一种采空塌陷区油气管道监测方法 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油气管道监测方法， 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 )λB 为 ：
λB ＝ 2neffΛ (1)
式中 ： λB 为布拉格波长 ； neff 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 ：
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。 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 在线的采空塌陷区油气管道监测方法。 本发明提出一种基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区油气管道监测方法， 其监测 内容包括三部分 ： 管体应变监测、 管土相对位移监测、 采空塌陷区土体水平变形监测。 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， 采空塌陷区水平变形采用光 纤光栅传感网实时在线监测， 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。
基于光纤光棚传感技术的采空塌陷区油气管道监测方法监测方法流程如图 1 所 示， 对于采空区油气管道的监测， 可分为管体轴向应变监测、 管土相对位移监测和采空塌陷 区土体水平变形监测三部分。 其中， 管体轴向应变采用光纤光栅应变传感器监测、 管土相对 位移采用光纤光栅位移传感器监测、 土体水平变形采用光纤光栅传感网监测。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、 管体轴向应变变化和管土相对位移变化， 从而对管体和土体应变变化的状态稳定 情况进行判定 ； 其中， 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。
所用监测装置如图 2 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 a12 接收到上位机 13 ； 同时， 光纤光栅传感网 a5 实时监测管道 a2 正上方土体水平变形， 也以相同方式将数据传输至上位机 13 ； 用上述装
置对采空塌陷区油气管道进行监测。
监测方法的数据流程如图 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。光纤光栅传感器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。
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 a12 接收到上位机 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 实时监测管道 a2 上方土体水平变形， 也将数据传输至上位机 13， 上位 机 13 对土体水平变形数据进行分析， 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。数据的处理主要由软件完成， 软件流程如图 3 所示。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， 根据管体应变监测公式计算管体最大应变， 根据管土相对位移公式 计算管土相对位移及相应的应力应变， 根据土体水平变形监测公式计算土体水平变形， 并 最终将三个监测数据融合， 判断采空区的稳定状态和管道的安全状况。
其中 ：
管体应变监测方法大量的研究表明， 采空塌陷区土体对管道的作用主要表现在管 体竖直方向上， 而管体应变与受力破坏关键则表现在轴向上， 对管道轴向应变的测量就能 较好地判断管道的可接受应变和应力状态。 因此光纤光栅应变传感器仅测量管道轴向的应 变， 基于管材本构理论， 已知应变就可求出应力。
作为采空塌陷区油气管道监测方法的一部分， 管体应变监测方法是采用光纤光栅 应变传感器， 其结构如图 4 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 将管体应变 信号引至监测站光开关 8 和光纤光栅解调仪 9， 光纤光栅解调仪 9 解调后传至下位机 10， 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 作进一步分析与处理并予 显示 ； 通过如下算法， 即可求出该管道截面上最大应变的大小和 位置。
管体应变数据处理的目的是通过管体截面圆弧上有限个点的应变， 求圆弧上最大 拉、 压应变的大小及其位置。
参照图 5， 管道横截面半径为 r， 通过应变计测量到的三个相隔 90°圆弧位置 A， B， C 处的单轴纵向应变， 可以计算出绕圆周任一点的纵向应变。 所有绕圆周的纵向应变均位于通过管道的一个平面， 其定义如下 ：
mx+ny+pz ＝ 1 (3)
其中
x 和 y 是圆周上任一点的坐标， 坐标轴如图 5 所示。
z 是点 (x， y) 的纵向应变。
m， n， p 是任意常数。
已知的边界条件为 9 点钟方向应变值为 A， 12 点钟方向应变值为 B， 3 点钟方向应 变值为 C， 则可求出圆弧上任一点 (x， y) 处应变的分布函数为 ：
因为应变值是关于 x 轴对称的， 所以对方程 (4) 求 x 的导数， 即可求得最大或最小 应变， 把该值设为零， 求解最大或最小的 x、 y 坐标值。 整理得 和 表达式为 ：
通过式 (5) 和式 (6) 即可求出最大或最小应变对应的 x、 y 值， 然后代入式 (4) 中 求取断面最大应变 zmax 的值。将最大值 zmax 与管体极限容许应变 [ε] 的 0.7 倍值 ( 即管体 应变阈值 ) 进行比较， 当监测值超过阈值时报警。
管土相对位移监测方法随着采矿程度的加深， 由于管体和土体的刚度及抗变形能 力不同， 随着采空塌陷区土体的不断下塌， 管体与其下方土体的变形和下沉位移不再一致， 管道下方土体将继续下塌， 最终与管道分离， 而管道上部土体由管体支撑， 附着于管道之 上， 从而导致管道暗悬。 大量的研究表明， 当管道暗悬时， 管道受到荷载最大， 管体处于非常 不稳定的受荷状态， 这种状态严重影响到管道的安全。因此监测管道和土体之间的相对位 移， 可以实时了解管道与土体的对应位置关系， 当管土相对位移值达到阈值并保持恒定时， 表明管道已悬空， 并及时报警。
作为采空塌陷区油气管道监测方法的另一部分， 管土相对位移监测方法是采用光 纤光栅位移传感器。在采空塌陷区 1 的油气管道 c26 的监测截面上安装管土相对位移传感 器 b25， 通过光纤接线盒 c28 与光缆将管土相对位移信号引至监测站光开关 8 和光纤光栅解 调仪 9， 光纤光栅解调仪 9 解调后传至下位机 10， 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 接收传到上位机 13 作进一步分析与处理并予显示 ( 见 图 7)。
其监测原理如下 ：
图 6 中的位移传感器随管体埋入土中， 此时位移传感器承重盘 24 上方受到的力 σ1 为盘上土体自重应力以及通过测力杆 22 传递而来管体自重及其上覆土体应力 G， 即：
σ1 ＝ γsh+G (7)
式中， γs 为塌陷土体容重、 h 为测力杆的长度。
盘下土体支撑应力 σ2 为 ：
σ2 ＝ γsh+G-kγsh (8)
式中， k 为土体下塌系数， 0 ≤ k ≤ 1。
光纤光栅 23 处此时的应力 σ3 为 ：
σ3 ＝ σ1-σ2 (9)
因此， 管体相对位移值 Δl 为 ：
Δl ＝ σ3h/E (10)
式中， E 为测力杆材料的弹性模量。
当采空区土体尚未塌陷时， 处于力平衡状态 σ1 ＝ σ2( 即土体下塌系数 k ＝ 0)， 此时 σ3 ＝ 0。
当采空区土体开始塌陷时， 承重盘 24 下的支撑土体逐渐沉陷， 造成盘下土体支撑 应力 σ2 从平衡状态逐渐衰减， 直至为 0 时， 此时管体自重及其上覆土体压力 G 被未塌陷断 的土体平衡掉了。故 ：
σ3 ＝ kγsh (11)
此时， 光纤光栅 23 测量出的应变 εP 为 ： εP ＝ kγsh /E (12)
因此， 由上分析可知， 当测量出的 εP ＝ γsh/E( 即土体下塌系数 k ＝ 1) 并保持恒 定时， 表示管体处于悬空状态。
管土相对位移监测装置的测量机理如图 8 所示， 当测量应变 εP 达到阈值并保持 恒定时， 即表明管体已经处于悬空状态。
采空塌陷区土体水平变形监测方法根据最新版 《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， 因此除自重外管体承受的荷载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。
作为采空塌陷区油气管道监测方法的第三部分， 采空塌陷区土体水平变形监测方 法是采用光纤光栅传感网， 其结构如图 9 所示。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。
光纤光栅传感网 a5 将土体水平变形信号引至监测站光开关 8 和光纤光栅解调仪 9， 光纤光栅解调仪 9 解调后传至下位机 10， 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 作进一步分析与处理并予显示。
光纤光栅传感网 a5 实时监测管道 a2 正上方土体水平变形， 无纺土工布 29 用于贴 合土体变形， 光纤光栅钢筋传感器 30 测量无纺土工布 29 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 10 的光纤光栅传感网敷设于管道 d31 顶部并埋入土体后， 光纤光栅传感网 b32 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 b32 也将随之产生 同等变形， 此时光纤光栅传感网 b32 内部的光纤光栅钢筋传感器 30 就会测量出各路中光栅 所处位置的应变， 通过光纤接线盒 c33 和光缆 c34 引至监测站， 从而形成如下应变矩阵 ：
式中， ε 为应变监测矩阵 ； εij 为第 i 路第 j 个监测点的应变值。
对式 (13) 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 ：
式中， n 为拟合函数的最高次数 ； a0Λan 为多项式参数。
通过式 (14) 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(ε1 max， ε2 max， Λ， εi max) (15)
式中， εi 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。
本方法的优点表现在 ：
(1) 提出对采空塌陷区及其影响下油气管道进行联合监测的方法， 揭示了管道敷 设带 ( 管廊带 ) 采空塌陷区复杂土体的塌陷特征、 采空塌陷作用下管体受力及应变特征以 及管体与塌陷土体相互作用的特征 ； 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 )， 通 过特定的算法得出该监测截面的最大应变分布、 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) 本方法具有自动、 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方法原理流程图
图 2 采空塌陷区油气管道监测方法图
图 3 软件流程图
图 4 管体应变监测装置图 图 5 管体应变传感器位置示意图 图 6 位移传感器构成图 图 7 管土相对位移监测装置图 图 8 管土相对位移监测装置的测量机理图 图 9 光纤光栅传感网构成图 图 10 土体水平变形监测装置图 其中 1- 采空塌陷 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 b33- 光纤接线盒 c34- 光缆 c具体实施方式
实施例 . 本例是一实验方法， 如图 1- 图 3 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 2 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 ； 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。
基于光纤光栅传感技术的采空塌陷区油气管道监测方法流程如图 1 所示， 对于采 空区油气管道的监测， 可分为管体轴向应变监测、 管土相对位移监测和采空塌陷区土体水 平变形监测三部分。 其中， 管体轴向应变采用光纤光栅应变传感器监测、 管土相对位移采用 光纤光栅位移传感器监测、 土体水平变形采用光纤光栅传感网监测。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、 管体轴向应变变化和管土相对位移变化， 从而对管体和土体应变变化的状态稳定情况进行判 定； 其中， 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 件为监测值超过阈值并保持恒定， 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。
作为采空塌陷区油气管道监测方法的一部分， 管体应变监测方法是采用光纤光栅 应变传感器， 其结构如图 4 所示。在管道 b14 布置 17 个监测截面， 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 将管体应变信号引至监测站光开关 8 和光纤光栅解调仪 9， 光纤光栅解调仪 9 解调 后传至下位机 10， 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 作进一步分析与处理并予显示 ； 通过如下算法， 即可求出该管道截面 上最大应变的大小和位置。
管体应变数据处理的目的是通过管体截面圆弧上有限个点的应变， 求圆弧上最大 拉、 压应变的大小及其位置。
作为采空塌陷区油气管道监测方法的另一部分， 管土相对位移监测方法是采用光 纤光栅位移传感器。在采空塌陷区 1 的油气管道 c26 的监测截面上安装管土相对位移传感 器 b25， 通过光纤接线盒 c28 与光缆 c34 将管土相对位移信号引至监测站光开关 8 和光纤光 栅解调仪 9， 光纤光栅解调仪 9 解调后传至下位机 10， 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 接收传到上位机 13 作进一步分析与处理并予显示 ( 见图 7)。
因此， 当测量出的 εP ＝ γsh/E( 即土体下塌系数 k ＝ 1) 并保持恒定时， 表示管体 处于悬空状态。
管土相对位移监测装置的测量机理如图 8 所示， 当测量应变 εP 达到阈值并保持 恒定时， 即表明管体已经处于悬空状态。
作为采空塌陷区油气管道监测方法的第三部分， 采空塌陷区土体水平变形监测方 法是采用光纤光栅传感网， 其结构如图 9 所示。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。
光纤光栅传感网 a5 将土体水平变形信号引至监测站光开关 8 和光纤光栅解调仪 9， 光纤光栅解调仪 9 解调后传至下位机 10， 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 作进一步分析与处理并予显示。
光纤光栅传感网 a5 实时监测管道 a2 正上方土体水平变形， 无纺土工布 29 用于贴 合土体变形， 光纤光栅钢筋传感器 30 测量无纺土工布 29 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。
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 通讯模块 a11， GPRS 通讯模块 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 4 所示， 在管道 b14 的每个监测截面间隔 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， 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 ； 光栅解调仪选用 SM125 ；
管土相对位移监测装置如图 7 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 ；
上述监测装置中 ：
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 10 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 ；
上述监测装置中 ：
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 2 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 通讯模块 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 通讯模块 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 通讯模块 a11 并接受 GPRS 通讯模块 a11 的信号进行控制， GPRS 通讯模块 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 通讯模块 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 通讯模块 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 通讯模块 b12， 用于接收现场监测站 GPRS 通讯模块 a11 发送的监测量， 并 传输给上位机 13， 也可给现场 GPRS 通讯模块 a11 发送反馈指令 ；
(2) 上位机 13 及程序， 用于下载终端 GPRS 通讯模块 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 通讯模块 a11， GPRS 通讯模块 a11 通过公众无线通信网络将信号传输给终端 GPRS 通讯模块 a12， 终端 GPRS 通讯模块 a12 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 通讯模块 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。
用上述方法构建的系统在进行监测时， 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 a 3 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 为监测值超过阈值并保持恒定， 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， 本例易于构建监测系统， 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。