CN102346016B - 一种采空塌陷区土体水平变形监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种采空塌陷区土体水平变形监测方法和系统

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，均匀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)λ_B为：

λ_B＝2n_effΛ    (1)

式中：λ_B为布拉格波长；n_eff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：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(2\right)$

式中：

为光纤的热膨胀系数；

为光纤材料的热光系数；

为光纤材料的弹光系数。由式(2)可知，应变是由于光纤布拉格光栅周期的伸缩和弹光效应引起布拉格波长的变化，而温度是由于光纤布拉格光栅热膨胀效应和热光效应引起布拉格波长的变化。

光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：(1)传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；(2)与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；(3)具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；(4)轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；(5)测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；(6)高灵敏度、高分辩力。

与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有：(1)对测量点能精确定位，分辨率高；(2)成本低；(3)能对传感部分进行加工、封装，使其更适合现场的恶劣环境。

由于这些优点，在岩土工程领域中，光纤光栅传感器很容易埋入岩土体中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围测量，技术优势非常明显，尤其体现在能获得长期、可靠的岩土体变形数据，目前还未见到光纤光栅传感技术用于采空区管道敷设带土体水平变形监测的报道。

发明内容

本发明的目的是发明一种空间分辨率高、成本低、安全有效的基于光纤光栅实时在线的采空塌陷区土体水平变形监测方法和系统。

本发明提出了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。系统采用光纤光栅传感网实时在线监测，对采空塌陷区埋地管道敷设带上方土体水平变形及其影响下的管道进行超前监测。

基于光纤光栅实时在线的采空塌陷区土体水平变形监测方法流程如图1所示。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，从而对土体应变变化的状态稳定情况进行判定；土体水平变形的报警条件为监测曲线出现突变。当该参数小于阈值时则表明管道处于安全状态。当土体水平变形值超过阈值时进行管道安全的预警。

所用监测系统的构成如图2所示，在采空塌陷区1的埋地油气管道a2的正上方安装光纤光栅传感网a3，然后通过光纤接线盒a4与引至监测站的光缆a5连接，在监测站里，光缆a5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a9传输、GPRS通讯模块b10接收到上位机11；用上述装置对采空塌陷区土体水平变形进行监测。

监测的数据流程如图3所示，包括三部分内容：下位机的数据采集程序、数据的远程传输程序、上位机的数据分析程序。下位机数据采集主要功能是完成数据的采集和预处理。光纤光栅传感网a3的数据通过光纤光栅解调仪保存到下位机，下位机数据采集程序需要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主要功能是实现上下位机的数据通讯。通过对GPRS通讯模块的控制，数据远程传输程序将下位机的预处理数据传输到上位机，并将上位机的数据接收情况反馈给下位机，实现了自动传输。上位机数据分析程序的主要功能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，进而判断采空区管道的安全情况。

下位机数据预处理主要是将光纤光栅解调仪采集的光波长数据根据转化为应变数据，上位机在接收数据后，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，并最终判断采空区土体水平变形的稳定状态和管道的安全状况。

根据最新版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及大量的研究成果表明，采空塌陷区土体对管道的影响主要是水平变形造成管体应变的变化，从而对管道形成危害。由于采空塌陷是一个自下向上的变化过程，因此管体承受的荷载除自重外全部来源于管道上方土体的变形，所以当与管体正上方接触的土体变形时则说明土体荷载已经作用于管体，此时地表还未出现变形迹象，因此采用光纤光栅传感网用于测量管道正上方管土接触界面土体的水平变形，监测多点的水平变形值，进而求出土体的最大变形。在地表尚未出现变形之前，提前获取土体水平变形信息，从而达到对采空区稳定性进行超前预报的目的，当土体水平变形曲线出现突变时报警。

采空塌陷区土体水平变形监测方法中采用的光纤光栅传感网a3的结构如图4所示。光纤光栅传感网a3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的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a3将土体水平变形信号引至监测站光开关6和光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调后传至下位机8，下位机8预处理后的数据通过GPRS通讯模块a9传输、GPRS通讯模块b10接收到上位机11作进一步分析与处理并予显示。

光纤光栅传感网a3实时监测管道a2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13测量无纺土工布12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。

其监测原理如下：

图5的光纤光栅传感网敷设于管道b14顶部并埋入土体后，光纤光栅传感网b15则与土体处于紧密贴合状态，当土体塌陷产生变形时，光纤光栅传感网b15也将随之产生同等变形，此时光纤光栅传感网b15内部的光纤光栅钢筋传感器13就会测量出各路中光栅所处位置的应变，通过光纤接线盒b16和光缆b17引至监测站，从而形成如下应变矩阵：

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}& {\mathrm{\ϵ}}_{12}& {\mathrm{\ϵ}}_{13}& \mathrm{\Λ\Λ}& {\mathrm{\ϵ}}_{1j}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{21}& {\mathrm{\ϵ}}_{22}& {\mathrm{\ϵ}}_{23}& \mathrm{\Λ\Λ}& {\mathrm{\ϵ}}_{2j}\\ M& M& M& & M\\ {\mathrm{\ϵ}}_{i1}& {\mathrm{\ϵ}}_{i2}& {\mathrm{\ϵ}}_{i3}& \mathrm{\Λ\Λ}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，ε为应变监测矩阵；ε_ij为第i路第j个监测点的应变值。

对式(3)中获取的i×j个数据按序i分别应用最小二乘法进行拟合分析，得到任意一路i的n次拟合函数公式为：

$\left[\begin{array}{cccc}j+1& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}& \mathrm{\Λ}& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^n\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^2& \mathrm{\Λ}& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^{n+1}\\ M& M& & M\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^n& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^{n+1}& \mathrm{\Λ}& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ M\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{im}}\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{im}}\\ M\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^n{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{im}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中，n为拟合函数的最高次数；a₀Λa_n为多项式参数。

通过式(4)即可求取每路的最大应变值。因此，土体水平变形值ε_土为：

ε_土＝max(ε_1 max，ε_2 max，Λ，ε_i max)    (5)

式中，ε_i max为第i路拟合函数求解的最大应变值。

随着采空区土体不断的自下向上塌陷，当土体塌陷至管道上方时，管道则开始受到土体荷载的作用。监测管道埋设处正上方土体水平变形的变化可以反映管道上方土体塌陷的变化情况，进而反映了采空区稳定性的变化，明确塌陷土体对管体的作用。

采空塌陷区土体水平变形监测系统

按照上述方法设计的采空塌陷区土体水平变形监测系统总体构成如图2所示，它由光纤光栅传感网a3、光纤接线盒a4、光缆a5、光开关6、光纤光栅解调仪7、下位机8、GPRS通讯模块a9、GPRS通讯模块b10、上位机11组成；在采空塌陷区1的油气管道a2的正上方安装光纤光栅传感网a3，然后通过光纤接线盒a4与引至监测站的光缆a5连接，在监测站里，光缆a5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a9传输、GPRS通讯模块b10接收到上位机11。

采空塌陷区土体水平变形监测系统的具体构成如图6所示，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a3实时监测土体水平变形，将土体水平变形信号经光缆a5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a9传输、GPRS通讯模块b10接收传到上位机11，上位机11对数据进行进一步的分析处理，判断采空塌陷区土体水平变形的状态。

该系统的电原理如图7所示，光纤光栅传感网a3的PC接头用光缆a5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8的LAN端口，下位机8的输出由VGA端接显示器的VGA端，下位机8的R232端口接GPRS通讯模块a9西门子MC35i的R232端口，GPRS通讯模块a9经天线GSM、GPRS网络，被GPRS通讯模块b10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。

塌陷区水平变形的输出信号经光开关6逐一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a9，GPRS通讯模块a9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。

其中：

光纤光栅传感网b15的构成如图5所示；当管体已敷设至管沟设计位置，且覆土回填至管顶后，以管道b14轴线为中心在两侧各5m范围(管廊带)内整平的表面铺设光纤光栅传感网b15，长度根据采空塌陷区的范围而定；

其中光纤光栅传感网b15的结构如图4所示，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需根据采空塌陷的实际情况而定，通过光纤接线盒b16与光缆b17连接，并最终引至监测站。

塌陷区水平变形的输出信号经光开关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a9，GPRS通讯模块a9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。

现场监测站设置在采空塌陷区附近的阀室，包括如下几部分：

(1)监测站与各传感器的光纤接线盒和连接光缆，用于将采空塌陷区上各个位置的传感器信号集中传输到监测站；

(2)光开关6，由于监测采空塌陷和管道的传感器很多，信号通道众多，无法一次连接到光纤光栅解调仪7上，用光开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7分析；

(3)光纤光栅解调仪7，用于解调出各传感器的中心波长位移量；

(4)计算机及程序，用于控制解调仪解调的频率，并将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，将这些监测量发送给GPRS通讯模块，并接收GPRS通讯模块的信号进行控制；

(5)GPRS通讯模块，用于将计算机计算的各监测量通过无线通信网络传输到位于办公室的服务器，也可接受接服务器的信号，发送给计算机。

该系统的工作原理为：当采空塌陷区1变形时，埋地管道a2的应变因承受土体的下塌作用而发生变化；同时，随着采空塌陷的不断进行，通过水平变形监测装置a3监测采空塌陷区管顶上方土体水平变形。通过连接光缆a5，将采空塌陷区各个位置的传感器信号集中传输到光开关6，光开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调出各传感器波长中心波长位移量并传感给下位机8，下位机8将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，并将监测量发送给现场GPRS通讯模块a9，GPRS通讯模块a9通过无线通信网络传输信号，用GPRS通讯模块b10传送给上位机11，上位机11将各监测量与报警阈值对比，必要的时候给出报警。

本方法及系统的优点表现在：

(1)将光纤光栅传感技术应用于采空塌陷区监测，该技术抗干扰、耐腐蚀、易于组网等优势明显；该技术易于实现远程自动实时在线监测，且成本较低；

(2)采空塌陷区水平变形监测，采用光纤光栅传感网监测与管道直接接触的上方土体应变，通过监测的变形值就能计算出该区域土体的水平变形；同时根据采空塌陷的变形特征，将对采空塌陷区的“现象监测”转化为塌陷“本质因素监测”，能提前对地表变形进行预报，避免了对“地表未出现明显变形则表示管道未受力或还处于安全状态”的误报，提高了采空塌陷区管道预警的效率和准确性；

(3)本方法及系统具有自动、连续、及时的特点，能够准确及时掌握采空塌陷区土体水平变形状态、对管体的影响，能对采空塌陷区的治理加固和管道安全防护时机的科学决策提供有力依据。

附图说明

图1采空塌陷区土体水平变形监测方法流程图

图2采空塌陷区土体水平变形监测构成图

图3采空塌陷区土体水平变形监测流程图

图4光纤光栅传感网构成图

图5土体水平变形监测装置图

图6采空塌陷区土体水平变形监测系统原理图

图7采空塌陷区土体水平变形监测系统电原理图

其中1-采空塌陷区           2-管道a

    3-光纤光栅传感网a      4-光纤接线盒a

    5-光缆a                6-光开关

    7-光纤光栅解调仪       8-下位机

    9-GPRS通讯模块a        10-GPRS通讯模块b

    11-上位机              12-无纺土工布

    13-光纤光栅钢筋传感器  14-管道b

    15-光纤光栅传感网b     16-光纤接线盒b

    17-光缆b

具体实施方式

实施例.本例是一实验方法和系统，其构成如图1-图7所示。在一采深采厚比为10、开采长度15m、管道埋深3m、管道长度为130m的采空塌陷区上作试验，管体直径为168mm、壁厚为6mm、钢级L245。

基于光纤光栅实时在线的采空塌陷区土体水平变形监测方法流程如图1所示。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，从而对土体应变变化的状态稳定情况进行判定；土体水平变形的报警条件为监测曲线出现突变。当该参数小于阈值时则表明管道处于安全状态。当土体水平变形值超过阈值时进行管道安全的预警。

采空塌陷区土体水平变形监测系统

监测系统的总体构成如图2所示。在采空塌陷区1的油气管道a2的正上方安装光纤光栅传感网a3，然后通过光纤接线盒a4与引至监测站的光缆a5连接，在监测站里，光缆a 5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a9传输、GPRS通讯模块b10接收到上位机11。

采空塌陷区土体水平变形监测系统的具体构成如图6所示，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a3实时监测土体水平变形，将土体水平变形信号经光缆a5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a9传输、GPRS通讯模块b10接收传到上位机11，上位机11对数据进行进一步的分析处理，判断采空塌陷区土体水平变形的状态。

该系统的电原理如图7所示，光纤光栅传感网a3的PC接头用光缆a5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8的LAN端口，下位机8的输出由VGA端接显示器的VGA端，下位机8的R232端口接GPRS通讯模块a9西门子MC35i的R232端口，GPRS通讯模块a9经天线GSM、GPRS网络，被GPRS通讯模块b10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。

塌陷区水平变形的输出信号经光开关6逐一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a9，GPRS通讯模块a9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。

其中：

光纤光栅传感网b15的构成如图5所示；当管体已敷设至管沟设计位置，且覆土回填至管顶后，以管道b14轴线为中心在两侧各5m范围(管廊带)内整平的表面铺设长20m、宽10m的光纤光栅传感网b15；

其中光纤光栅传感网b15的结构如图4所示，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，沿管道b14轴向布置7路、中部5路之间间距为2m、两侧各一路与其相邻的路间距为1m，每路设置6个光栅、间距为4m；沿垂直管道b14轴向方向以塌陷区中心为中轴线两侧各对称布置4路、中心1路(共布置5路)、间距为4m，每路设置7个光栅、间距为1.67m；通过光纤接线盒b16与光缆b17连接，并最终引至监测站。

塌陷区水平变形的输出信号经光开关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a9，GPRS通讯模块a9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。

现场监测站设置在采空塌陷区监测现场，如图2所示，包括光纤接线盒a4，连接光缆a5、光开关6、光纤光栅解调仪7、下位机8、GPRS通讯模块a9；各光纤光栅传感器采集的信号通过光缆a5接到监测站的光开关6，光开关6输出接光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7输出接下位机8，下位机8输出接GPRS通讯模块a9。

光纤光栅传感网b15采集的信号通过光缆a5接到监测站的光开关6，光开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪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给下位机8，下位机8自动计算出各监测量输给GPRS通讯模块a9并接受GPRS通讯模块a9的信号进行控制，GPRS通讯模块a9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接受终端上位机11进行进一步分析与处理；同时下位机8也可通过GPRS通讯模块b10接收上位机11的信号。

其中：

光开关6：选用光隆科技SUM-FSW；

光纤光栅解调仪7：选用SM125；

光纤光栅钢筋传感器13：选用自行设计封装的光纤光栅传感器；

无纺土工布12选用SMG100；

下位机8及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

上位机11及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

GPRS通讯模块a9：西门子MC35i。

位于办公室的接收终端包括如下2个部分：

(1)GPRS通讯模块b10，用于接收现场监测站GPRS通讯模块a9发送的监测量，并传输给上位机11，也可给现场GPRS通讯模块a9发送反馈指令；

(2)上位机11及程序，用于下载终端GPRS通讯模块b10的信号，并调用程序进行自动分析，将分析结果与报警阈值进行对比，必要的时候实施报警。

通过连接光缆a5，将监测区各个位置的传感器信号集中传输到光开关6，光开关6将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7解调出各传感器波长中心波长位移量并传输给下位机8，下位机8将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各土体水平变形监测量，并将监测量发送给现场GPRS通讯模块a9，GPRS通讯模块a9通过公众无线通信网络将信号传输给终端GPRS通讯模块b10，终端GPRS通讯模块b10发送给终端上位机11，上位机11将各监测量与报警阈值对比，必要的时候给出报警。

其中：

GPRS通讯模块b10：选用西门子MC35i；

下位机8及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

上位机11及程序：选用研华IPC-610；程序自编。

本系统在进行监测时，由光纤光栅传感网a 3进行土体变形的监测；通过计算可得出土体最大水平变形。

采集到的信号经光开关6、光纤光栅解调仪7解调后由下位机8作预处理；

下位机8预处理后的数据通过GPRS通讯模块a9传输、GPRS通讯模块b10接收到上位机11；上位机11判断数据是否完整，不完整时再返回下位机8预处理；完整则传到上位机11；

上位机11对信号作进一步分析与处理；

由上位机11输出采空塌陷土体水平变形变化动态显示；并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；

当土体水平变形值小于阈值时则表明管道处于安全状态；

当土体水平变形值超过阈值时进行管道安全预警。

经长时间的监测，本例易于构建监测系统，易于实现采空塌陷区1和管道a2监测数据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警。避免了繁琐的人工采集数据，提高了预警的精度，减少了报警时间，同时还能对报警地点进行准确定位，这对管道应急措施的采取至关重要。

Claims (4)

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(5)连接，在监测站里，光缆a(5)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);用上述系统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；所述特定算法为：光纤光栅传感网a(3)敷设于管道a(2)顶部并埋入土体后，光纤光栅传感网a(3)则与土体处于紧密贴合状态，当土体塌陷产生变形时，光纤光栅传感网a(3)也将随之产生同等变形，此时光纤光栅传感网a(3)就会测量出各路中光栅所处位置的应变，通过光纤接线盒a(4)和光缆a(5)引至监测站，从而形成如下应变矩阵：

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}& {\mathrm{\ϵ}}_{12}& {\mathrm{\ϵ}}_{13}& \·\·\·\·\·\·& {\mathrm{\ϵ}}_{1j}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{21}& {\mathrm{\ϵ}}_{22}& {\mathrm{\ϵ}}_{23}& \·\·\·\·\·\·& {\mathrm{\ϵ}}_{2j}\\ \·& \·& \·& & \·\\ \·& \·& \·& & \·\\ \·& \·& \·& & \·\\ {\mathrm{\ϵ}}_{i1}& {\mathrm{\ϵ}}_{i2}& {\mathrm{\ϵ}}_{i3}& \·\·\·\·\·\·& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}\end{array}\right]---\{\left(3\right)$

式中，ε为应变监测矩阵；ε_ij为第i路第j个监测点的应变值；

对式（3）中获取的i×j个数据按序i分别应用最小二乘法进行拟合分析，得到任意一路i的n次拟合函数公式为：

$\left[\begin{array}{cccc}j+1& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}& \·\·\·& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^n\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^2& \·\·\·& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^{n+1}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^n& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^{n+1}& ...& \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{im}}\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{im}}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \underset{m=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{im}}^n{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{im}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中，n为拟合函数的最高次数；a₀…a_n为多项式参数；

通过式（4）即可求取每路的最大应变值。因此，土体水平变形值ε_土为：

式中，ε_imax为第i路拟合函数求解的最大应变值；

随着采空区土体不断的自下向上塌陷，当土体塌陷至管道上方时，管道则开始受到土体荷载的作用；监测管道埋设处正上方土体水平变形的变化反映出管道上方土体塌陷的变化情况，进而反映了采空区稳定性的变化，明确塌陷土体对管体的作用。

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)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(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(13)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(13)测量无纺土工布(12)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a(3)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。

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