專利名稱：一種采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構建方法
技術領域：
本發(fā)明是一種基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構建方法，涉及測量應力、溫度的測量、類似線性尺寸的測量及管道系統(tǒng)技術領域。
背景技術：
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)，進而對地上或地下建 (構)筑物產生危害。采空塌陷災害是造成人類生命財產損失的地質災害的主要形式之一。 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通過，從而使管道的安全運營遭受嚴重威脅。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)了相應的應力計算軟件，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，導致地表大面積下沉、凹陷、裂縫或誘發(fā)滑坡、崩塌等次生災害，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，對管道安全生產構成重大威脅，其中以蘆草溝塌陷區(qū)最為嚴重；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)生采空塌陷等災害。面對眾多的采空塌陷災害，我國的管道運營公司雖然采取了積極的工程防護措施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護工程也并非“一勞永逸”，設計施工的不確定因素較多，再者防護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、低成本的防治措施。美國國際管道科學研究院(PRCI)將監(jiān)測管道作為防治采空塌陷災害的主要方式，我國的西氣東輸、陜京線等管道投產后對采空區(qū)也進行有效的監(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)象進行結果監(jiān)測，難以滿足采空區(qū)監(jiān)測超前預報、長期和實時在線的要求。傳統(tǒng)的管道應變監(jiān)測以電阻式應變計、振弦式應變計為主，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(以BOTDR為代表)在管體監(jiān)測方面已有一定的應用。目前的這些監(jiān)測方式均局限于對采空塌陷(致災體)或埋地管道(承災體)進行獨立監(jiān)測，還未對采空塌陷變形及其影響下的管道進行系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測，也沒有對采空塌陷區(qū)土體變形信息的超前監(jiān)測和管土相對位移監(jiān)測。聯(lián)合監(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管道的影響方式和程度，更重要的是能掌握鋼質管道的應力位移變化規(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)管道進行安全預警，提前預報采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)以及管道的危險狀態(tài)，為減災方案的設計實施提供依據(jù)。聯(lián)合監(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、易于波分復用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領域有著廣闊的前景。作為光子研究領域的一種新興技術，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術近年來受到普遍關注，各國研究者積極開展有關研究工作。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、應變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應力)、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，其折射率調制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應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，就可以獲得相應的溫度和應變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測量溫度和應變的基本原理。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€導模耦合到另一個沿相反方向傳輸?shù)膶６纬烧瓗Х瓷洌逯捣瓷洳ㄩL(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變的關系^--(α/+ξ)ΑΤ + {\-Ρ,)Αε(2)
λΒ式中 為光纖的熱膨脹系數(shù)；為光纖材料的熱光系數(shù)；
J dTη dT
Pe = -If為光纖材料的彈光系數(shù)。由式(2)可知，應變是由于光纖布拉格光柵周期的伸縮 η as
和彈光效應引起布拉格波長的變化，而溫度是由于光纖布拉格光柵熱膨脹效應和熱光效應引起布拉格波長的變化。光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領域得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨特的優(yōu)點(1)傳感頭結構簡單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入各種大型結構中，可測量結構內部的應力、應變及結構損傷等，穩(wěn)定性、重復性好；( 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)具有非傳導性，對被測介質影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，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光柵，構成傳感陣列，與波分復用和時分復用系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)分布式傳感；(5)測量信息以波長編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、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域反射計BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點有(1)對測量點能精確定位，分辨率高；( 成本低；C3)能對傳感部分進行加工、封裝，使其更適合現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。由于這些優(yōu)點，在巖土工程領域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對其內部的應變和溫度進行高分辨率和大范圍測量，技術優(yōu)勢非常明顯，尤其體現(xiàn)在能獲得長期、 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用于采空區(qū)管體應變、管土相對位移及采空區(qū)管道敷設帶土體水平變形聯(lián)合監(jiān)測的報道。

發(fā)明內容
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時在線的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構建方法。本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測預警方法和系統(tǒng)及其構建方法。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術，對采空塌陷管道敷設帶土體水平變形及其影響下的管道進行聯(lián)合監(jiān)測，監(jiān)測內容包括管體應變監(jiān)測、管土相對位移監(jiān)測及采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測。并構建了監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時自動采集、遠程傳輸和自動分析。本發(fā)明提出的基于光纖光柵傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其監(jiān)測內容包括三部分管體應變監(jiān)測、管土相對位移監(jiān)測、采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測。其中，管體應變和管土相對位移采用光纖光柵傳感器實時在線監(jiān)測，采空塌陷區(qū)水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)實時在線監(jiān)測，光纖光柵預警內容包括對管體應力應變的預警、管土相對位移的預警及管道上方土體變形的預警?；诠饫w光棚傳感技術的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法監(jiān)測方法流程如

圖1所示，對于采空區(qū)油氣管道的監(jiān)測，可分為管體軸向應變監(jiān)測、管土相對位移監(jiān)測和采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法三部分。其中，管體軸向應變采用光纖光柵應變傳感器監(jiān)測、管土相對位移采用光纖光柵位移傳感器監(jiān)測、土體水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測。傳感器采集的波長信號在現(xiàn)場監(jiān)測站通過解調和預處理之后，被遠程傳輸?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)進行進一步的分析處理，計算出采空塌陷土體水平變形變化、管體軸向應變變化和管土相對位移變化，從而對管體和土體應變變化的狀態(tài)穩(wěn)定情況進行判定；其中，管體軸向應變的報警閾值為管體的極限應變值的70%，管土相對位移的報警條件為監(jiān)測值超過預設值并保持恒定，土體水平變形的報警條件為監(jiān)測曲線出現(xiàn)突變。當三個參數(shù)都小于各自閾值時則表明管道處于安全狀態(tài)。當管體軸向應變達到管體的極限應變值的70%、或者管土相對位移值達到閾值并保持恒定時、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時進行管道安全的聯(lián)合預警。
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所用監(jiān)測裝置如圖2所示，在采空塌陷區(qū)1的油氣管道a2的監(jiān)測截面上安裝光纖光柵應變傳感器a3和管土相對位移傳感器a4，每個截面上的傳感器熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒a6與引至監(jiān)測站的光纜a7連接，在監(jiān)測站里，光纜a7與光開關8連接，光開關8 與光纖光柵解調儀9連接，光纖光柵解調儀9與下位機10連接，下位機10預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊all傳輸、GPRS通訊模塊a 12接收到上位機13 ；同時，光纖光柵傳感網(wǎng) a5實時監(jiān)測管道a2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13 ；用上述裝置對采空塌陷區(qū)油氣管道進行監(jiān)測。監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)流程如圖3所示，包括三部分內容下位機的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)的遠程傳輸程序、上位機的數(shù)據(jù)分析程序。下位機數(shù)據(jù)采集主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集和預處理。光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)通過光纖光柵解調儀保存到下位機，下位機數(shù)據(jù)采集程序需要對保存的數(shù)據(jù)進行分類，并根據(jù)光纖光柵傳感特性將波長變化值轉化為相應的應變值。數(shù)據(jù)的遠程傳輸程序主要功能是實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)通訊。通過對GPRS通訊模塊的控制，數(shù)據(jù)遠程傳輸程序將下位機的預處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，并將上位機的數(shù)據(jù)接收情況反饋給下位機，實現(xiàn)了自動傳輸。上位機數(shù)據(jù)分析程序的主要功能是通過數(shù)學方法對接受數(shù)據(jù)進行處理，擬合出數(shù)據(jù)的變化曲線，并將處理結果與報警閾值進行對比，進而判斷采空區(qū)管道的安全情況。光纖光柵應變傳感器a3和管土相對位移傳感器a4將管體應變和管土相對位移信號經(jīng)光纜a7傳到光開關8，光開關8后經(jīng)光纖光柵解調儀9解調傳至下位機10，下位機 10調用自編的程序，控制光開關8和光纖光柵解調儀9，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進行預處理；預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊all傳輸、GPRS通訊模塊al2接收到上位機13，上位機13對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對位移；同時， 光纖光柵傳感網(wǎng)a5實時監(jiān)測管道a2上方土體水平變形，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機13，上位機13對土體水平變形數(shù)據(jù)進行分析，并結合管道的變形和管土相對位移的分析結果，判斷采空塌陷區(qū)管道的安全狀態(tài)。數(shù)據(jù)的處理主要由軟件完成，軟件流程如圖3所示。下位機數(shù)據(jù)預處理主要是將光纖光柵解調儀采集的光波長數(shù)據(jù)轉化為應變數(shù)據(jù)，上位機在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)管體應變監(jiān)測公式計算管體最大應變，根據(jù)管土相對位移公式計算管土相對位移及相應的應力應變，根據(jù)土體水平變形監(jiān)測公式計算土體水平變形，并最終將三個監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，判斷采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)和管道的安全狀況。其中管體應變監(jiān)測方法大量的研究表明，采空塌陷區(qū)土體對管道的作用主要表現(xiàn)在管體豎直方向上，而管體應變與受力破壞關鍵則表現(xiàn)在軸向上，對管道軸向應變的測量就能較好地判斷管道的可接受應變和應力狀態(tài)。因此光纖光柵應變傳感器僅測量管道軸向的應變，基于管材本構理論，已知應變就可求出應力。作為采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法的一部分，管體應變監(jiān)測方法是采用光纖光柵應變傳感器，其結構如圖4所示。在管道bl4的每個監(jiān)測截面間隔90°方向均勻布置3個光纖光柵應變傳感器al5、光纖光柵應變傳感器bl6、光纖光柵應變傳感器cl7和一個溫度補償傳感器18，4個傳感器通過熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒al9與光纜b20將管體應變信號引至監(jiān)測站光開關8和光纖光柵解調儀9，光纖光柵解調儀9解調后傳至下位機10，下位機10預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊all傳輸、GPRS通訊模塊al2接收到上位機13作進ー步分析與處理并予顯示；通過如下算法，即可求出該管道截面上最大應變的大小和 位置。管體應變數(shù)據(jù)處理的目的是通過管體截面圓弧上有限個點的應變，求圓弧上最大 拉、壓應變的大小及其位置。參照圖5，管道橫截面半徑為r，通過應變計測量到的三個相隔90°圓弧位置A，B， C處的單軸縱向應變，可以計算出繞圓周任一點的縱向應變。所有繞圓周的縱向應變均位于 通過管道的ー個平面，其定義如下mx+ny+pz = 1(3)其中X和y是圓周上任一點的坐標，坐標軸如圖5所示。z是點(x，y)的縱向應變。m,n,p是任意常數(shù)。已知的邊界條件為9點鐘方向應變值為A，12點鐘方向應變值為B，3點鐘方向應 變值為C，則可求出圓弧上任一點(x，y)處應變的分布函數(shù)為
權利要求
1.一種采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其特征在于其監(jiān)測內容包括三部分管體應變監(jiān)測、管土相對位移監(jiān)測、采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測；監(jiān)測方法所用裝置在采空塌陷區(qū)(1)的埋地油氣管道3( 的監(jiān)測截面上安裝光纖光柵應變傳感器a(3) 和管土相對位移傳感器乂4)，每個截面上的傳感器熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒a(6)與引至監(jiān)測站的光纜a(7)連接，在監(jiān)測站里，光纜a(7)與光開關(8)連接，光開關(8)與光纖光柵解調儀(9)連接，光纖光柵解調儀(9)與下位機(10)連接，下位機(10)預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a (11)傳輸、GPRS通訊模塊a (1 接收到上位機(1 ；同時，管頂鋪設的光纖光柵傳感網(wǎng)a 實時監(jiān)測管道aO)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(1 ；用上述裝置對采空塌陷區(qū)油氣管道進行監(jiān)測； 監(jiān)測流程依次是對相互有作用的塌陷土體和管道的監(jiān)測，可分為管體軸向應變監(jiān)測、管土相對位移監(jiān)測和采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測三部分；其中，管體軸向應變采用光纖光柵應變傳感器監(jiān)測、管土相對位移采用光纖光柵位移傳感器監(jiān)測、土體水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測；傳感器采集的波長信號在現(xiàn)場監(jiān)測站通過解調和預處理之后，被遠程傳輸?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)進行進一步的分析處理，計算出采空塌陷區(qū)管頂土體水平變形變化、管體軸向應變變化和管土相對位移變化；通過采空塌陷區(qū)土體水平變形變化動態(tài)顯示、管體軸向應變變化動態(tài)顯示、管土相對位移變化動態(tài)顯示，從而對管體和土體應變變化的狀態(tài)穩(wěn)定情況進行判定，判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值；管體軸向應變的報警閾值為管體的極限應變值的70 %，管土相對位移的報警條件為監(jiān)測值超過閾值并保持恒定，土體水平變形的報警條件為監(jiān)測曲線出現(xiàn)突變； 當三個參數(shù)值都小于各自閾值時則表明管道處于安全狀態(tài)；當管體軸向應變達到管體的極限應變值的70%、或者管土相對位移值達到閾值并保持恒定時、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時進行管道安全的聯(lián)合預警。
2.根據(jù)權利要求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 由采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道乂幻的監(jiān)測截面上安裝光纖光柵應變傳感器a C3)和光纖光柵傳感網(wǎng)a 進行土體變形的監(jiān)測，由管土相對位移傳感器a(4)進行管土相對位移監(jiān)測；采集到的信號經(jīng)光開關(8)、光纖光柵解調儀(9)解調后由下位機(10)作預處理； 下位機(10)預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a (11)傳輸、GPRS通訊模塊a (12)接收到上位機(1 ；上位機(1 判斷數(shù)據(jù)是否完整，不完整時再返回下位機(10)預處理；完整則傳到上位機(13)；上位機(13)對信號作進一步分析與處理；并判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值； 由上位機(1 輸出采空塌陷土體水平變形變化動態(tài)顯示、管體軸向應變變化動態(tài)顯示、管土相對位移變化動態(tài)顯示；管體軸向應變的報警閾值為管體的極限應變值的70 %，管土相對位移的報警條件為監(jiān)測值超過閾值并保持恒定，土體水平變形的報警條件為監(jiān)測曲線出現(xiàn)突變；當三個參數(shù)值都小于各自閾值時則表明管道處于安全狀態(tài)；當管體軸向應變達到管體的極限應變值的70%、或者管土相對位移值達到閾值并保持恒定時、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時進行管道安全的聯(lián)合預警。光纖光柵應變傳感器a ( 和管土相對位移傳感器a (4)將管體應變和管土相對位移信號經(jīng)光纜a (7)傳到光開關(8)，光開關(8)后經(jīng)光纖光柵解調儀(9)解調傳至下位機(10)， 下位機(10)調用自編的程序，控制光開關(8)和光纖光柵解調儀(9)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進行預處理；預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a(ll)傳輸、GPRS通訊模塊a(12)接收到到上位機(13)，上位機(1 對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對位移；同時，光纖光柵傳感網(wǎng)a 實時監(jiān)測管道aO)上方土體水平變形，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(13)，上位機(1 對土體水平變形數(shù)據(jù)進行分析，并結合管道的變形和管土相對位移的分析結果，判斷采空塌陷區(qū)管道的安全狀態(tài)；數(shù)據(jù)的處理主要由軟件完成； 下位機數(shù)據(jù)預處理主要是將光纖光柵解調儀采集的光波長數(shù)據(jù)根據(jù)轉化為應變數(shù)據(jù)，上位機在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)管體應變監(jiān)測公式計算管體最大應變，根據(jù)管土相對位移公式計算管土相對位移及相應的應力應變，根據(jù)水平變形監(jiān)測公式計算土體水平變形，并最終將三個監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，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，其特征在于所述管體應變監(jiān)測方法是采用光纖光柵應變傳感器，在管道b (14)的每個監(jiān)測截面間隔90°方向均勻布置 3個光纖光柵應變傳感器、光纖光柵應變傳感器b (16)、光纖光柵應變傳感器c (17) 和一個溫度補償傳感器(18)，4個傳感器通過熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒a(19)與光纜 b(20)將管體應變信號引至監(jiān)測站光開關(8)和光纖光柵解調儀(9)，光纖光柵解調儀(9) 解調后傳至下位機(10)，下位機(10)預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a (11)傳輸、GPRS 通訊模塊接收到上位機(1 作進一步分析與處理并予顯示；通過管體截面圓弧上有限個點的應變，求圓弧上最大拉、壓應變的大小及其位置，即可求出該管道截面上最大應力的大小和位置。
4.根據(jù)權利要求1所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其特征在于所述管土相對位移監(jiān)測方法是采用光纖光柵位移傳感器；在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道W26)的監(jiān)測截面上安裝管土相對位移傳感器b (25)，通過光纖接線盒c (28)與光纜c (34)將管土相對位移信號引至監(jiān)測站光開關(8)和光纖光柵解調儀(9)，光纖光柵解調儀(9)解調后傳至下位機 (10)，下位機(10)預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a (11)傳輸、GPRS通訊模塊a (12)接收傳到上位機(1 作進一步分析與處理并予顯示；管土相對位移傳感器M2Q測量出的應變ε ρ為ε ρ = k y Sh/E (12)當測量出的εΡ= Y Sh/E，即土體下塌系數(shù)k= 1并保持穩(wěn)定時，表示管體處于懸空狀態(tài)；式中，Y s為塌陷土體容重、h為測力桿的長度、k為土體下塌系數(shù)、E為測力桿材料的彈性模型。
5.根據(jù)權利要求1所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測方法，其特征在于所述采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測方法是采用光纖光柵傳感網(wǎng)，光纖光柵傳感網(wǎng)由無紡土工布( )、光纖光柵鋼筋傳感器(30)組成；光纖光柵鋼筋傳感器(30)交織成“#”字形固定在上下兩層無紡土工布09)中間，每個光纖光柵鋼筋傳感器(30)單獨為1路，每路的光纖光柵數(shù)量需根據(jù)采空塌陷的實際情況而定；光纖光柵傳感網(wǎng)a 將土體水平變形信號引至監(jiān)測站光開關(8)和光纖光柵解調儀 (9)，光纖光柵解調儀(9)解調后傳至下位機(10)，下位機(10)預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS 通訊模塊a(ll)傳輸、GPRS通訊模塊a(1 接收到上位機(1 作進一步分析與處理并予顯不；光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實時監(jiān)測管道a(2)正上方土體水平變形，無紡土工布09)用于貼合土體變形，光纖光柵鋼筋傳感器(30)測量無紡土工布09)各點的應變，通過最小二乘法將數(shù)據(jù)進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。
6.一種如權利要求1所述采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測的系統(tǒng)，其特征在于它包括管體應變監(jiān)測裝置、管土相對位移監(jiān)測裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測裝置三部分；在采空塌陷區(qū) 1的油氣管道aO)的監(jiān)測截面上安裝光纖光柵應變傳感器aC3)和管土相對位移傳感器 a⑷，每個截面上的傳感器熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒a (6)與引至監(jiān)測站的光纜a (7) 連接，在監(jiān)測站里，光纜a(7)與光開關(8)連接，光開關(8)與光纖光柵解調儀(9)連接， 光纖光柵解調儀(9)與下位機(10)連接，下位機(10)預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊 a(ll)傳輸，GPRS通訊模塊b(12)接收后傳到上位機(13)；同時，光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實時監(jiān)測土體水平位移，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(13)；管體應變、管土相對位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號經(jīng)光開關逐一導通傳輸至光纖光柵解調儀(9)，光纖光柵解調儀(9)解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機(10)，光開關(8)導通信號的周期由下位機(10)控制。下位機(10)對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS通訊模塊a(ll)，GPRS通訊模塊 a(ll)將下位機(10)計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機 (13)，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，由顯示器顯示。
7.根據(jù)權利要求6所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(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)和遠程接收分析系統(tǒng)；其中包括了管體應變監(jiān)測裝置、管土相對位移監(jiān)測裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測裝置三部分；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應變傳感器、光纖光柵位移傳感器、光開關、光纖光柵解調儀、下位機、GPRS通訊模塊，光纖光柵傳感網(wǎng)、光纖光柵應變傳感器、光纖光柵位移傳感器輸出分別接光開關的輸入，光開關的輸出接光纖光柵解調儀的輸入，光纖光柵解調儀的輸出接下位機的輸入，下位機的輸出接GPRS通訊模塊；遠程接收分析系統(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；光纖光柵應變傳感器a ( 和管土相對位移傳感器a (4)將管體應變和管土相對位移信號經(jīng)光纜a (7)傳到光開關(8)，光開關(8)后經(jīng)光纖光柵解調儀(9)解調傳至下位機(10)， 下位機(10)調用自編的程序，控制光開關(8)和光纖光柵解調儀(9)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對數(shù)據(jù)進行預處理；預處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊a(ll)傳輸、GPRS通訊模塊b (12)接收傳到上位機(13)，上位機(1 對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對位移；同時，光纖光柵傳感網(wǎng)a 實時監(jiān)測土體水平變形，也以同樣方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(13)，上位機(1 對土體變形數(shù)據(jù)進行分析，并結合管道的變形和管土相對位移的分析結果，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。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的電原理是分別監(jiān)測管體應變、管土相對位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器一光纖光柵應變傳感器a(3)、光纖光柵位移傳感器乂4)、光纖光柵傳感網(wǎng)a 的PC接頭用光纜a (7)與光開關(8)的PC接頭連接，光開關(8)的R232連接下位機(10)的R232接口， 光開關(8)的PC接頭連接光纖光柵解調儀(9)SM125的PC接口，光纖光柵解調儀(9)SM125 的LAN端口連接下位機(10)的LAN端口，下位機(10)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端， 下位機(10)的R232端口接GPRS通訊模塊a(11)西門子MC35i的R232端口，GPRS通訊模塊a (11)經(jīng)天線GSM、GPRS網(wǎng)絡，被GPRS通訊模塊b(12)天線GSM接收后由R232接到上位機(13)的R232，上位機(13)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端；管體應變、管土相對位移、塌陷區(qū)水平變形的三類光纖光柵傳感器的輸出信號經(jīng)光開關(8)逐一導通傳輸至光纖光柵解調儀(9)，光纖光柵解調儀(9)解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機(10)，光開關(8)導通信號的周期由下位機(10)控制； 下位機(10)對數(shù)據(jù)進行預處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給GPRS通訊模塊a(ll)，GPRS通訊模塊a(ll)將下位機(10)計算的各監(jiān)測量通過公眾無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(13)，上位機通過自編軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，由顯示器顯示。
9.根據(jù)權利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述管體應變監(jiān)測裝置是在管道b(14)的每個監(jiān)測截面間隔90°方向均勻布置3個光纖光柵應變傳感器a (1 、光纖光柵應變傳感器b (16)、光纖光柵應變傳感器c (17)和一個溫度補償傳感器 (18)，4個傳感器通過熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒a(19)與光纜M20)連接，光纜M20) 將信號引致監(jiān)測站。
10.根據(jù)權利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述管土相對位移監(jiān)測裝置是在管道c (26)底部安裝光纖光柵位移傳感器b (25)，光纖光柵位移傳感器M2Q與管道W26)通過卡件連接，光纖光柵位移傳感器b (2 可以與應變傳感器串聯(lián)， 也可單獨通過光纖跳線、2Τ)引致光纖接線盒c ( )，通過光纖接線盒c 08)與光纜連接；所述光纖光柵位移傳感器M2Q由安裝塊(21)、測力桿(22)、光纖光柵(23)、承重盤 (24)組成；安裝塊位1)由測力桿02)與承重盤04)連接成“工”字形，光纖光柵03)固定在測力桿0 上；承重盤04)用于承受下塌土體重力，光纖光柵測量測力桿02) 發(fā)生的應變，通過對應關系轉化為位移；安裝塊便于傳感器穩(wěn)固的安裝于管道上；其中測力桿02)與承重盤(M)、測力桿02)與安裝塊螺紋連接，安裝塊與管道通過卡件連接。
11.根據(jù)權利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測裝置中光纖光柵傳感網(wǎng)b (3 的構成是當管體已敷設至管溝設計位置，且覆土回填至管頂后，以管道d(31)軸線為中心在兩側各5m管廊帶范圍內整平的表面鋪設光纖光柵傳感網(wǎng)b (32)；所述光纖光柵傳感網(wǎng)b (3 由無紡土工布(四)、光纖光柵鋼筋傳感器(30)組成；光纖光柵鋼筋傳感器(30)交織成“#”字形固定在上下兩層無紡土工布09)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)量需根據(jù)采空塌陷的實際情況而定，通過光纖接線盒c (33)與光纜c (34)連接，并最終引至監(jiān)測站。
12.—種如權利要求6所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法，其特征在于它包括管體應變監(jiān)測裝置、管土相對位移監(jiān)測裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測裝置三部分的構建方法；在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道aO)的監(jiān)測截面上安裝光纖光柵應變傳感器aC3)、管土相對位移傳感器a(4)，每個截面上的傳感器熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒 a(6)與光纜a(7)連接，同時在管道a(》頂部安裝光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)，以管道a( 軸線為中心在兩側各5m范圍內布置，光纖光柵傳感網(wǎng)a 也通過光纖接線盒a(6)與光纜a(7) 連接；光纜a (7)接至監(jiān)測站，在監(jiān)測站里，光纜a (7)與光開關(8)連接，光開關(8)與光纖光柵解調儀(9)連接，光纖光柵解調儀(9)與下位機(10)連接，下位機(10)輸出接GPRS 通訊模塊a (11)，GPRS通訊模塊b (12)輸出接上位機(13)。
13.根據(jù)權利要求12所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法，其特征在于所述管體應變監(jiān)測裝置的構建方法是光纖光柵應變傳感器aC3)沿管道軸向安裝，在管道 b(14)的每個監(jiān)測截面間隔90°方向均勻布置3個光纖光柵應變傳感器a(15)、光纖光柵應變傳感器b (16)、光纖光柵應變傳感器c (17)和一個溫度補償傳感器(18)，4個傳感器通過熔接串聯(lián)，然后通過光纖接線盒a(19)與光纜M20)連接，光纜M20)將信號引致監(jiān)測站。
14.根據(jù)權利要求12所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法，其特征在于所述管土相對位移監(jiān)測裝置的構建方法是管土相對位移傳感器a (4)安裝在油氣管道(2)的正下方，監(jiān)測截面位置和數(shù)量的選擇根據(jù)采空塌陷區(qū)(1)的實際情況而定；在管道c 06)底部安裝光纖光柵位移傳感器b (25)，光纖光柵位移傳感器b (2 與管道c 06)通過卡件連接，光纖光柵位移傳感器M2Q與應變傳感器串聯(lián)，或可單獨通過光纖跳線(XT)引至光纖接線盒c ( )，通過光纖接線盒c 08)與光纜連接；其中隨管體埋入土中的光纖光柵位移傳感器a(4)由安裝塊(21)、測力桿(22)、光纖光柵(23)、承重盤Q4)組成；安裝塊Ql)由測力桿0 與承重盤04)連接成“工”字形，光纖光柵固定在測力桿0 上；安裝塊安裝于管道上；其中測力桿02)與承重盤(M)、測力桿02)與安裝塊螺紋連接，安裝塊與管道通過卡件連接。
15.根據(jù)權利要求12所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法，其特征在于所述采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測裝置的構建方法是以管道d(31)軸線為中心在兩側各5m 范圍內整平的表面鋪設光纖光柵傳感網(wǎng)b (32)；光纖光柵鋼筋傳感器(30)交織成“# ”字形固定在上下兩層無紡土工布09)中間；每個光纖光柵鋼筋傳感器(30)單獨為1路，每路的光纖光柵數(shù)量需根據(jù)采空塌陷的實際情況而定，通過光纖接線盒c (33)與光纜c (34)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)油氣管道監(jiān)測方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構建方法。其監(jiān)測包括管體軸向應變采用光纖光柵應變傳感器監(jiān)測、管土相對位移采用光纖光柵位移傳感器監(jiān)測、土體水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測；傳感器采集的信號經(jīng)解調和預處理，被傳輸?shù)疆惖乇O(jiān)測中心；監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，計算出采空塌陷區(qū)管頂土體水平變形變化、管體軸向應變變化和管土相對位移變化；對管體和土體應變變化的狀態(tài)穩(wěn)定情況進行判定，判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值；當三個參數(shù)值都小于各自閾值時則表明管道處于安全狀態(tài)；當管體軸向應變達到管體極限應變值的70％、或管土相對位移值達到閾值并保持恒定、或土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時進行管道安全聯(lián)合預警。
文檔編號G01B11/02GK102345793SQ20101024003
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權日2010年7月28日
發(fā)明者劉建平, 吳張中, 李柏松, 荊宏遠, 蔡永軍, 譚東杰, 郝建斌, 韓冰, 馬云賓 申請人:中國石油天然氣股份有限公司