塊a9的信號(hào)進(jìn)行控制，GPRS通訊模塊a9將下位機(jī)8計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的接受終端上位機(jī)11進(jìn)行進(jìn)一步分析與處理；同時(shí)下位機(jī)8也可通過GPRS通訊模塊blO接收上位機(jī)11的信號(hào)。其中光開關(guān)6 選用光隆科技SUM-FSW ；光纖光柵解調(diào)儀7 選用SM125 ；光纖光柵鋼筋傳感器13 選用自行設(shè)計(jì)封裝的光纖光柵傳感器；無紡?fù)凉げ?2選用SMG100 ；下位機(jī)8及程序選用研華IPC-610，程序自編；上位機(jī)11及程序選用研華IPC-610，程序自編；GPRS通訊模塊a9 西門子MC!35i。位于辦公室的接收終端包括如下2個(gè)部分(I)GPRS接收模塊bl2，用于接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站GPRS通訊模塊a9發(fā)送的監(jiān)測(cè)量，并傳輸給上位機(jī)11，也可給現(xiàn)場(chǎng)GPRS通訊模塊a9發(fā)送反饋指令；(2)上位機(jī)11及程序，用于下載終端GPRS通訊模塊blO的信號(hào)，并調(diào)用程序進(jìn)行自動(dòng)分析，將分析結(jié)果與報(bào)警閾值進(jìn)行對(duì)比，必要的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警。通過連接光纜a5，將監(jiān)測(cè)區(qū)各個(gè)位置的傳感器信號(hào)集中傳輸?shù)焦忾_關(guān)6，光開關(guān)6 將各通道信號(hào)依次轉(zhuǎn)換給光纖光柵解調(diào)儀7，光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)出各傳感器波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)位移量并傳輸給下位機(jī)8，下位機(jī)8將解調(diào)儀解調(diào)出的中心波長(zhǎng)位移量自動(dòng)計(jì)算為各土體水平變形監(jiān)測(cè)量，并將監(jiān)測(cè)量發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)GPRS通訊模塊a9，GPRS通訊模塊a9通過公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸給終端GPRS通訊模塊blO，終端GPRS通訊模塊blO發(fā)送給終端上位機(jī)11，上位機(jī)11將各監(jiān)測(cè)量與報(bào)警閾值對(duì)比，必要的時(shí)候給出報(bào)警。其中GPRS通訊模塊blO 選用西門子MC!35i ；下位機(jī)8及程序選用研華IPC-610，程序自編；上位機(jī)11及程序選用研華IPC-610 ；程序自編。用本系統(tǒng)在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，由光纖光柵傳感網(wǎng)a3進(jìn)行土體變形的監(jiān)測(cè)；通過計(jì)算可得出土體最大水平變形。采集到的信號(hào)經(jīng)光開關(guān)6、光纖光柵解調(diào)儀7解調(diào)后由下位機(jī)8作預(yù)處理；下位機(jī)8預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a9傳輸、GPRS通訊模塊blO接收到
1上位機(jī)11 ；上位機(jī)11判斷數(shù)據(jù)是否完整，不完整時(shí)再返回下位機(jī)8預(yù)處理；完整則傳到上位機(jī)11 ；上位機(jī)11對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步分析與處理；由上位機(jī)11輸出采空塌陷土體水平變形變化動(dòng)態(tài)顯示；并判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值；土體水平變形的報(bào)警條件為監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)突變；當(dāng)土體水平變形值小于閾值時(shí)則表明管道處于安全狀態(tài)；當(dāng)土體水平變形值超過閾值時(shí)進(jìn)行管道安全的預(yù)警。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，本例易于構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)采空塌陷區(qū)1和管道a2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。避免了繁瑣的人工采集數(shù)據(jù)，提高了預(yù)警的精度，減少了報(bào)警時(shí)間，同時(shí)還能對(duì)報(bào)警地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這對(duì)管道應(yīng)急措施的采取至關(guān)重要。
權(quán)利要求
1.一種呆空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)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(jī)(8)、GPRS通訊模塊 a(9)、GPRS通訊模塊b (10)、上位機(jī)(11)組成；在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道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(cè)站的光纜a 連接，在監(jiān)測(cè)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(jī)(8)連接，下位機(jī)(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(jī)(11)；塌陷區(qū)水平變形的光纖光柵傳感網(wǎng)aC3)輸出信號(hào)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(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)(8)，光開關(guān)(6)導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)(8)控制；下位機(jī)(8)對(duì)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(jī)(8)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)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(jī)(11)，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jī)、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(jī)的輸入，下位機(jī)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(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示；GPRS通訊模塊的輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)的輸出分別接數(shù)據(jù)信號(hào)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)信號(hào)分析與處理、變化曲線動(dòng)態(tài)顯示的輸入；光纖光柵傳感網(wǎng)將土體水平變形信號(hào)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(jī)，下位機(jī)調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)和光纖光柵解調(diào)儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)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(chǎng)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(jī)，上位機(jī)對(duì)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)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(jī)(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(jī)⑶的LAN端口， 下位機(jī)(8)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端，下位機(jī)(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(jī)(11)的R232，上位機(jī)(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(hào)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(zhǎng)位移量傳輸至下位機(jī)(8)，光開關(guān) (6)導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)(8)控制；下位機(jī)(8)對(duì)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(jī)(8)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)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(jī)(11)，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯是器顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光纖光柵傳感網(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(13)交織成“#”字形固定在上下兩層無紡?fù)凉げ?12)中間；每個(gè)光纖光柵鋼筋傳感器單獨(dú)為1路，每路的光纖光柵數(shù)量和傳感網(wǎng)鋪設(shè)長(zhǎng)度需根據(jù)采空塌陷的實(shí)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(cè)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(cè)系統(tǒng)。在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道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(cè)站的光纜a(5)連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a(5)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(jī)(8)連接，下位機(jī)(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(jī)(11)。本發(fā)明空間分辨率高、成本低、安全有效。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102346017SQ201010242650
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)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, 楊喜良, 荊宏遠(yuǎn), 蔡永軍, 譚東杰, 郝建斌, 韓冰, 馬云賓 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司