專利名稱：一種采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)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)油氣管道監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法，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(lái)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、低成本的防治措施。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(致災(zāi)體)或埋地管道(承災(zāi)體)進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測(cè)，還未對(duì)采空塌陷變形及其影響下的管道進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，也沒有對(duì)采空塌陷區(qū)土體變形信息的超前監(jiān)測(cè)和管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)。聯(lián)合監(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)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)。聯(lián)合監(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(wú)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(lái)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^--(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(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；( 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)管體應(yīng)變、管土相對(duì)位移及采空區(qū)管道敷設(shè)帶土體水平變形聯(lián)合監(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)油氣管道監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法。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)油氣管道監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和系統(tǒng)及其構(gòu)建方法。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)采空塌陷管道敷設(shè)帶土體水平變形及其影響下的管道進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)及采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)。并構(gòu)建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng)分析。本發(fā)明提出的基于光纖光柵傳感技術(shù)的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)方法，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括三部分管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)、采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)。其中，管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移采用光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，采空塌陷區(qū)水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，光纖光柵預(yù)警內(nèi)容包括對(duì)管體應(yīng)力應(yīng)變的預(yù)警、管土相對(duì)位移的預(yù)警及管道上方土體變形的預(yù)警?；诠饫w光棚傳感技術(shù)的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)方法流程如

圖1所示，對(duì)于采空區(qū)油氣管道的監(jiān)測(cè)，可分為管體軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)和采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)方法三部分。其中，管體軸向應(yīng)變采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移采用光纖光柵位移傳感器監(jiān)測(cè)、土體水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)。傳感器采集的波長(zhǎng)信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心接收到數(shù)據(jù)后，通過特定算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，計(jì)算出采空塌陷土體水平變形變化、管體軸向應(yīng)變變化和管土相對(duì)位移變化，從而對(duì)管體和土體應(yīng)變變化的狀態(tài)穩(wěn)定情況進(jìn)行判定；其中，管體軸向應(yīng)變的報(bào)警閾值為管體的極限應(yīng)變值的70%，管土相對(duì)位移的報(bào)警條件為監(jiān)測(cè)值超過預(yù)設(shè)值并保持恒定，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)三個(gè)參數(shù)都小于各自閾值時(shí)則表明管道處于安全狀態(tài)。當(dāng)管體軸向應(yīng)變達(dá)到管體的極限應(yīng)變值的70%、或者管土相對(duì)位移值達(dá)到閾值并保持恒定時(shí)、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時(shí)進(jìn)行管道安全的聯(lián)合預(yù)警。
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所用監(jiān)測(cè)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(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a3和管土相對(duì)位移傳感器a4，每個(gè)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(cè)站的光纜a7連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a7與光開關(guān)8連接，光開關(guān)8 與光纖光柵解調(diào)儀9連接，光纖光柵解調(diào)儀9與下位機(jī)10連接，下位機(jī)10預(yù)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(jī)13 ；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng) a5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)13 ；用上述裝置對(duì)采空塌陷區(qū)油氣管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)流程如圖3所示，包括三部分內(nèi)容下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸程序、上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析程序。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理。光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)通過光纖光柵解調(diào)儀保存到下位機(jī)，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序需要對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并根據(jù)光纖光柵傳感特性將波長(zhǎng)變化值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)變值。數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸程序主要功能是實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。通過對(duì)GPRS通訊模塊的控制，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸程序?qū)⑾挛粰C(jī)的預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并將上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收情況反饋給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)傳輸。上位機(jī)數(shù)據(jù)分析程序的主要功能是通過數(shù)學(xué)方法對(duì)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(bào)警閾值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而判斷采空區(qū)管道的安全情況。光纖光柵應(yīng)變傳感器a3和管土相對(duì)位移傳感器a4將管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移信號(hào)經(jīng)光纜a7傳到光開關(guān)8，光開關(guān)8后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)傳至下位機(jī)10，下位機(jī) 10調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)8和光纖光柵解調(diào)儀9，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all傳輸、GPRS通訊模塊al2接收到上位機(jī)13，上位機(jī)13對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對(duì)位移；同時(shí)， 光纖光柵傳感網(wǎng)a5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道a2上方土體水平變形，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)13，上位機(jī)13對(duì)土體水平變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合管道的變形和管土相對(duì)位移的分析結(jié)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(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將光纖光柵解調(diào)儀采集的光波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變數(shù)據(jù)，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)公式計(jì)算管體最大應(yīng)變，根據(jù)管土相對(duì)位移公式計(jì)算管土相對(duì)位移及相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)土體水平變形監(jiān)測(cè)公式計(jì)算土體水平變形，并最終將三個(gè)監(jiān)測(cè)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(yīng)變監(jiān)測(cè)方法大量的研究表明，采空塌陷區(qū)土體對(duì)管道的作用主要表現(xiàn)在管體豎直方向上，而管體應(yīng)變與受力破壞關(guān)鍵則表現(xiàn)在軸向上，對(duì)管道軸向應(yīng)變的測(cè)量就能較好地判斷管道的可接受應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)。因此光纖光柵應(yīng)變傳感器僅測(cè)量管道軸向的應(yīng)變，基于管材本構(gòu)理論，已知應(yīng)變就可求出應(yīng)力。作為采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)方法的一部分，管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法是采用光纖光柵應(yīng)變傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在管道bl4的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間隔90°方向均勻布置3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器al5、光纖光柵應(yīng)變傳感器bl6、光纖光柵應(yīng)變傳感器cl7和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器18，4個(gè)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(yīng)變信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站光開關(guān)8和光纖光柵解調(diào)儀9，光纖光柵解調(diào)儀9解調(diào)后傳至下位機(jī)10，下位機(jī)10預(yù)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(jī)13作進(jìn)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(yīng)變的大小和 位置。管體應(yīng)變數(shù)據(jù)處理的目的是通過管體截面圓弧上有限個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，求圓弧上最大 拉、壓應(yīng)變的大小及其位置。參照?qǐng)D5，管道橫截面半徑為r，通過應(yīng)變計(jì)測(cè)量到的三個(gè)相隔90°圓弧位置A，B， C處的單軸縱向應(yīng)變，可以計(jì)算出繞圓周任一點(diǎn)的縱向應(yīng)變。所有繞圓周的縱向應(yīng)變均位于 通過管道的ー個(gè)平面，其定義如下mx+ny+pz = 1(3)其中X和y是圓周上任一點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)軸如圖5所示。z是點(diǎn)(x，y)的縱向應(yīng)變。m,n,p是任意常數(shù)。已知的邊界條件為9點(diǎn)鐘方向應(yīng)變值為A，12點(diǎn)鐘方向應(yīng)變值為B，3點(diǎn)鐘方向應(yīng) 變值為C，則可求出圓弧上任一點(diǎn)(x，y)處應(yīng)變的分布函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)方法，其特征在于其監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括三部分管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)、采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)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(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a(3) 和管土相對(duì)位移傳感器乂4)，每個(gè)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(cè)站的光纜a(7)連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a(7)與光開關(guān)(8)連接，光開關(guān)(8)與光纖光柵解調(diào)儀(9)連接，光纖光柵解調(diào)儀(9)與下位機(jī)(10)連接，下位機(jī)(10)預(yù)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(jī)(1 ；同時(shí)，管頂鋪設(shè)的光纖光柵傳感網(wǎng)a 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)(1 ；用上述裝置對(duì)采空塌陷區(qū)油氣管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)； 監(jiān)測(cè)流程依次是對(duì)相互有作用的塌陷土體和管道的監(jiān)測(cè)，可分為管體軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)和采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)三部分；其中，管體軸向應(yīng)變采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移采用光纖光柵位移傳感器監(jiān)測(cè)、土體水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)；傳感器采集的波長(zhǎng)信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)中心；監(jiān)測(cè)中心接收到數(shù)據(jù)后，通過特定算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，計(jì)算出采空塌陷區(qū)管頂土體水平變形變化、管體軸向應(yīng)變變化和管土相對(duì)位移變化；通過采空塌陷區(qū)土體水平變形變化動(dòng)態(tài)顯示、管體軸向應(yīng)變變化動(dòng)態(tài)顯示、管土相對(duì)位移變化動(dòng)態(tài)顯示，從而對(duì)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；管體軸向應(yīng)變的報(bào)警閾值為管體的極限應(yīng)變值的70 %，管土相對(duì)位移的報(bào)警條件為監(jiān)測(cè)值超過閾值并保持恒定，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)三個(gè)參數(shù)值都小于各自閾值時(shí)則表明管道處于安全狀態(tài)；當(dāng)管體軸向應(yīng)變達(dá)到管體的極限應(yīng)變值的70%、或者管土相對(duì)位移值達(dá)到閾值并保持恒定時(shí)、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時(shí)進(jìn)行管道安全的聯(lián)合預(yù)警。
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(cè)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(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器a C3)和光纖光柵傳感網(wǎng)a 進(jìn)行土體變形的監(jiān)測(cè)，由管土相對(duì)位移傳感器a(4)進(jìn)行管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)；采集到的信號(hào)經(jīng)光開關(guān)(8)、光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)后由下位機(jī)(10)作預(yù)處理； 下位機(jī)(10)預(yù)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(jī)(1 ；上位機(jī)(1 判斷數(shù)據(jù)是否完整，不完整時(shí)再返回下位機(jī)(10)預(yù)處理；完整則傳到上位機(jī)(13)；上位機(jī)(13)對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步分析與處理；并判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值； 由上位機(jī)(1 輸出采空塌陷土體水平變形變化動(dòng)態(tài)顯示、管體軸向應(yīng)變變化動(dòng)態(tài)顯示、管土相對(duì)位移變化動(dòng)態(tài)顯示；管體軸向應(yīng)變的報(bào)警閾值為管體的極限應(yīng)變值的70 %，管土相對(duì)位移的報(bào)警條件為監(jiān)測(cè)值超過閾值并保持恒定，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)三個(gè)參數(shù)值都小于各自閾值時(shí)則表明管道處于安全狀態(tài)；當(dāng)管體軸向應(yīng)變達(dá)到管體的極限應(yīng)變值的70%、或者管土相對(duì)位移值達(dá)到閾值并保持恒定時(shí)、或者土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時(shí)進(jìn)行管道安全的聯(lián)合預(yù)警。光纖光柵應(yīng)變傳感器a ( 和管土相對(duì)位移傳感器a (4)將管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移信號(hào)經(jīng)光纜a (7)傳到光開關(guān)(8)，光開關(guān)(8)后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)傳至下位機(jī)(10)， 下位機(jī)(10)調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)(8)和光纖光柵解調(diào)儀(9)，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a(ll)傳輸、GPRS通訊模塊a(12)接收到到上位機(jī)(13)，上位機(jī)(1 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對(duì)位移；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng)a 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道aO)上方土體水平變形，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)(13)，上位機(jī)(1 對(duì)土體水平變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合管道的變形和管土相對(duì)位移的分析結(jié)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(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將光纖光柵解調(diào)儀采集的光波長(zhǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變數(shù)據(jù)，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)公式計(jì)算管體最大應(yīng)變，根據(jù)管土相對(duì)位移公式計(jì)算管土相對(duì)位移及相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)水平變形監(jiān)測(cè)公式計(jì)算土體水平變形，并最終將三個(gè)監(jiān)測(cè)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(quán)利要求1所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法是采用光纖光柵應(yīng)變傳感器，在管道b (14)的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間隔90°方向均勻布置 3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器b (16)、光纖光柵應(yīng)變傳感器c (17) 和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器(18)，4個(gè)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(yīng)變信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站光開關(guān)(8)和光纖光柵解調(diào)儀(9)，光纖光柵解調(diào)儀(9) 解調(diào)后傳至下位機(jī)(10)，下位機(jī)(10)預(yù)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(jī)(1 作進(jìn)一步分析與處理并予顯示；通過管體截面圓弧上有限個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，求圓弧上最大拉、壓應(yīng)變的大小及其位置，即可求出該管道截面上最大應(yīng)力的大小和位置。
4.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(cè)方法，其特征在于所述管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)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(cè)截面上安裝管土相對(duì)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(duì)位移信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站光開關(guān)(8)和光纖光柵解調(diào)儀(9)，光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)后傳至下位機(jī) (10)，下位機(jī)(10)預(yù)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(jī)(1 作進(jìn)一步分析與處理并予顯示；管土相對(duì)位移傳感器M2Q測(cè)量出的應(yīng)變?chǔ)?ρ為ε ρ = k y Sh/E (12)當(dāng)測(cè)量出的εΡ= Y Sh/E，即土體下塌系數(shù)k= 1并保持穩(wěn)定時(shí)，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(cè)力桿的長(zhǎng)度、k為土體下塌系數(shù)、E為測(cè)力桿材料的彈性模型。
5.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(cè)方法，其特征在于所述采空塌陷區(qū)土體水平變形監(jiān)測(cè)方法是采用光纖光柵傳感網(wǎng)，光纖光柵傳感網(wǎng)由無(wú)紡?fù)凉げ? )、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(wú)紡?fù)凉げ?9)中間，每個(gè)光纖光柵鋼筋傳感器(30)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；光纖光柵傳感網(wǎng)a 將土體水平變形信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站光開關(guān)(8)和光纖光柵解調(diào)儀 (9)，光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)后傳至下位機(jī)(10)，下位機(jī)(10)預(yù)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(jī)(1 作進(jìn)一步分析與處理并予顯不；光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道a(2)正上方土體水平變形，無(wú)紡?fù)凉げ?9)用于貼合土體變形，光纖光柵鋼筋傳感器(30)測(cè)量無(wú)紡?fù)凉げ?9)各點(diǎn)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。
6.一種如權(quán)利要求1所述采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于它包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分；在采空塌陷區(qū) 1的油氣管道aO)的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器aC3)和管土相對(duì)位移傳感器 a⑷，每個(gè)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(cè)站的光纜a (7) 連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a(7)與光開關(guān)(8)連接，光開關(guān)(8)與光纖光柵解調(diào)儀(9)連接， 光纖光柵解調(diào)儀(9)與下位機(jī)(10)連接，下位機(jī)(10)預(yù)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(jī)(13)；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng)a(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平位移，也將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)(13)；管體應(yīng)變、管土相對(duì)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(hào)經(jīng)光開關(guān)逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀(9)，光纖光柵解調(diào)儀(9)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)(10)，光開關(guān)(8)導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)(10)控制。下位機(jī)(10)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(ll)，GPRS通訊模塊 a(ll)將下位機(jī)(10)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(jī) (13)，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。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(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)；其中包括了管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分；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)、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵位移傳感器、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)、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵位移傳感器輸出分別接光開關(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；光纖光柵應(yīng)變傳感器a ( 和管土相對(duì)位移傳感器a (4)將管體應(yīng)變和管土相對(duì)位移信號(hào)經(jīng)光纜a (7)傳到光開關(guān)(8)，光開關(guān)(8)后經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀(9)解調(diào)傳至下位機(jī)(10)， 下位機(jī)(10)調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)(8)和光纖光柵解調(diào)儀(9)，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a(ll)傳輸、GPRS通訊模塊b (12)接收傳到上位機(jī)(13)，上位機(jī)(1 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，判斷管道的受力變形狀態(tài)及管土相對(duì)位移；同時(shí)，光纖光柵傳感網(wǎng)a 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體水平變形，也以同樣方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)(13)，上位機(jī)(1 對(duì)土體變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合管道的變形和管土相對(duì)位移的分析結(jié)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(quán)利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的電原理是分別監(jiān)測(cè)管體應(yīng)變、管土相對(duì)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(yīng)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(guān)(8)的PC接頭連接，光開關(guān)(8)的R232連接下位機(jī)(10)的R232接口， 光開關(guān)(8)的PC接頭連接光纖光柵解調(diào)儀(9)SM125的PC接口，光纖光柵解調(diào)儀(9)SM125 的LAN端口連接下位機(jī)(10)的LAN端口，下位機(jī)(10)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端， 下位機(jī)(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(luò)，被GPRS通訊模塊b(12)天線GSM接收后由R232接到上位機(jī)(13)的R232，上位機(jī)(13)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端；管體應(yīng)變、管土相對(duì)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(hào)經(jīng)光開關(guān)(8)逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀(9)，光纖光柵解調(diào)儀(9)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)(10)，光開關(guān)(8)導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)(10)控制； 下位機(jī)(10)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(ll)，GPRS通訊模塊a(ll)將下位機(jī)(10)計(jì)算的各監(jiān)測(cè)量通過公眾無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谵k公室的上位機(jī)(13)，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。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置是在管道b(14)的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間隔90°方向均勻布置3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器a (1 、光纖光柵應(yīng)變傳感器b (16)、光纖光柵應(yīng)變傳感器c (17)和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器 (18)，4個(gè)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(hào)引致監(jiān)測(cè)站。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)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(yīng)變傳感器串聯(lián)， 也可單獨(dú)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(cè)力桿(22)、光纖光柵(23)、承重盤 (24)組成；安裝塊位1)由測(cè)力桿02)與承重盤04)連接成“工”字形，光纖光柵03)固定在測(cè)力桿0 上；承重盤04)用于承受下塌土體重力，光纖光柵測(cè)量測(cè)力桿02) 發(fā)生的應(yīng)變，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)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(cè)力桿02)與承重盤(M)、測(cè)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(quán)利要求6或7所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置中光纖光柵傳感網(wǎng)b (3 的構(gòu)成是當(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d(31)軸線為中心在兩側(cè)各5m管廊帶范圍內(nèi)整平的表面鋪設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)b (32)；所述光纖光柵傳感網(wǎng)b (3 由無(wú)紡?fù)凉げ?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(wú)紡?fù)凉げ?9)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c (33)與光纜c (34)連接，并最終引至監(jiān)測(cè)站。
12.—種如權(quán)利要求6所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于它包括管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置、管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置、采空塌陷區(qū)水平變形監(jiān)測(cè)裝置三部分的構(gòu)建方法；在采空塌陷區(qū)(1)的油氣管道aO)的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器aC3)、管土相對(duì)位移傳感器a(4)，每個(gè)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(shí)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(cè)各5m范圍內(nèi)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(cè)站，在監(jiān)測(cè)站里，光纜a (7)與光開關(guān)(8)連接，光開關(guān)(8)與光纖光柵解調(diào)儀(9)連接，光纖光柵解調(diào)儀(9)與下位機(jī)(10)連接，下位機(jī)(10)輸出接GPRS 通訊模塊a (11)，GPRS通訊模塊b (12)輸出接上位機(jī)(13)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于所述管體應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)建方法是光纖光柵應(yīng)變傳感器aC3)沿管道軸向安裝，在管道 b(14)的每個(gè)監(jiān)測(cè)截面間隔90°方向均勻布置3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器a(15)、光纖光柵應(yīng)變傳感器b (16)、光纖光柵應(yīng)變傳感器c (17)和一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器(18)，4個(gè)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(hào)引致監(jiān)測(cè)站。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征在于所述管土相對(duì)位移監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)建方法是管土相對(duì)位移傳感器a (4)安裝在油氣管道(2)的正下方，監(jiān)測(cè)截面位置和數(shù)量的選擇根據(jù)采空塌陷區(qū)(1)的實(shí)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(yīng)變傳感器串聯(lián)，或可單獨(dú)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(cè)力桿(22)、光纖光柵(23)、承重盤Q4)組成；安裝塊Ql)由測(cè)力桿0 與承重盤04)連接成“工”字形，光纖光柵固定在測(cè)力桿0 上；安裝塊安裝于管道上；其中測(cè)力桿02)與承重盤(M)、測(cè)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(quán)利要求12所述的采空塌陷區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)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(cè)裝置的構(gòu)建方法是以管道d(31)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)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(wú)紡?fù)凉げ?9)中間；每個(gè)光纖光柵鋼筋傳感器(30)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c (33)與光纜c (34)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)油氣管道監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)及系統(tǒng)的構(gòu)建方法。其監(jiān)測(cè)包括管體軸向應(yīng)變采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)、管土相對(duì)位移采用光纖光柵位移傳感器監(jiān)測(cè)、土體水平變形采用光纖光柵傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)；傳感器采集的信號(hào)經(jīng)解調(diào)和預(yù)處理，被傳輸?shù)疆惖乇O(jiān)測(cè)中心；監(jiān)測(cè)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，計(jì)算出采空塌陷區(qū)管頂土體水平變形變化、管體軸向應(yīng)變變化和管土相對(duì)位移變化；對(duì)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；當(dāng)三個(gè)參數(shù)值都小于各自閾值時(shí)則表明管道處于安全狀態(tài)；當(dāng)管體軸向應(yīng)變達(dá)到管體極限應(yīng)變值的70％、或管土相對(duì)位移值達(dá)到閾值并保持恒定、或土體水平變形曲線出現(xiàn)突變時(shí)進(jìn)行管道安全聯(lián)合預(yù)警。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102345793SQ20101024003
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, 李柏松, 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