本发明专利技术公开了观测松散地层沉降的光纤光栅传感分层沉降仪装置及数据监测处理系统，以及光栅传感器与植入方法。包括光栅传感器及光栅传感器阵列，光栅传感器阵列通过光纤光栅解调器的宽带光源和耦合器施加光源给光纤光栅传感器，光栅传感器返回的光信号再通过耦合器输入给光纤光栅解调器，光纤光栅解调器将光信号转换成电信号，计算出每一个光栅传感器的中心波长值；监测处理系统分别由波长数据采集、数据分析、时显示波长、实时监测曲线、信息提示及预报预警系统等模块连接，数据分析另一路分别与存储器、数据处理器模块连接。该装置具有结构简单，不怕恶劣环境、耐磨蚀、抗电磁干扰、安全可靠、集传感与传输于一体，使用方便，广泛用地层沉降。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地质地层观测沉降的装置及方法，具体涉及长期观测。
技术介绍
地层沉降是一种常见地质现象。其地层沉降是一个缓慢、长期演变发展的过程，严重时成为地质灾害，威胁人民生命财产安全和构筑物使用，并形成社会危害。地层沉降是指在一定的地表面积内发生水平面降低的地质现象，主要集中发生在人口比较密集、经济比较发达的城市成片高密度住宅区，地下水的过度抽取、大型地下工程的修建等日益频繁的人类活动，使得城市地表沉降逐渐成为不可忽视的地理现象，当地面沉降累积到一定程度， 即会造成严重的经济损失，其影响和危害程度正成为人们日益关注的焦点。地面沉降是当今世界各国普遍存在和不容忽视的环境地质问题，据统计，我国目前已经有17个省份的96 个城市和地区发生了地面沉降，年沉降速度为10 56mm/a，造成千亿元的经济损失。如矿山开采引起的覆岩和地表塌陷、过度地下水开采引起的地层沉陷、城市地下工程引起的基础沉降等。造成地面沉降的原因很多，包括自然地质因素以及开发地下资源的人为因素。人为因素导致地面沉降的人为活动有大量开采地下资源，包括地下水、石油和天然气、煤层； 大规模工程建设；以及沿海城市的填海活动。地下水资源开采引发的地面沉降更为广泛、危害和影响也更为深远，地下矿藏开采引起的地面沉降近来也变得越来越普遍。矿山大面积的开采在地表出现了地面形变和地面沉降，其影响范围可达几十到几百km2，由此引起的地形和水文的变化在相当大的程度上破坏了耕地、建筑物及其他基础设施。中国改革开放三十年来，华东地区的淮北、淮南、大屯、徐州、兖州、枣庄、永夏、巨野等矿区煤炭生产持续增长，为区域经济发展发挥了巨大作用。与此同时，自上世纪80年代以来，该地区相继有上百个井筒发生了变形破坏，严重危害煤矿安全，集中突发性坏井之多、范围之广，为国际采矿史上所罕见，涉及江苏、山东、安徽、河南四省，合计年产量超过 300Mt。在煤矿开采过程中，立井井筒在具有足够的保安煤柱的条件下，出现的这种破坏其原因是该地区第四系含水层(组)的疏排水固结沉降变形，不同层位地层沉降变形导致的灾害现象，而且治理后的井筒在正常使用中发生重复性破坏。在我国的华东地区分布着广泛地新生界松散含水地层，这种地层特性决定了它的失水沉降性，即松散含水地层由于受到地质构造影响或者采动影响，新生界松散层下含水通过基岩风化带裂隙通道不断流失，导致含水位大幅度下降，引起松散岩体有效应力增加， 含水层岩石产生压缩变形。致使分布在该区域内的淮北、淮南、徐州、兖州等矿区的上百个井筒发生了变形破坏，严重影响了各矿井的安全生产。这些井筒破坏的共同特征为井筒罐道纵向弯曲变形影响提升，甚至造成卡罐事故；井壁均为横向断裂，破裂带内混凝土成片剥落，井壁内纵向钢筋向井内弯曲，横筋出露且破裂处漏水，有时带砂；破裂带在水平方向交圈，井壁破坏带都在新生界松散层与基岩交界面附近，松散含水层出现持续大幅度水位下降。纵观地面沉降地质灾害，长期、连续地进行监测是防治地面沉降最有效也是最根本的措施。常规的地面沉降监测一般采用实地水准测量或者GPS测量方法，前者需要野外作业，并且周期长、花费大；后者虽然解决了水准测量周期长的问题，但仍然无法满足大范围的监测要求。星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)成为城市地表沉降监测的重要手段， 合成孔径雷达干涉测量技术融合(Interferometric Syn2thetic Aperture Radar, InSAR) 了合成孔径雷达成像原理以及电磁波干涉技术，可以获得非常精确的数字高程模型和毫米量级的地表形变信息。与常规方法(如GPS、水准监测等)相比，InSAR具有全天时、全天候对目标进行观测的优势；且覆盖范围广，空间分辨率高，可以实施大范围内连续地表监测。 因此，水准测量、GPS测量以及近年发展起来的合成孔径雷达干涉测量InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)是地表沉降监测的重要手段。地面沉降是由于地层岩土体压缩导致。目前针对地面以下不同深度的分层沉降监测主要有分层沉降计法和钻孔伸长仪+钻孔测斜仪法，以及采用水位长观孔对某一层位的水位变化进行辅助性监测的方法。(1)分层沉降计法这种地层沉降变形观测方法的使用者是日本兴合株式会社(如图1所示)。使用磁致式直线型位移传感器，可以进行高精度变形监测，分辨率达到0. 2mm。它适应于深度在 20m左右的分层沉降监测，它最多只能采用6通道专用数据存储器在6个不同深度位置进行监测。可以利用小口径钻孔安装仪器，套管直径为86. 1mm。这种监测方法耗能少，仅用 5号干电池就可以进行半年以上的变形连续观测，每天监测24次，且数据回收十分简单，监测结束后数据存储器可以回收，反复使用。但是这种方法的缺陷不容忽视，它监测深度低、 易受到电磁干扰、不易实现连续观测且测点位置不能多于6个，从而限制了它的推广应用。图1所示为分层沉降计安装示意图。图中1_数据集成处理装置；2-导线；3-基座；4-磁致式传感器；5-套管；6-地层(2)岩体内部下沉测量(钻孔伸长仪)该系统主要由探头、电缆、带指示装置的卷缆轮、测管、感应环和基架组成。探头内部有无线电频率振荡和电测器电路。先在测管上按一定的间隔布置感应环，然后安置于钻孔中，用充填砂浆使其与孔壁胶结在一起，以保证感应环与围岩一起运动。观测时，通过探头在测管内上下移动，确定感应环的位置。探头内的感应电路在探头接近感应环时，将引起蜂鸣器报警，并使指示器上的指针偏转。当指针达到峰值，即探头中心正好对准感应环时，利用电缆和标尺上的刻度，可测得探头中心所在的刻度。根据一定时间间隔内前后两次测量结果，可计算出不同深度(感应环所在位置)岩层的垂直位移以及每一段内岩层的竖向伸长或压缩量。为获得绝对的位移值，至少应有一个感应环(如孔底附近)埋在稳定岩石中，或者有一个感应环在(在孔口附近)用其它方法测得绝对位移值。感应环安装在软管上，软管随管外而动，如图2所示。对于一个熟练的操作员，探测精度可达到1. 5mm。图2所示为下沉测量系统(伸长仪)安装示意图。图中1_基准架；2-读数装置、卷缆轮；3-水泥浆、4-充填砂浆；5-用粘结剂和胶带密封的感应环；6-感应环；7-倾斜仪套管接头；8-倾斜仪套管；9-注浆阀门；10-重锤；11-探头；12-用粘结剂和胶带密封的软管接头；13-用尼龙丝或胶带固定的软管接头； 14-固定在刚性管上的软管末端。(3)岩体内部水平位移测量(钻孔测斜仪器)图3所示为岩体内部水平移动测量系统的安装及原理示意图。主要组成部件有传感器、电缆、度数装置和测管。传感器用于提供一个与本身偏离竖直方向的偏角成正比的电信号，该信号通过电缆传递给度数设备。传感器由两个互相垂直的伺服加速器组成，因此， 它可以同时测定两个互相垂直方向上的偏离竖直方向的偏角。测管一般用特制的塑料管。 测管内壁带有四个等间隔分布的导向槽。传感器上的导向轮借助预导向槽控制测量方位。 测管一般加工成2m或4m—节，节与节之间通过特制的接头进行连接，以保证上、下管内的导向槽对齐。将传感器通过电缆和读数设备连接在一起，由孔口用电缆将传感器下放到测管内，依次用电缆上的刻度将传感器标定到每一个指定的深度处，测出偏斜增量。本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种松散地层的光纤光栅多点传感装置，其特征在于该装置包括由光纤光栅传感器阵列、光纤光栅网络传感分析仪、一台计算机连接组成。所述光纤光传感器阵列（１）由６个光纤光栅传感器依次串联连接构成１根线性阵列，其每根线性阵列并联连接后至少构成三个阵列；所述光纤光栅分层沉降仪（２）内置的宽带光源（３）施加光源给光纤光栅传感器（１），光纤光栅传感器（１）返回的光信号再通过耦合器（４）输入给光电转换器（５），光电转换器（５）将光信号转换成电信号输入给数据采集模块（６），数据采集模块（６）将数字信号输入给波长计算模块（７），波长计算模块（７）得出光栅传感器的中心波长输入给计算机（８）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：柴敬，李毅，刘金瑄，张广文，杨建华，王振平，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：87
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