СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ КРОВЛИ ВЫРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК И СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОПОВЕЩЕНИЯ
SYSTEM OF DYNAMIC CONTROLLING ROOF-BASED SEPARATION BASED ON FIBER GRATING AND METHOD OF PRELIMINARY ALERT

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе контроля отделения кровли выработки и способу предварительного оповещения о нем, в частности, к системе динамического контроля отделения кровли выработки на основе волоконных решеток и способу предварительного оповещения о нем.
Уровень техники
В ходе добычи в угольных шахтах вследствие напряжения окружающих пород выработки и воздействия на них сдвигающего внешнего усилия происходит отделение; в частности, наиболее легко отделение кровли может возникать в выработках, укрепленных анкерными болтами. Отделение кровли является одной из главных форм деформации и повреждения окружающих пород выработки. Когда отделение кровли выходит за определенные пределы, состояние кровли становится нестабильным, что может привести к серьезным авариям, таким как обрушение кровли, если не будут приняты своевременные меры по укреплению. Подобные аварии влияют непосредственно на персональную безопасность рабочих и нормальный процесс добычи в угольной шахте. Таким образом, для выработки, укрепленной анкерными болтами, отделение кровли должно контролироваться в режиме реального времени, чтобы узнавать о приемлемости параметров анкерной крепи, стабильности кровли и формировании трещин в вышележащей толще кровли выработки, для эффективного предотвращения возникновения аварий, обусловленных обрушением кровли, и обеспечения безопасного производства в угольной шахте.
В настоящее время большинство устройств контроля отделения кровли, обычно используемых в подземных зонах угольных шахт в Китае, представляют собой механические сигнализаторы отделения кровли выработки или сигнализаторы отделения кровли выработки, которые для подачи звуковых или визуальных аварийных сигналов используют электрические элементы. Существующие системы контроля отделения кровли включают системы динамического контроля кровли на основе стандарта Zigbee и CAN-шины для угольных шахт и системы контроля отделения кровли на основе стандарта M-BUS. Несмотря на то, что эти средства контроля имеют практические результаты в предотвращении обрушения кровли, им присущи следующие недостатки: все из устройств контроля зависят от периодического визуального наблюдения и измерения отделения кровли, что влечет за собой неудобство считывания показаний в подземных зонах и серьезные человеческие ошибки при считывании показаний по причине ограничений, связанных с условиями в подземной выработке и интенсивностью освещения; система контроля применяет микрокомпьютер, выполненный на одной микросхеме, в качестве контроллера, который обладает низкой точностью измерения, низкой сопротивляемостью электромагнитным помехам, высокой чувствительностью к влиянию окружающей среды, узким диапазоном измерения, низкой надежностью и низкой эффективностью динамического и непрерывного контроля отделения кровли выработки; кроме того, указанная система не может обеспечивать предварительные оповещения о возникновении отделения кровли, и это сильно отражается на безопасности и надежности выработки и горных работ.
Сущность изобретения
Техническая задача. С целью преодоления указанных недостатков, известных из уровня техники, настоящее изобретение, чтобы удовлетворять требованиям безопасности и эффективного производства в подземных зонах в угольных шахтах, предусматривает систему динамического контроля отделения кровли выработки на основе волоконных решеток, которая по существу является безопасной, имеет высокую сопротивляемость электромагнитным помехам, низкую чувствительность к влиянию окружающей среды, высокую надежность, высокую точность измерения, может обеспечивать предварительные оповещения и своевременные аварийные сигналы на основании данных об отделении кровли, и может выполнять автоматический контроль и непрерывный динамический контроль по сети в режиме реального времени, а также способ предварительного оповещения об отделении кровли выработки.
Техническое решение. Для достижения вышеописанной цели настоящее изобретение применяет следующее техническое решение: система динамического контроля отделения кровли выработки на основе волоконных решеток, содержащая наземную подсистему обработки данных и управления, подземную подсистему передачи данных и связи и подземную сенсорную подсистему сбора данных, при этом наземная подсистема обработки данных и управления расположена в помещении наземного центра управления и содержит наземный главный контролирующий компьютер, демодулятор сигнала от волоконной решетки и блок питания, обеспечивающий подачу номинальной мощности наземному главному контролирующему компьютеру и демодулятору сигнала от волоконной решетки; подземная подсистема передачи данных и связи содержит передающее оптическое волокно для шахт и оптоволоконные соединительные коробки, при этом на передающем оптическом волокне для шахт установлен ряд последовательно соединенных оптоволоконных соединительных коробок; подземная сенсорная подсистема сбора данных содержит по меньшей мере одно устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток, которое подключено через оптоволоконный вывод к оптоволоконной соединительной коробке; устройства контроля отделения кровли на основе волоконных решеток в подземной сенсорной подсистеме сбора данных подключены через соответствующие оптоволоконные выводы и оптоволоконные соединительные коробки к передающему оптическому волокну для шахт, при этом передающее оптическое волокно для шахт подключено к демодулятору сигнала от волоконной решетки, расположенному в помещении наземного центра управления, и демодулятор сигнала от волоконной решетки подключен к наземному главному контролирующему компьютеру; таким образом, образована система дистанционного динамического контроля отделения кровли выработки, в которой наземная часть и подземная часть системы контроля взаимодействуют друг с другом.
Взаимодействие между наземной частью и подземной частью системы контроля может быть следующим: устройства контроля отделения кровли на основе волоконных решеток в подземной сенсорной подсистеме сбора данных передают полученные данные с информацией о длине волны при отделении кровли через оптоволоконные выводы и оптоволоконные соединительные коробки в передающее оптическое волокно для шахт, и затем указанные данные передаются через передающее оптическое волокно для шахт с применением способа проводной связи в демодулятор сигнала от волоконной решетки, расположенный в помещении наземного центра управления; демодулятор сигнала от волоконной решетки демодулирует данные с информацией о длине волны в цифровые сигнальные данные и затем передает цифровые данные с помощью способа связи по сетевому кабелю в наземный главный контролирующий компьютер; наземный главный контролирующий компьютер выполняет последующую обработку данных и своевременно возвращает данные в подземную зону; таким образом, реализуется взаимодействие между наземной частью и подземной частью.
Наземный главный контролирующий компьютер содержит встроенное программное обеспечение для анализа и обработки данных при отделении кровли.
Устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток может быть установлено и может выполнять контроль путем выполнения следующих этапов:
a) установка оптоволоконной соединительной коробки на любой стороне выработки и бурение отверстия глубиной 6-8 м с помощью бурового долота диаметром 35-40 мм в кровле выработки вблизи болта крепления кровли;
b) обеспечение малоглубинной точки измерения и глубинной точки измерения внутри отверстия, при этом малоглубинная точка измерения расположена в месте, которое находится на той же высоте, что и верхний конец болта крепления кровли, тогда как глубинная точка измерения расположена в стабильной породе на верхнем конце отверстия;
c) проталкивание глубинного анкера в глубинную точку измерения с помощью стержня для крепления с прорезью на одном конце, проталкивание малоглубинного анкера в малоглубинную точку измерения и незначительное натяжение стального троса, чтобы убедиться в том, что анкер закреплен в горной породе;
d) подключение оптоволоконного вывода, выходящего в выработку, к оптоволоконной соединительной коробке после установки, чтобы устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток могло обнаруживать изменение смещения при отделении кровли.
Способ предварительного оповещения, который использует систему динамического контроля отделения кровли на основе волоконных решеток, описанную выше, включает следующие этапы:
a) во-первых, применение блока питания для подачи питания наземному главному контролирующему компьютеру и демодулятору сигнала от волоконной решетки и предварительного нагрева демодулятора сигнала от волоконной решетки в течение трех минут, чтобы демодулятор сигнала от волоконной решетки вошел в состояние готовности;
b) во-вторых, задание IP адреса таким образом, чтобы наземный главный контролирующий компьютер и демодулятор сигнала от волоконной решетки работали в одном домене адресов и могли безошибочно передавать данные друг другу;
c) в-третьих, начальная настройка системы на задание постоянного порога предварительного оповещения для данных смещения при отделении кровли и запись исходных данных смещения при отделении кровли;
d) в-четвертых, сбор данных смещения при отделении кровли в режиме реального времени с помощью устройств контроля отделения кровли на основе волоконных решеток и определение того, был ли достигнут уровень предварительного оповещения, путем автоматического сравнения данных смещения, полученных в режиме реального времени, с заданным постоянным порогом предварительного оповещения;
e) в конечном итоге, если предварительное оповещение не происходит, это указывает на то, что смещение при отделении находится в пределах контролируемого диапазона стабильности кровли; если возникает какое-либо оповещение, происходят регистрация и сохранение времени оповещения, величины смещения при отделении и положения отделения кровли и одновременное принятие эффективных мер безопасности для предотвращения обрушения кровли и обеспечения безопасности производства в угольной шахте.
Преимущества. В соответствии с описанным выше техническим решением после проходки выработки окружающая порода может деформироваться, что приводит к отделению малоглубинного пласта породы от глубинного пласта породы и осадке кровли. Две точки измерения расположены в отверстии кровли: малоглубинная точка измерения и глубинная точка измерения, при этом малоглубинная точка измерения расположена в месте, которое находится на той же высоте, что и верхний конец болта крепления кровли, тогда как глубинная точка измерения расположена в стабильной глубинной окружающей породе; в каждой точке измерения в пласте породы кровли расположен и закреплен анкер. В настоящем изобретении отделение кровли выработки, укрепленной анкерной крепью, измеряется косвенным способом. При возникновении отделения кровли анкер устройства контроля отделения кровли на основе волоконных решеток будет одновременно перемещаться с пластом породы кровли, и следовательно волоконная решетка в устройстве контроля отделения кровли на основе волоконных решеток растянется, и центральная длина волны волоконной решетки изменится, при этом сигнал, содержащий величину длины волны, демодулируют в цифровой сигнал с помощью оптоволоконного демодулятора и передают в наземный главный контролирующий компьютер для динамического отображения изменения данных об отделении кровли в режиме реального времени и выдачи предварительного оповещения в случае превышения данными смещения при отделении заданного порога предварительного оповещения, чтобы своевременно могли быть приняты соответствующие эффективные меры по предотвращению обрушения кровли вследствие утраты стабильности. Применение данного способа является крайне важным для измерения величины отделения кровли внутри и снаружи области крепления в выработке, укрепленной анкерными болтами, оценки эффективности укрепления болтами и уровня безопасности выработки и избегания возникновения случайных повреждений.
По сравнению с аналогами настоящее изобретение имеет следующие преимущества.
1. Волоконная решетка характеризуется высокой чувствительностью и может измерять очень слабые изменения смещения при отделении.
2. Устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток использует способ на основе сердцевинных волоконных решеток, при этом волоконная решетка характеризуется присущей ей безопасностью и может функционировать пассивно, обеспечивать удобный и гибкий прямой сбор данных в подземной зоне, и характеризуется высокой стойкостью к электромагнитным помехам; кроме того, передача сигнала по оптическому волокну поддерживает большие расстояния передачи, имеет высокую надежность и поддерживает широкий диапазон измерений.
3. Настоящее изобретение осуществляет автоматический контроль и непрерывное динамическое измерение отделения кровли по сети в режиме реального времени, при этом величина смещения при отделении кровли может быть вычислена, исходя из изменения длины волны волоконной решетки.
4. Настоящее изобретение может своевременно получать информацию о деформации окружающей породы выработки и проверять приемлемость параметров анкерной крепи. Как только система обнаружит, что деформация окружающей породы вышла за пределы порога предварительного оповещения, она может безошибочно и удобным образом выдавать сигнал предварительного оповещения, так что соответствующие меры могут быть приняты своевременно, и изначальные параметры крепи могут быть скорректированы, чтобы обеспечить безопасное производство в угольной шахте и дать указания для проектирования и сооружения укрепления выработки.
5. Система может автоматически сохранять данные контроля отделения и поддерживать анализ и изучение данных контроля смещения при отделении при одинаковых условиях окружающей породы, чтобы исследовать закономерности деформации породы кровли и обеспечить основу для безопасного сооружения и проектирования выработок со сложными и изменяющимися условиями окружающей породы.
Описание графических материалов
На фиг. 1 изображена структурная схема общей компоновки системы контроля в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 изображена схема установки устройства контроля отделения кровли на основе волоконных решеток в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3 изображена схема точек расположения устройств контроля отделения кровли на основе волоконных решеток по всей выработке в соответствии с настоящим изобретением.
Позиции на графических изображениях: 1 - наземная подсистема обработки данных и управления; 2 - подземная подсистема передачи данных и связи; 3 - подземная сенсорная подсистема сбора данных; 4 - наземный главный контролирующий компьютер; 5 - демодулятор сигнала от волоконной решетки; 6 - блок питания; 7 - передающее оптическое волокно для шахт; 8 - оптоволоконная соединительная коробка; 9 – оптоволоконный вывод; 10 - устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток; 11 - помещение наземного центра управления; 12 - выработка; 13 - болт крепления кровли; 14 - отверстие; 15 - малоглубинная точка измерения; 16 - глубинная точка измерения; 17 - малоглубинный анкер; 18 - глубинный анкер; 19 - стальной трос; 20 - действующий забой; 21 - выработанный участок; 22 - выработка для оттока воздуха; 23 - выработка для притока воздуха.
Варианты осуществления
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые графические материалы.
Пример 1. На фиг. 1 изображена система динамического контроля отделения кровли выработки на основе волоконных решеток, содержащая наземную подсистему 1 обработки данных и управления, подземную подсистему 2 передачи данных и связи и подземную сенсорную подсистему 3 сбора данных, при этом наземная подсистема 1 обработки данных и управления расположена в помещении 11 наземного центра управления и содержит наземный главный контролирующий компьютер 4, демодулятор 5 сигнала от волоконной решетки и блок 6 питания, обеспечивающий подачу номинальной мощности наземному главному контролирующему компьютеру 4 и демодулятору 5 сигнала от волоконной решетки; подземная подсистема 2 передачи данных и связи содержит передающее оптическое волокно 7 для шахт и оптоволоконные соединительные коробки 8, при этом на передающем оптическом волокне для шахт установлен ряд последовательно соединенных оптоволоконных соединительных коробок 8; подземная сенсорная подсистема 3 сбора данных содержит по меньшей мере одно устройство 10 контроля отделения кровли на основе волоконных решеток, и устройство 10 контроля отделения кровли на основе волоконных решеток подключено к оптоволоконной соединительной коробке 8 через оптоволоконный вывод 9.
Взаимодействие между наземной частью и подземной частью системы контроля следующее: устройства 10 контроля отделения кровли на основе волоконных решеток в подземной сенсорной подсистеме 3 сбора данных подключены к передающему оптическому волокну 7 для шахт через соответствующие оптоволоконные выводы 9 и оптоволоконные соединительные коробки 8 и передают собранные в ходе контроля отделения кровли данные с информацией о длине волны в передающее оптическое волокно 7 для шахт; передающее оптическое волокно 7 для шахт подключено к демодулятору 5 сигнала от волоконной решетки, расположенному в помещении 11 наземного центра управления, и передающее оптическое волокно 7 для шахт передает данные с помощью способа связи по сетевому кабелю в демодулятор 5 сигнала от волоконной решетки в помещении 11 наземного центра управления; демодулятор 5 сигнала от волоконной решетки подключен к наземному главному контролирующему компьютеру 4, и демодулятор 5 сигнала от волоконной решетки демодулирует данные с информацией о длине волны в цифровые сигнальные данные и затем передает цифровые сигнальные данные с помощью способа связи по сетевому кабелю в наземный главный контролирующий компьютер 4; наземный главный контролирующий компьютер 4 выполняет последующую обработку данных и своевременно возвращает обработанные данные в подземную зону; таким образом, реализуется взаимодействие между наземной частью и подземной частью, и образуется система дистанционного динамического контроля отделения кровли выработки, в которой наземная часть и подземная часть взаимодействуют друг с другом.
На фиг. 2 изображена схема установки устройства контроля отделения кровли на основе волоконных решеток. Устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток может быть установлено и может выполнять контроль путем выполнения следующих этапов:
a) установка оптоволоконных соединительных коробок 8 по обе стороны выработки 12 и бурение отверстия 14 на предварительно заданную глубину с помощью бурового долота диаметром 35-40 мм в кровле выработки 12 вблизи болта 13 крепления кровли;
b) обеспечение малоглубинной точки 15 измерения и глубинной точки 16 измерения внутри отверстия 14, при этом малоглубинная точка 15 измерения расположена в месте, которое находится на той же высоте, что и верхний конец болта 13 крепления кровли, тогда как глубинная точка 16 измерения расположена в стабильной породе на верхнем конце отверстия 14;
c) проталкивание глубинного анкера 18 в глубинную точку 16 измерения с помощью стержня для крепления с прорезью на одном конце, проталкивание малоглубинного анкера 17 в малоглубинную точку 15 измерения и натяжение стального троса 19, чтобы убедиться в том, что анкер закреплен в горной породе;
d) подключение оптоволоконного вывода 9, выходящего в выработку 12, к оптоволоконной соединительной коробке 8 после установки, чтобы устройство контроля отделения кровли на основе волоконных решеток могло обнаруживать изменение смещения при отделении кровли.
На фиг. 3 изображена схема точек расположения устройств контроля отделения кровли на основе волоконных решеток по всей выработке. В выработке 22 для оттока воздуха и выработке 23 для притока воздуха на расстоянии 120 м от верхнего конца и нижнего конца действующего забоя 20 на расстоянии 50 м расположены точки измерения, и устройства контроля отделения кровли на основе волоконных решеток расположены в точках измерения и соединены посредством оптоволоконных соединительных коробок и передающего оптического волокна для шахт в последовательности, образующей сеть контроля, так что смещение при отделении кровли в разных положениях относительно угольных стен действующего забоя в выработке может динамически контролироваться и регистрироваться в режиме реального времени, и может анализироваться изменение давления на опору для обеспечения безопасности и стабильности выработки, укрепленной анкерной крепью.
Процесс обработки данных и способ предварительного оповещения включают следующие этапы:
a) во-первых, применение блока питания для подачи питания наземному главному контролирующему компьютеру и демодулятору сигнала от волоконной решетки и нагрева демодулятора сигнала от волоконной решетки в течение трех минут, чтобы демодулятор сигнала от волоконной решетки вошел в состояние готовности;
b) во-вторых, задание IP адреса таким образом, чтобы наземный главный контролирующий компьютер и демодулятор сигнала от волоконной решетки работали в одном домене адресов и могли безошибочно передавать данные друг другу;
c) в-третьих, начальная настройка системы на задание постоянного порога предварительного оповещения для данных смещения при отделении кровли и запись исходных данных смещения при отделении кровли;
d) в-четвертых, сбор данных смещения при отделении кровли с помощью устройств контроля отделения кровли на основе волоконных решеток и определение того, достигнут ли уровень предварительного оповещения, путем автоматического сравнения данных смещения, полученных в режиме реального времени, с заданным постоянным порогом предварительного оповещения;
e) в конечном итоге, если предварительное оповещение не происходит, это указывает на то, что смещение при отделении находится в пределах контролируемого диапазона стабильности кровли; если возникает какое-либо предварительное оповещение, происходят регистрация и сохранение времени предварительного оповещения, величины смещения при отделении и положения отделения кровли и одновременное принятие эффективных мер безопасности для предотвращения обрушения кровли и обеспечения безопасности производства в угольной шахте.
Согласно вышеописанным вариантам осуществления настоящее изобретение предусматривает систему динамического контроля отделения кровли выработки на основе волоконных решеток и способ предварительного оповещения о нем, при этом система осуществляет автоматический контроль и непрерывное динамическое измерение отделения кровли по сети в режиме реального времени; система применяет волоконные решетки, которые характеризуются высокой чувствительностью, присущей ей безопасностью, поддерживают прямой сбор данных в подземной зоне, характеризуется высокой стойкостью к электромагнитным помехам; система применяет оптические волокна для передачи сигнала, которая поддерживает большие расстояния передачи, имеет высокую надежность и поддерживает широкий диапазон измерений; система и способ могут применяться для своевременного получения информации о деформации окружающей породы выработки и проверки того, являются ли приемлемыми параметры анкерной крепи, как только система обнаружит, что деформация окружающей породы вышла за пределы порога предварительного оповещения, она может безошибочно и удобным образом выдавать сигнал предварительного оповещения, так что соответствующие меры могут быть приняты своевременно, и изначальные параметры крепи могут быть скорректированы, способ предварительного оповещения является безошибочным и удобным; данные контроля отделения могут сохраняться автоматически, так что анализ и изучение данных контроля смещения при отделении могут выполняться при одинаковых условиях окружающей породы, с тем чтобы исследовать закономерности деформации окружающей породы кровли и обеспечить основу для безопасного сооружения и проектирования выработок со сложными и изменяющимися условиями окружающей породы, система и способ, предусмотренные настоящим изобретением, являются важными для обеспечения безопасности сооружения и стабильности выработок, укрепленных анкерной крепью.