Автоматическая система деформационного контроля массива горных пород
AUTOMATIC SYSTEM FOR DEFORMATION CONTROL OF ROCK MASS

Техническое решение относится к горной промышленности и может быть использовано для осуществления комплексного контроля за состоянием пород приконтурного массива сети подземных горных выработок шахт и рудников.
Известны различные устройства контроля деформаций приконтурного массива горных выработок (см., например, патенты RU №№: 2564508, МПК G01C15/04, E21C39/00, опубл. 10.10.2015 г.; 89609, МПК E21C39/00, опубл. 10.12.2009 г.), в общем случае содержащие реперы, соединенные гибкими связями с измерительным блоком и системой индикаторов.
При изменении положения реперов в случае деформаций горных пород данные о величинах смещений через гибкие связи передаются в измерительный блок, где обрабатываются и, в зависимости от полученных результатов, происходит визуализация индикации уровней смещения.
Недостатками известных устройств являются невозможность непрерывного контроля и анализа показаний по всему приконтурному массиву выработок, так как необходим визуальный осмотр и снятие показаний индикаторов непосредственно в местах установки устройств.
В качестве ближайшего аналога принята система контроля, содержащая автоматические устройства контроля смещений приконтурного массива пород горных выработок (см. патент RU №172963, МПК E21C39/00, опубл. 02.08.2017 г.), каждое из которых включает реперы, гибкие связи, блок измерения, датчики перемещения, возвратно-сматывающие механизмы, расположенные в корпусе блока измерения, причем каждый репер взаимосвязан с соответствующим ему возвратно-сматывающим механизмом с помощью гибкой связи и датчиком перемещения.
Объединение известных устройств в систему позволяет осуществлять контроль состояния горных пород на определенном участке массива.
Однако при эксплуатации в подземных условиях, налагающих ограничения на качество и дальность различных типов связи и электропитание элементов системы, данные от каждого устройства в процессе их передачи могут искажаться или теряться, что снижает эффективность работы системы и, как следствие, безопасности проведения работ.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности горных работ.
Технический результат заключается в осуществлении непрерывного контроля смещений приконтурного массива пород горных выработок с высокой степенью достоверности.
Технический результат достигается за счет того, что в автоматической системе деформационного контроля массива горных пород, включающей блоки контроля деформаций, каждый из которых содержит узлы оповещения, сбора и приема-передачи данных, и информационно-управляющее устройство, блоки контроля деформаций объединены в линейные сегменты, каждый линейный сегмент соединен с информационно-управляющим устройством посредством сетевого моста, причем к одному сетевому мосту присоединены не более трех линейных сегментов, а длина каждого линейного сегмента не превышает шести километров.
Кроме того, автоматическая система деформационного контроля массива горных пород может содержать блок преобразования интерфейсов, функционально расположенный между сетевыми мостами и информационно-управляющим устройством.
Кроме того, автоматическая система деформационного контроля массива горных пород может содержать пульт блока контроля деформации.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема автоматической системы деформационного контроля массива горных пород.
Автоматическая система деформационного контроля массива горных пород состоит из блоков 1 контроля деформаций, содержащих узлы 2, 3 и 4 оповещения, сбора и приема-передачи данных, соответственно, сетевых мостов 5, блока 6 преобразования интерфейсов, информационно-управляющего устройства 7, пульта 8 блока контроля деформации.
Заявляемая система работает следующим образом.
Базовыми элементами системы являются блоки 1 контроля деформации (БКД), устанавливаемые непосредственно в горных выработках шахт. БКД 1 объединены в линейные сегменты посредством кабелей, через которые осуществляется информационный обмен (по интерфейсу RS-485), а также электропитание.  Помимо этого, посредством узлов 2 оповещения БКД, осуществляется световая и акустическая сигнализация, информирующая о состоянии приконтурного массива горной выработки (допустимое, опасное, критическое) непосредственно в месте его расположения.
Сегменты БКД 1 подключаются к сетевым мостам 5 (СМ), основное назначение которых - сбор информации для последующей передачи по иерархической лестнице системы и обеспечение электропитания БКД 1. Помимо этого в случаях, когда длина линейного сегмента превышает 6 км, СМ 5 дополнительно выполняет функцию усилителя сигналов, будучи установлен таким образом, что разделяет линейный сегмент с БКД 1 на отрезки, каждый из которых имеет длину не более 6 км.
Данные о смещениях со всех БКД 1 отображаются на информационно-управляющем устройстве 7 (в качестве которого, может быть использован, например, персональный компьютер, смартфон, контроллер и т.п.). Также данные с блоков 1 контроля деформаций могут быть считаны при помощи пульта 8, предназначенного в первую очередь для калибровки и снятия накопленной информации с БКД 1 при аварийном отсутствии питания в сети непосредственно в месте его расположения.
При появлении смещений пород, на каком-либо участке, превышающих заданный критический диапазон, происходит оповещение световой и звуковой сигнализацией непосредственно на узле 2 оповещения соответствующего БКД 1 и на информационно-управляющем устройстве 7.
Автоматическая система деформационного контроля условно разделена на две сети: верхнего и нижнего уровня. Сеть верхнего уровня содержит информационно-управляющее устройство 7 и, при необходимости, блок 6 преобразования интерфейсов, предназначенный для сопряжения сети системы с «Ethernet» сетью предприятия и для сбора информации о состоянии системы с последующей выдачей ее на информационно-управляющее устройство 7. Сеть нижнего уровня располагается в подземных горных выработках и состоит из СМ 5 и БКД 1, соединенных между собой при помощи кабелей. Сеть нижнего уровня делится на линейные сегменты, которые состоят из группы БКД 1. Блоки 1 контроля деформаций подключаются в сегменте параллельно к линии передачи информации (ЛПИ RS-485). Каждый сегмент подключается к выходу сетевого моста 5. Помимо основных функций сетевой мост 5 может выполнять функции преобразования протокола информационного обмена, что позволяет интегрировать автоматическую систему деформационного контроля с информационной сетью сторонних производителей.
Электропитание сети системы нижнего уровня осуществляется от сторонних блоков питания с выходным напряжением 12 вольт постоянного тока. Помимо этого, в каждом блоке нижнего уровня имеется встроенный автономный источник питания из набора четырех последовательно расположенных аккумуляторов. Все входящие питания проходят через цепь DC/DC и преобразуются в 3,3 В. Электропитание сети системы верхнего уровня осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 вольт.
Узел 2 оповещения БКД 1 предназначен для звукового оповещения и световой сигнализации порогов уровней смещения.
Узел 3 сбора данных БКД 1 предназначен для преобразования величин напряжение – уровень. Микроконтроллер считывает напряжение с потенциометров и преобразует полученные данные в величину уровня смещения породы.
Узел 4 приема-передачи данных БКД 1 преобразует интерфейс связи RS-485 в логический уровень и обратно. Логический уровень обрабатывается микроконтроллером. В зависимости от принятых от СМ 5 команд, микроконтроллер передает обратно соответствующие данные.
Блок 6 преобразования интерфейсов (БПИ) производит преобразование интерфейса RS-485 в Ethernet, обеспечивая сопряжение СМ 5 с информационно-управляющим устройством 7. Блок 6 преобразования интерфейсов позволяет хранить данные, принятые со всех групп БКД 1 за определенный промежуток времени. В случае применения варианта схемы сопряжения с сетью сторонних производителей, наличие БПИ в составе системы необязательно.
На информационно-управляющем устройстве 7 производится визуальное отображение всех действующих СМ 5 и БКД 1 в заданных границах с выводом значений положения смещений и соответствующей индикацией. Информационно-управляющее устройство 7 периодически связывается с БПИ (в случае его наличия) и принимает от него накопленные данные от блоков. На информационно-управляющем устройстве 7 предусмотрены следующие оповещения: о низком заряде аккумулятора БКД; о нахождении неисправности БКД; световая индикация уровня положения смещений (зеленый, желтый, красный) в месте нахождения БКД, при фиксировании смещений в красной зоне хотя бы одного блока – посылается звуковой сигнал; индикация обрыва линии передачи информации.
Пример работы автоматической системы деформационного контроля массива горных пород.
В кровле горной выработки бурится шпур необходимой глубины. У устья шпура размещается блок 1 контроля деформаций. В пробуренный шпур, при помощи досылочных штанг, устанавливаются три репера блока 1 контроля деформаций на заданную глубину. Блок 1 контроля деформаций с устьевой трубкой закрепляется в шпуре. При необходимости, производится аналогичная установка других блоков 1 контроля деформаций в горной выработке. Блоки 1 контроля деформаций при помощи кабелей и с использованием сетевых мостов 5 подключаются к информационно-управляющему устройству 7, непосредственно, либо через блок 6 преобразования интерфейсов. Данные о смещениях со всех блоков 1 контроля деформаций передаются и отображаются на информационно-управляющем устройстве 7. Также данные с блоков 1 контроля деформаций могут быть считаны при помощи пульта 8 блока контроля деформаций. При появлении смещений пород, на каком-либо участке, превышающих заданный критический диапазон, происходит оповещение световой и звуковой сигнализацией непосредственно на узле 2 оповещения блока 1 контроля деформаций и на информационно-управляющем устройстве 7.
Таким образом, повышается безопасность горных работ, за счет создания надежной автоматической системы деформационного контроля массива горных пород, осуществляющей непрерывное отслеживание смещений приконтурного массива пород горных выработок, оповещающей и сигнализирующей о превышении порогов уровней смещения.