CN201779455U - 一种采空塌陷区油气管道监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于光纤光栅传感的采空塌陷区油气管道监测系统。它包括管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置三部分；在采空塌陷区1的油气管道a(2)的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a(3)和管土相对位移传感器a(4)，每个截面上的传感器熔接串联，经光纤接线盒a(6)与光缆a(7)连接，光缆a(7)与光开关(8)连接，光开关(8)与光纤光栅解调仪(9)连接，解调仪(9)与下位机(10)连接，下位机(10)预处理后的数据经无线通讯模块a(11)传输，无线通讯模块b(12)接收后传到上位机(13)；光纤光栅传感网a(5)实时监测土体水平位移，也将数据传至上位机(13)。

Description

一种采空塌陷区油气管道监测系统

技术领域

本实用新型是一种基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区油气管道监测系统，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、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、低成本的防治措施。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(致灾体)或埋地管道(承灾体)进行独立监测，还未对采空塌陷变形及其影响下的管道进行系统的联合监测，也没有对采空塌陷区土体变形信息的超前监测和管土相对位移监测。联合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。联合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：

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

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体应变、管土相对位移及采空区管道敷设带土体水平变形联合监测的报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种空间分辨率高、成本低、安全有效的基于光纤光栅实时在线的采空塌陷区油气管道监测系统。

本实用新型提出的基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区油气管道监测系统，包括三部分：管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区土体水平变形监测装置。其中，管体应变和管土相对位移采用光纤光栅传感器实时在线监测装置，采空塌陷区水平变形采用光纤光栅传感网实时在线监测装置，光纤光栅预警内容包括对管体应力应变的预警、管土相对位移的预警及管道上方土体变形的预警。

采空塌陷区油气管道联合监测系统的总体构成如图1所示。它包括管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置三部分。在采空塌陷区1的油气管道a2的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a3和管土相对位移传感器a4，每个截面上的传感器熔接串联，然后通过光纤接线盒a6与引至监测站的光缆a7连接，在监测站里，光缆a7与光开关8连接，光开关8与光纤光栅解调仪9连接，光纤光栅解调仪9与下位机10连接，下位机10预处理后的数据通过GPRS通讯模块a11传输，GPRS通讯模块b12接收后传到上位机13；同时，在管顶铺设光纤光栅传感网a5实时监测土体水平位移，也将数据传输至上位机13。

采空塌陷区油气管道联合监测系统的具体体构成如图9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。其中包括了管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置三部分。

现场数据采集传输系统包括光纤光栅传感网、光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器、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、光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器输出分别接光开关的输入，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。

光纤光栅应变传感器a3和管土相对位移传感器a4将管体应变和管土相对位移信号经光缆a7传到光开关8，光开关8后经光纤光栅解调仪9解调传至下位机10，下位机10调用自编的程序，控制光开关8和光纤光栅解调仪9，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a11传输、GPRS通讯模块b12接收传到上位机13，上位机13对数据进行进一步的分析处理，判断管道的受力变形状态及管土相对位移；同时，光纤光栅传感网a5实时监测土体水平变形，也以同样方式将数据传输至上位机13，上位机13对土体变形数据进行分析，并结合管道的变形和管土相对位移的分析结果，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。

该系统的电原理如图10所示，分别监测管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器--光纤光栅应变传感器a3、光纤光栅位移传感器a4、光纤光栅传感网a5的PC接头用光缆a7与光开关8的PC接头连接，光开关8的R232连接下位机10的R232接口，光开关8的PC接头连接光纤光栅解调仪9SM125的PC接口，光纤光栅解调仪9SM125的LAN端口连接下位机10的LAN端口，下位机10的输出由VGA端接显示器的VGA端，下位机10的R232端口接GPRS传输模块a11西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块a11经天线GSM、GPRS网络，被GPRS接收模块b12天线GSM接收后由R232接到上位机13的R232，上位机13的输出由VGA端接显示器的VGA端。

管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关8逐一导通传输至光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9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10，光开关8导通信号的周期由下位机10控制。下位机10对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS传输模块a11，GPRS传输模块a11将下位机10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13，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：

所述管体应变监测装置包括光纤光栅应变传感器a3、光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS通讯模块a11、GPRS通讯模块b12、上位机13，由于光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS通讯模块a11、GPRS通讯模块b12、上位机13是共用，此处只说明管体应变监测装置中的特殊部分；如图3所示，在管道b14的每个监测截面间隔90°方向均匀布置3个光纤光栅应变传感器a15、光纤光栅应变传感器b16、光纤光栅应变传感器c17和一个温度补偿传感器18，4个传感器通过熔接串联，然后通过光纤接线盒a19与光缆b20连接，光缆b20将信号引致监测站；

所述管土相对位移监测装置包括光纤光栅位移传感器b25、光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS通讯模块a11、GPRS通讯模块b12、上位机13，由于光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS通讯模块a11、GPRS通讯模块b12、上位机13是共用，此处只说明管体应变监测装置中的光纤光栅位移传感器b25；

光纤光栅位移传感器b25的构成如图5所示；在管道c26底部安装光纤光栅位移传感器b25，光纤光栅位移传感器b25与管道c26通过卡件连接，光纤光栅位移传感器b25可以与应变传感器串联，也可单独通过光纤跳线27引致光纤接线盒c28，通过光纤接线盒c28与光缆连接；

其中光纤光栅位移传感器b25(见图4)由安装块21、测力杆22、光纤光栅23、承重盘24组成；安装块21由测力杆22与承重盘24连接成“工”字形，光纤光栅23固定在测力杆22上；承重盘24用于承受下塌土体重力，光纤光栅23测量测力杆22发生的应变，通过对应关系转化为位移；安装块21便于传感器稳固的安装于管道上；其中测力杆22与承重盘24、测力杆22与安装块21螺纹连接，安装块21与管道通过卡件连接；

管土相对位移监测装置的测量机理如图6所示，可以通过应变ε_P了解管土相对位移的情况；当测量应变ε_P达到阈值并保持恒定时，表明管体已经处于悬空状态；

所述采空塌陷区水平变形监测装置同样也包括光纤光栅传感网b32、光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS通讯模块a11、GPRS通讯模块b12、上位机13，由于光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS通讯模块a11、GPRS通讯模块b12、上位机13是共用，仅就光纤光栅传感网b32予以说明；

光纤光栅传感网b32的构成如图8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d31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b32，长度由采空塌陷区的范围而定；

其中光纤光栅传感网b32由无纺土工布29、光纤光栅钢筋传感器30组成。光纤光栅钢筋传感器30交织成“#”字形固定在上下两层无纺土工布29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c33与光缆c34连接，并最终引至监测站。

管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关逐一导通传输至光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9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10，光开关8导通信号的周期由下位机10控制。下位机10对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS传输模块a11，GPRS传输模块a11将下位机10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13，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8，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9上，用光开关8将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪9分析；

(3)光纤光栅解调仪9，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，管道a2的应变因承受土体的下塌作用而发生变化，通过管体上的应变传感器a3测量；同时，随着采空塌陷的不断进行，管道和其下方土体之间的位移也发生变化，通过位移传感器a4测量；同时通过水平变形监测装置a5监测采空塌陷区水平变形。通过连接光缆a7，将采空塌陷区各个位置的传感器信号集中传输到光开关8，光开关8将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9解调出各传感器波长中心波长位移量并传感给现场计算机10，现场计算机10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a11，GPRS通讯模块a11通过无线通信网络传输信号，用GPRS通讯模块b12传送给上位机13，上位机13将各监测量与报警阈值对比，必要的时候给出报警。

本系统的优点表现在：

(1)用多指标进行采空塌陷区影响下油气管道的安全预警；

(2)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；

(3)管体应变监测，在每个监测截面均匀安装3个传感器(90°或120°分布)，用最少的监测点实现了监测目的，节约了成本，也减少了设备的安装时间及对管体的损伤，为采空塌陷区管道的防治提供了有效依据，确保了管道的安全；

(4)管土相对位移监测，根据管道所在采空塌陷区的特征，在每个管体应变监测截面的管体正下方安装1个光纤光栅位移传感器，用于监测管体及其下伏土体的相对位移情况，通过监测值的变化来判定管土相对位移及管体是否已经悬空以及悬空的位置，避免了通过开挖管沟来判明管体是否悬空，为采空塌陷区油气管道开展防护工程时机的选择提供了有效依据，减少了防护工程的盲目性并节约了管道运行成本、同时也确保了管道的运行安全，减少了开挖验证时的施工危险；

(5)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；

(6)本系统具有自动、连续、及时的特点，能够准确及时掌握采空塌陷区土体的稳定状态、管体安全状态及是否暗悬状态，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采空塌陷区油气管道监测系统构成图

图2管体应变监测装置图

图3管体应变传感器位置示意图

图4位移传感器构成图

图5管土相对位移监测装置图

图6管土相对位移监测装置的测量机理图

图7光纤光栅传感网构成图

图8土体水平变形监测装置图

图9采空塌陷区油气管道监测系统原理图

图10采空塌陷区油气管道监测系统电原理图

其中1-采空塌陷区              2-管道a

    3-光纤光栅应变传感器a     4-管土相对位移传感器a

    5-光纤光栅传感网a         6-光纤接线盒a

    7-光缆a                   8-光开关

    9-光纤光栅解调仪          10-下位机

    11-GPRS通讯模块a          12-GPRS通讯模块b

    13-上位机                 14-管道b

    15-光纤光栅应变传感器a    16-光纤光栅应变传感器b

    17-光纤光栅应变传感器c    18-温度补偿传感器

    19-光纤接线盒b            20-光缆b

    21-安装块                 22-测力杆

    23-光纤光栅               24-承重盘

    25-管土相对位移传感器b    26-管道c

    27-光纤跳线               28-光纤接线盒c

    29-无纺土工布             30-光纤光栅钢筋传感器

    31-管道d                  32-光纤光栅传感网b

    33-光纤接线盒c            34-光缆c

具体实施方式

实施例.本例是一实验系统，其构成如图1-图10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。

采空塌陷区油气管道监测系统分为现场采集发射系统和远程接收分析系统，具体包括管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置、现场监测站、办公室的接收终端(上位机)。

采空塌陷区油气管道监测系统的总体构成如图1所示。在采空塌陷区1的油气管道a2的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a3和管土相对位移传感器a4，每个截面上的传感器熔接串联，然后通过光纤接线盒a6与引至监测站的光缆a7连接，在监测站里，光缆a7与光开关8连接，光开关8与光纤光栅解调仪9连接，光纤光栅解调仪9与下位机10连接，下位机10预处理后的数据通过GPRS通讯模块a11传输，GPRS通讯模块b12接收后传到上位机13；同时，光纤光栅传感网a5实时监测土体水平位移，也将数据传输至上位机13。

采空塌陷区油气管道联合监测系统的具体构成如图9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。其中包括了管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置三部分。

现场数据采集传输系统包括光纤光栅传感网、光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器、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、光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器输出分别接光开关的输入，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。

光纤光栅应变传感器a3和管土相对位移传感器a4将管体应变和管土相对位移信号经光缆a7传到光开关8，光开关8后经光纤光栅解调仪9解调传至下位机10，下位机10调用自编的程序，控制光开关8和光纤光栅解调仪9，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a11传输、GPRS通讯模块b12接收传到上位机13，上位机13对数据进行进一步的分析处理，判断管道的受力变形状态及管土相对位移；同时，光纤光栅传感网a5实时监测土体水平变形，也以同样方式将数据传输至上位机13，上位机13对土体变形数据进行分析，并结合管道的变形和管土相对位移的分析结果，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。

该系统的电原理如图10所示，分别监测管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器--光纤光栅应变传感器a3、光纤光栅位移传感器a4、光纤光栅传感网a5的PC接头用光缆a7与光开关8的PC接头连接，光开关8的R232连接下位机10的R232接口，光开关8的PC接头连接光纤光栅解调仪9SM125的PC接口，光纤光栅解调仪9SM125的LAN端口连接下位机10的LAN端口，下位机10的输出由VGA端接显示器的VGA端，下位机10的R232端口接GPRS传输模块a11西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块a11经天线GSM、GPRS网络，被GPRS接收模块b12天线GSM接收后由R232接到上位机13的R232，上位机13的输出由VGA端接显示器的VGA端。

管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关8逐一导通传输至光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9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10，光开关8导通信号的周期由下位机10控制。下位机10对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS传输模块a11，GPRS传输模块a11将下位机10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13，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：

管体应变监测装置如图2所示，在管道b14布置17个监测截面，每个监测截面间隔90度方向均匀布置3个光纤光栅应变传感器a15、光纤光栅应变传感器b16、光纤光栅应变传感器c17和一个温度补偿传感器18，4个传感器通过熔接串联，然后通过光纤接线盒b19与光缆b20连接，光缆b20接至监测站里的光开关8，光开关8与光纤光栅解调仪9连接，解调仪9与下位机10连接，下位机10预处理后的数据输出接GPRS通讯模块a11传输，GPRS通讯模块b12接收后接到上位机13；监测站的下位机10调用自编的程序，控制光纤光栅解调仪9，实现数据的实时自动采集。

上述监测装置中：

光纤光栅应变传感器：BGK-FBG-4150；

光开关选用光隆SUM-FSW；

光纤光栅解调仪选用SM125；

管土相对位移监测装置如图5所示；在管道c26底部安装光纤光栅位移传感器b25，光纤光栅位移传感器b25与管道c26通过卡件连接，光纤光栅位移传感器b25可以与应变传感器串联，也可单独通过光纤跳线27引致光纤接线盒b28，通过光纤接线盒b28与光缆连接；光缆将信号引至监测站，监测站下位机10调用自编的程序，控制光纤光栅解调仪9，实现数据的实时自动采集；

其中光纤光栅位移传感器b25，由安装块21、测力杆22、光纤光栅23、承重盘24组成，如图6。安装块21由测力杆22与承重盘24连接成“工”字形，光纤光栅23固定在测力杆22上；承重盘24用于承受下塌土体重力，光纤光栅23测量测力杆22发生的应变，通过对应关系转化为位移；安装块21便于传感器稳固的安装于管道上；其中测力杆22与承重盘24、测力杆22与安装块21螺纹连接，安装块21与管道通过卡件连接；

其中：

光纤光栅位移传感器：选用自行设计封装的光纤光栅传感器；

光开关8选用光隆SUM-FSW；

光纤光栅解调仪9选用SM125；

采空塌陷区土体水平变形监测装置如图8所示，以管道d31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；光纤光栅传感网由无纺土工布29、光纤光栅钢筋传感器30组成；光纤光栅钢筋传感器30交织成“#”字形固定在上下两层无纺土工布29中间。每个光纤光栅钢筋传感器单独为1路，沿管道d31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d31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c33与光缆c34连接，并最终引至监测站；

其中：

光纤光栅钢筋传感器30：选用自行设计封装的光纤光栅传感器；

无纺土工布29选用SMG100；

光开关8选用光隆SUM-FSW；

光纤光栅解调仪9选用SM125。

现场监测站设置在采空塌陷区监测现场，如图1所示，包括光纤接线盒a6，连接光缆a7、光开关8、光纤光栅解调仪9、下位机10、GPRS传输模块a11；各光纤光栅传感器采集的信号通过光缆a7接到监测站的光开关8，光开关8输出接光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9输出接下位机10，下位机10输出接GPRS传输模块a11。

各光纤光栅传感器采集的信号通过光缆a7接到监测站的光开关8，光开关8将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量给下位机10，下位机10自动计算出各监测量输给GPRS传输模块a11并接受GPRS传输模块a11的信号进行控制，GPRS传输模块a11将下位机10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13进行进一步分析与处理；同时下位机10也可通过GPRS传输模块b12接受接收上位机13的信号。

其中：

光开关8：选用光隆科技SUM-FSW；

光纤光栅解调仪9：选用SM125；

下位机10及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

上位机13及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

GPRS传输模块a11：西门子MC35i

位于办公室的接收终端包括如下2个部分：

(1)GPRS接收模块b12，用于接收现场监测站GPRS传输模块a11发送的监测量，并传输给上位机13，也可给现场GPRS传输模块a11发送反馈指令；

(2)上位机13及程序，用于下载终端GPRS接收模块b12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。

该系统的工作原理是：当采空塌陷区1土体下塌时，埋于土体下方的管道a2受到上方土体荷载的作用而发生弯曲应变，管体光纤光栅应变传感器a3感受到拉应变，通过计算可得出管体的最大应变和所在位置，即管道a2的轴向应变；由于管道a2下方土体不断塌陷，埋于采空塌陷区1的管土相对位移传感器a4在承受土压力的过程中产生拉伸应变，管土相对位移传感器a4上的光纤光栅23感受到拉应变，通过计算可得出管土相对位移以及应变，即判定管道a2是否悬空以及悬空的位置；采空塌陷区1土体自下向上活动的过程中，在管道a2与其上方覆土的接触面上，土体的水平应变通过光纤光栅传感网a5测量，通过计算可得出土体最大水平变形。

通过连接光缆a7，将监测区各个位置的传感器信号集中传输到光开关8，光开关8将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪9，光纤光栅解调仪9解调出各传感器波长中心波长位移量并传感给下位机10，下位机10将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，如管道a2的最大应变、管土相对位移及应变，土体水平变形等，并将监测量发送给现场GPRS传输模块a11，GPRS传输模块a11通过公众无线通信网络将信号传输给终端GPRS接收模块a12，终端GPRS接收模块b12发送给终端上位机13，上位机13将各监测量与报警阈值对比，必要的时候给出报警。

其中：

GPRS接收模块a12：选用西门子MC35i；

下位机10及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

上位机13及程序：选用研华IPC-610；程序自编。

用上述系统在进行监测时，由采空塌陷区1的油气管道a2的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a3和光纤光栅传感网a5进行土体变形的监测，由管土相对位移传感器a4进行管土相对位移监测；

采集到的信号经光开关8、光纤光栅解调仪9解调后由下位机10作预处理；

下位机10预处理后的数据通过GPRS通讯模块a11传输、GPRS通讯模块a12接收到上位机13；上位机13判断数据是否完整，不完整时再返回下位机10预处理；完整则传到上位机13；

上位机13对信号作进一步分析与处理；

由上位机13输出采空塌陷土体水平变形变化动态显示、管体轴向应变变化动态显示、管土相对位移变化动态显示；并判断数据是否超出阈值；

管体轴向应变的报警阈值为管体的极限应变值的70％，管土相对位移的报警条件为监测值超过预设值并保持恒定，土体水平变形的报警条件为监测曲线出现突变；

当三个参数值都小于各自阈值时则表明管道处于安全状态；

当管体轴向应变达到管体的极限应变值的70％、或者管土相对位移值达到阈值并保持恒定时、或者土体水平变形曲线出现突变时进行管道安全的联合预警。

若采空塌陷区1的土体下塌，埋于土体下方的管道a2受到上方土体荷载的作用而发生弯曲应变，管体光纤光栅应变传感器a3感受到拉应变，通过计算可得出管体的最大应变和所在位置，即管道a2的轴向应变；由于管道a2下方土体不断塌陷，埋于采空塌陷区1的管土相对位移传感器a4在承受土压力的过程中产生拉伸应变，管土相对位移传感器a4上的光纤光栅23感受到拉应变，通过计算可得出管土相对位移以及应变，即判定管道a2是否悬空以及悬空的位置；采空塌陷区1土体自下向上活动的过程中，在管道a2与其上方覆土的接触面上，土体的水平应变通过光纤光栅传感网a5测量，通过计算可得出土体最大水平变形。由此，就可完整地测量出管道a2上所受到的各种应变量，并可计算出应力值。

经长时间的监测，本例易于实现采空塌陷区1和管道a2联合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 (6)

1.一种采空塌陷区油气管道监测系统，其特征在于它包括管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置三部分；在采空塌陷区(1)的油气管道a(2)的监测截面上安装光纤光栅应变传感器a(3)和管土相对位移传感器a(4)，每个截面上的传感器熔接串联，然后通过光纤接线盒a(6)与引至监测站的光缆a(7)连接，在监测站里，光缆a(7)与光开关(8)连接，光开关(8)与光纤光栅解调仪(9)连接，光纤光栅解调仪(9)与下位机(10)连接，下位机(10)预处理后的数据通过GPRS通讯模块a(11)传输，GPRS通讯模块b(12)接收后传到上位机(13)；同时，光纤光栅传感网a(5)实时监测土体水平位移，也将数据传输至上位机(13)；

管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关逐一导通传输至光纤光栅解调仪(9)，光纤光栅解调仪(9)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(10)，光开关(8)导通信号的周期由下位机(10)控制。下位机(10)对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS传输模块a(11)，GPRS传输模块a(11)将下位机(10)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(13)，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。

2.根据权利要求1所述的采空塌陷区油气管道监测系统，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；其中包括了管体应变监测装置、管土相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置三部分；

现场数据采集传输系统包括光纤光栅传感网、光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器、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、光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器输出分别接光开关的输入，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；

光纤光栅应变传感器a(3)和管土相对位移传感器a(4)将管体应变和管土相对位移信号经光缆a(7)传到光开关(8)，光开关(8)后光纤光栅经解调仪(9)解调传至下位机(10)，下位机(10)调用自编的程序，控制光开关(8)和光纤光栅解调仪(9)，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(11)传输、GPRS通讯模块b(12)接收传到上位机(13)，上位机(13)对数据进行进一步的分析处理，判断管道的受力变形状态及管土相对位移；同时，光纤光栅传感网a(5)实时监测土体水平变形，也以同样方式将数据传输至上位机(13)，上位机(13)对地表位移数据进行分析，并结合管道的变形和管土相对位移的分析结果，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。

3.根据权利要求1或2所述的采空塌陷区油气管道监测系统，其特征在于该系统的电原理是：分别监测管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器--光纤光栅应变传感器a(3)、光纤光栅位移传感器a(4)、光纤光栅传感网a(5)的PC接头用光缆a(7)与光开关(8)的PC接头连接，光开关(8)的R232连接下位机(10)的R232接口，光开关(8)的PC接头连接光纤光栅解调仪(9)SM125的PC接口，光纤光栅解调仪(9)SM125的LAN端口连接下位机(10)的LAN端口，下位机(10)的输出由VGA端接显示器的VGA端，下位机(10)的R232端口接GPRS传输模块a(11)西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块a(11)经天线GSM、GPRS网络，被GPRS接收模块b(12)天线GSM接收后由R232接到上位机(13)的R232，上位机(13)的输出由VGA端接显示器的VGA端；

管体应变、管土相对位移、塌陷区水平变形的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关(8)逐一导通传输至光纤光栅解调仪(9)，光纤光栅解调仪(9)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(10)，光开关(8)导通信号的周期由下位机(10)控制；下位机(10)对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS传输模块a(11)，GPRS传输模块a(11)将下位机(10)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(13)，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。

4.根据权利要求1或2所述的采空塌陷区油气管道监测系统，其特征在于所述管体应变监测装置是在管道b(14)的每个监测截面间隔90°方向均匀布置3个光纤光栅应变传感器a(15)、光纤光栅应变传感器b(16)、光纤光栅应变传感器c(17)和一个温度补偿传感器(18)，4个传感器通过熔接串联，然后通过光纤接线盒a(19)与光缆b(20)连接，光缆b(20)将信号引致监测站。

5.根据权利要求1或2所述的采空塌陷区油气管道监测系统，其特征在于所述管土相对位移监测装置中光纤光栅位移传感器b(25)的构成是：在管道c(26)底部安装光纤光栅位移传感器b(25)，光纤光栅位移传感器b(25)与管道c(26)通过卡件连接，光纤光栅位移传感器b(25)可以与应变传感器串联，也可单独通过光纤跳线(27)引致光纤接线盒c(28)，通过光纤接线盒c(28)与光缆连接； 

所述光纤光栅位移传感器b(25)由安装块(21)、测力杆(22)、光纤光栅(23)、承重盘(24)组成；安装块(21)由测力杆(22)与承重盘(24)连接成“工”字形，光纤光栅(23)固定在测力杆(22)上；承重盘(24)用于承受下塌土体重力，光纤光栅(23)测量测力杆(22)发生的应变，通过对应关系转化为位移；安装块(21)便于传感器稳固的安装于管道上；其中测力杆(22)与承重盘(24)、测力杆(22)与安装块(21)螺纹连接，安装块(21)与管道通过卡件连接。

6.根据权利要求1或2所述的采空塌陷区油气管道监测系统，其特征在于所述采空塌陷区水平变形监测装置中光纤光栅传感网b(32)的构成是：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d(31)轴线为中心在两侧各5m管廊带范围内整平的表面铺设光纤光栅传感网b(32)；

所述光纤光栅传感网b(32)由无纺土工布(29)、光纤光栅钢筋传感器(30)组成；光纤光栅钢筋传感器(30)交织成“#”字形固定在上下两层无纺土工布(29)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c(33)与光缆c(34)连接，并最终引至监测站。 

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