УСТРОЙСТВО И СПОСОБ МОНИТОРИНГА ОТДЕЛИТЕЛЬНОГО СЛОЯ КРОВЛИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОЙ РЕШЕТКИ В ГОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ
DEVICE AND METHOD FOR MONITORING ROOF SEPARATION LAYER ON BASIS OF FIBER GRID IN MINING

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству для мониторинга и способу мониторинга, в частности устройству на основе волоконной решетки и способу мониторинга отделительного слоя кровли в горной разработке, которые применимы для измерения и раннего предупреждения обрушения кровли в штреке угольной шахты и на очистном забое.
Уровень техники
В последнее время, поскольку технологии разработки угля постоянно улучшаются, горнодобывающая промышленность в Китае развивается быстрее и становится лучше. Вместе с тем, поскольку глубина разработки угля увеличивается, проявления подземного давления в угольных шахтах становятся все более заметными, и результаты аварий становятся все более тяжелыми. Отделительный слой кровли является одной из главных форм деформации и повреждения окружающей горной породы в штреках, и для штреков с крепью анкерными стержнями отделительный слой кровли является наиболее серьезной потенциальной угрозой безопасности. Поэтому требуется вести непрерывный мониторинг данных отделения и смещения кровли штрека, для изучения правильности параметров установки анкерных стержней, стабильности кровли и развития трещин в покрывающих горных породах кровли штрека, и т.д. Серьезные аварии, связанные с кровлей, такие как обрушение кровли, могут происходить, когда отделительный слой кровли выходит за определенные пределы, когда надлежащие меры по креплению своевременно не приняты.
В настоящее время, большинство устройств для мониторинга отделительного слоя кровли, обычно применяемых в окружающей среде в угольных шахтах в Китае, являются механическими измерительными приборами индикации отделительного слоя кровли штрека или измерительными приборами индикации отделительного слоя кровли штрека, в которых применяются электрические элементы /компоненты, подающие звуковые и визуальные сигналы тревоги. Хотя измерения указанных приборов дают положительный результат в предотвращении обрушения кровли, они также имеют следующие недостатки: все такие приборы предусматривают периодическое наблюдение персоналом и измерение отделительного слоя кровли, считывание данных с них под землей является неудобным, вероятность ошибок, обусловленных человеческим фактором является высокой, и точность является низкой, невозможным является автоматический и непрерывный мониторинг и передача данных для отделительного слоя кровли, невозможным является автоматическое предупреждение о отделительном слое кровли по данным и имеется сильное влияние на безопасность и надежность штрека и горных работ. Таким образом, большую важность имеет реализация автоматического мониторинга нестабильности кровли и отделения, для проведения мониторинга в режиме реального времени и диалоговом режиме, а также своевременное предупреждение о отделительном слое кровли штрека с крепью анкерными стержнями, научно-основанного и точного, так что эффективные измерения можно проводить своевременно для предотвращения внезапных повреждений.
Раскрытие изобретения
Техническая проблема: Для преодоления недостатков уровня техники в настоящем изобретении предложены устройство и способ мониторинга отделительного слоя кровли на основе волоконной решетки в горной разработке, обеспечивающие эффективный мониторинг и высокую точность измерения, своевременное предупреждение и подачу тревожного сигнала, имеющие высокую надежность и поддерживающие мониторинг в режиме реального времени.
Техническая схема: Устройство для мониторинга отделительного слоя на основе волоконной решетки кровли при производстве горных работ, созданное настоящим изобретением, содержит: перпендикулярный измерительный ствол, установленный в пробуренном в кровле отверстии; компоновочный кожух, присоединенный снизу к перпендикулярному измерительному стволу; установочный кронштейн направляющего ролика и установочный кронштейн ролика со стальной лентой, установленные симметрично на верхней части компоновочного кожуха;
консольные балки постоянной прочности, установленные симметрично на нижней части компоновочного кожуха; выводные отверстия волокна, расположенные симметрично на левой стороне и правой стороне компоновочного кожуха;
направляющие ролики, установленные на установочном кронштейне направляющего ролика;
ролики со стальной лентой, установленные на установочном кронштейне ролика со стальной лентой;
натяжные пружины, установленные, соответственно, на противоположных концах консольных балок постоянной прочности, установленных симметрично, с другим концом каждой из двух натяжных пружин, соединенным со стальным проволочным канатом, который проходит через ролики со стальной лентой и направляющие ролики и выводится наружу из выводного отверстия стального проволочного каната на вершине перпендикулярного измерительного ствола, с концом стального проволочного каната выведенным наружу из выводного отверстия, соединенным с анкерной головкой, имеющей по меньшей мере два анкерных захвата;
и волоконную решетку А и волоконную решетку В, установленные симметрично на левой стороне и правой стороне консольных балок постоянной прочности, выведенные посредством одинакового волокна из выводного отверстия волокна и соединенные с соединителем волокна, причем выводное отверстие волокна заполняется герметиком, применяемым для уплотнения выводного отверстия волокна, и волокно, выведенное из выводного отверстия волокна, бронировано резиновой защитной оболочкой.
Перпендикулярный измерительный ствол имеет диаметр 30-35 мм и длину 250-350 мм.
Анкерная головка выполнена с 2-4 анкерными захватами.
Волоконная решетка А и волоконная решетка В имеют одинаковую форму и размер, но имеют отличающиеся значения длины волны.
Максимальная длина стального проволочного каната составляет 7 м.
Направляющий ролик является пластмассовым несущим роликом с U-образной канавкой.
Горные работы для мониторинга отделительного слоя кровли на основе волоконной решетки при производстве горных работ с помощью устройства, описанного выше:
a. в штреке с крепью анкерными стержнями бурение до заданной глубины к окрестности анкерных стержней, которые крепят кровлю штрека;
b. расположение измерительной точки мелкого заложения и измерительной точки глубокого заложения в отверстии, при этом, измерительную точку мелкого заложения располагают на одном уровне с верхним концом поддерживающих кровлю анкерных стержней, а измерительную точку глубокого заложения располагают в образовании стабильной горной породы в верхнем конце отверстия;
c. проталкивание с применением установочной штанги анкерной головки в измерительную точку глубокого заложения на верхнем конце отверстия, и проталкивание другой анкерной головки в измерительную точку мелкого заложения, при этом стальной проволочный канат, намотанный на ролик со стальной лентой, разматывается; плавное подтягивание компоновочного кожуха для обеспечения анкерного прикрепления анкерных захватов на анкерной головке к образованию горной породы;
d. соединение соединителя волокна снаружи компоновочного кожуха с соединительной коробкой волокна;
e. индикация изменения напряжения стального проволочного каната посредством значений длины волны волоконной решетки А и волоконной решетки В, демодулирование значений длины волны в цифровой сигнал с применением демодулятора длины волны, передача на компьютер так, что величина отделительного слоя кровли отображается визуально в режиме реального времени, построение кривой графика изменения величины отделительного слоя согласно величине отделения, оценка на предмет наличия очевидного отделительного слоя в противопоставлении заданному порогу отделительного слоя для мониторинга изменения данных отделительного слоя кровли в режиме реального времени:
(1) можно определить, что отделительный слой отсутствует в кровле или положение отделительного слоя кровли находится выше измерительной точки глубокого заложения, когда в данных на измерительной точке глубокого заложения нет изменения, в данных на измерительной точке мелкого заложения нет изменения, и в разности данных между измерительной точкой глубокого заложения и измерительной точкой мелкого заложения нет изменения; в таком случае, увеличение глубины измерительной точки глубокого заложения для мониторинга на предмет наличия какого-либо изменения данных на измерительной точке глубокого заложения или на измерительной точке мелкого заложения и дополнительная оценка состояния отделительного слоя кровли;
(2) можно определить, что отделительный слой кровли расположен между измерительной точкой глубокого заложения и измерительной точкой мелкого заложения, когда данные на измерительной точке глубокого заложения увеличиваются постепенно, в данных на измерительной точке мелкого заложения нет изменения, и разность данных между измерительной точкой глубокого заложения и измерительной точкой мелкого заложения увеличивается постепенно;
(3) можно определить, что отделительный слой кровли расположен ниже измерительной точки мелкого заложения, когда данные на измерительной точке глубокого заложения увеличиваются постепенно, данные на измерительной точке мелкого заложения увеличиваются постепенно, и степень увеличения на измерительной точке глубокого заложения является одинаковой со степенью увеличения на измерительной точке мелкого заложения.
Технические результаты: В настоящем изобретении применяется компенсация разности температур, достигается интерактивное измерение отделительного слоя кровли, и может предотвращаться возникновения аварий с обрушением кровли. Таким образом, настоящее изобретение имеет большую важность для безопасного строительства и достижения стабильности штреков с крепью анкерными стержнями. В сравнении с уровнем техники настоящее изобретение достигает высокой эффективности мониторинга и высокой точности измерения, может своевременно давать предупреждение и подавать тревогу по данным отделительного слоя, имеет высокую надежность и поддерживает автоматический и непрерывный мониторинг в режиме реального времени и в диалоговом режиме. Настоящее изобретение в основном имеет следующие преимущества.
1. Поскольку применяются ролики со стальной лентой, и стальной проволочный канат наматывается на ролики со стальной лентой, величину отделения можно точно измерить вне зависимости от величины смещения при отделении, если только длина стального проволочного каната является достаточной.
2. Поскольку применяемые волоконные решетки имеют очень высокие показатели чувствительности, даже тривиальное изменение смещения при отделении можно измерить, и тревожный или предупредительный сигнал можно подать точно и надлежащим образом.
3. Волоконные решетки могут обеспечивать сбор и обработку данных непосредственно на месте подземных работ, и способ является удобным и гибким, с высокой функциональной устойчивостью к электромагнитным помехам; одновременно, волокна можно применять для передачи сигнала с обеспечением передачи сигналов на большое расстояние, высокой надежностью и широким диапазоном измерения.
4. Настоящее изобретение реализует интерактивное измерение отделительного слоя кровли, и величина отделительного слоя кровли преобразует смещение отделительного слоя в изменение отклонения на свободном конце консольной балки постоянной прочности с помощью стального проволочного каната и натяжной пружины, так что изменяется центральная длина волны волоконной решетки, прикрепленной к правой стороне и левой стороне консольной балки постоянной прочности; таким образом, величину отделительного слоя кровли можно вычислить посредством измерения изменения длины волны волоконных решеток.
5. Волоконные решетки, прикрепленные к правой стороне и левой стороне консольной балки постоянной прочности, используют компенсацию разности температур для получения компенсации температуры для решения по действию относительной поперечной чувствительности между деформацией и температурой, для исключения воздействия температуры на деформацию волоконных решеток и для улучшения точности измерения.
Описание чертежей
На фиг. 1 показан вид спереди структуры устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показан вид справа структуры устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 показан вид сверху структуры устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 показана схема положения прикрепления волоконных решеток на консольных балках постоянной прочности согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 показан вид справа структуры, показанной на фиг. 4.
На фиг. 6 показана компоновочная схема устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 показана схема мониторинга отделения с использованием устройства согласно настоящему изобретению.
На фигурах: 1 - перпендикулярный измерительный ствол; 2 - выводные отверстия стального проволочного каната; 3 - стальной проволочный канат; 4 -анкерный захват; 5 - анкерная головка; 6 - установочный кронштейн направляющего ролика; 7 - установочный кронштейн ролика со стальной лентой; 8 - волоконная решетка А; 9 - волоконная решетка В; 10 - выводное отверстие волокна; 11 - герметик; 12 - волокно; 13 - бронирующая резиновая оболочка; 14 - соединитель волокна; 15 - консольная балка постоянной прочности; 16 - натяжная пружина; 17 - ролик со стальной лентой; 18 - направляющий ролик; 19 - компоновочный кожух; 20 - штрек; 21 - анкерный стержень; 22 - пробуренное отверстие; 23 - соединительная коробка волокна; 24 - измерительная точка мелкого заложения; 25 - измерительная точка глубокого заложения.
Подробное описание вариантов осуществления
Ниже настоящее изобретение подробно описано в вариантах осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Как показано на фигурах, устройство для мониторинга отделительного слоя кровли на основе волоконной решетки при производстве горных работ, созданное в настоящем изобретении содержит: перпендикулярный измерительный ствол 1 диаметром 30-35 мм и длиной 250-350 мм, установленный в пробуренном в кровле отверстии; компоновочный кожух 19, соединенный с нижней частью перпендикулярного измерительного ствола 1; установочный кронштейн 6 направляющего ролика и установочный кронштейн 7 ролика со стальной лентой, установленные симметрично на верхней части компоновочного кожуха 19; консольные балки 15 постоянной прочности, установленные симметрично на нижней части компоновочного кожуха 19; выводные отверстия 10 волокна, расположенные симметрично на левой стороне и правой стороне компоновочного кожуха 19; направляющие ролики 18, установленные на установочном кронштейне 6 направляющего ролика; ролики 17 со стальной лентой, установленные на установочном кронштейне 7 ролика со стальной лентой; натяжные пружины 16, установленные соответственно на противоположных концах консольных балок 15 постоянной прочности, расположенные симметрично, с другим концом каждой из двух натяжных пружин 16 соединенным со стальным проволочным канатом 3, который проходит через катушки 17 со стальной лентой и направляющие ролики 18, и выводится наружу из отверстия 2 вывода наружу стального проволочного каната на вершине перпендикулярного измерительного ствола 1, с концом стального проволочного каната (3) выведенным наружу из выводного отверстия (2) стального проволочного каната, соединенным с анкерной головкой 5, имеющей по меньшей мере два анкерных захвата 4; волоконную решетку А 8 и волоконную решетку Б 9, установленные симметрично на левой части и правой части консольных балок 15 постоянной прочности, имеющие одинаковую форму и размер, но отличающиеся длиной волны, совмещенные друг с другом, выведенные посредством одинакового волокна 12 из выводного отверстия 10 волокна и соединенные с соединителем 14 волокна и герметиком 11, помещенным в выводное отверстие 10 волокна для уплотнения выводного отверстия 10 волокна, и с волокном 12, выведенным из выводного отверстия 10 волокна, бронированного резиновой защитной оболочкой 13.
Способ мониторинга отделительного слоя кровли на основе волоконной решетки при производстве горных работ с помощью устройства, описанной выше:
a. в штреке с крепью анкерными стержнями бурение до заданной глубины к окрестности анкерных стержней, которые крепят кровлю штрека;
b. расположение измерительной точки 24 мелкого заложения и измерительной точки 25 глубокого заложения в отверстии, при этом измерительная точка 24 мелкого заложения располагается на одном уровне с верхним концом анкерных стержней 21 кровли, а измерительная точка 25 глубокого заложения располагается в образовании стабильной горной породы в верхнем конце отверстия 22;
c. проталкивание с применением установочной штанги анкерной головки в измерительную точку 25 глубокого заложения в верхнем конце отверстия, и проталкивание другой анкерной головки в измерительную точку 24 мелкого заложения так, что стальной проволочный канат, намотанный на ролик со стальной лентой, разматывается; плавное подтягивание компоновочного кожуха 19 для обеспечения анкерного прикрепления анкерных захватов 4 на анкерной головке 5 к образованию горной породы;
d. соединение соединителя 14 волокна 12 снаружи компоновочного кожуха 19 с соединительной коробкой 23 волокна;
e. индикация изменения напряжения стального проволочного каната 3 посредством значений длины волны волоконной решетки А8 и волоконной решетки В9, демодулирование значений длины волны в цифровой сигнал с применением демодулятора длины волны, передача на компьютер так, что величина отделительного слоя кровли отображается визуально в режиме реального времени, построение кривой графика изменения величины отделительного слоя согласно величине отделения, оценка на предмет наличия очевидного отделительного слоя в противопоставлении заданному порогу отделительного слоя для мониторинга изменения данных отделительного слоя кровли в режиме реального времени:
(1) можно определить, что отделительный слой отсутствует в кровле, или положение отделительного слоя кровли находится выше измерительной точки 25 глубокого заложения, когда нет изменения данных на измерительной точке 25 глубокого заложения, нет изменения данных на измерительной точке 24 мелкого заложения, и нет изменения разности данных между измерительной точкой 25 глубокого заложения и измерительной точкой 24 мелкого заложения; в таком случае, увеличение глубины измерительной точки 25 глубокого заложения для мониторинга на предмет наличия какого-либо изменения данных на измерительной точке 25 глубокого заложения или на измерительной точке 24 мелкого заложения и, дополнительно, оценка состояния отделительного слоя кровли;
(2) можно определить, что отделительный слой кровли расположен между измерительной точкой 25 глубокого заложения и измерительной точкой 24 мелкого заложения, когда данные на измерительной точке 25 глубокого заложения увеличиваются постепенно, нет изменения данных на измерительной точке 24 мелкого заложения, и разность данных между измерительной точкой 25 глубокого заложения и измерительной точкой 24 мелкого заложения увеличивается постепенно;
(3) можно определить, что отделительный слой кровли расположен ниже измерительной точки 24 мелкого заложения, когда данные на измерительной точке 25 глубокого заложения увеличиваются постепенно, данные на измерительной точке 24 мелкого заложения увеличиваются постепенно, и степень увеличения на измерительной точке 25 глубокого заложения является одинаковой со степенью увеличения на измерительной точке 24 мелкого заложения.
Способ работы: Когда в кровле возникает отделительный слой, анкерная головка перемещается вместе с кровлей горной породы, стальной проволочный канат, намотанный на ролики со стальной лентой, вытягивается так, что стальной проволочный канат, соединенный с анкерной головкой, натягивается и при этом тянет натяжную пружину; таким образом, натяжная пружина находится в растянутом состоянии, и дополнительно тянет и отгибает свободный конец консольной балки постоянной прочности; как следствие, создавая напряжение в волоконных решетках, прикрепленных к консольным балкам постоянной прочности; таким образом сдвигаются центры диапазонов длины волны волоконных решеток. Сигнал длины волны демодулируется в цифровой сигнал с помощью волоконного демодулятора, и цифровой сигнал передается на компьютер; таким образом, величину отделения слоя кровли можно отобразить в динамике в режиме реального времени. Волоконные решетки, применяемые в настоящем изобретении, имеют очень высокую чувствительность, и применяется компенсация перепада температуры для исключения воздействия температуры на волоконные решетки; таким образом, смещение отделения можно точно измерить. Настоящее изобретение реализует интерактивное измерение отделения слоя кровли и сбор и обработку данных непосредственно на месте подземных работ, способ является удобным и гибким, а также обладает функциональными возможностями работы при электромагнитных помехах; одновременно, в настоящем изобретении применяются волокна, что обеспечивает передачу сигнала для на дальние расстояния, с высоким разрешением и в широком диапазоне измерений; в дополнение, настоящее изобретение может давать тревожный и предупредительный сигналы точно и удобно, так что симптом нестабильности кровли можно обнаружить вовремя для предотвращения возникновения аварий с обрушением кровли. Данные мониторинга можно применять, как основу для модификации и улучшения начального конструктивного решения крепи анкерными стержнями. Таким образом, настоящее изобретение имеет большую ценность для получения безопасной конструкции и стабильности штреков с крепью анкерными стержнями.
A
B
А
напряжение
температура
В
температура
напряжение
А
В
А
В
напряжение
Настоящее изобретение применяет способ компенсации разности температур для решения проблемы относительной поперечной чувствительности по деформации и температуре, вызванной изменением температуры во время измерения деформации волоконными решетками. Волоконные решетки, расположенные на левой стороне и правой стороне консольной балки постоянной прочности имеют одинаковую форму и размер, имеют отличающуюся центральную длину волны, совмещены друг с другом, и расположены в одной рабочей окружающей среде. Поэтому изменение температуры приводит к синхронным смещениям и изменениям центральной длины волны в двух волоконных решетках, а изменения центральной длины волны в двух волоконных решетках, являющиеся результатом напряжения, имеют одинаковую величину, но противоположные направления. Предположим центральная длина волны волоконной решетки А на левой стороне консольной балки постоянной прочности равна λ, и центральная длина волны волоконной решетки В на правой стороне консольной балки постоянной прочности равна λ, обе величины подвержены воздействию температуры и Напряжения, т.е. λ=λ+λ, λ=λ-λ; с помощью вычитания из центральной длины волны, λ центральный длины волны, λ двух волоконных решеток, получаем λ-λ=2λ, при этом воздействие температуры на волоконные решетки исключается, проблема относительной поперечной чувствительности между деформацией и температурой решена, точность и чувствительность измерения улучшены.