УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
DEVICE FOR CONTINUOUS CONTROL OF ROCK MASS STRESSED CONDITION

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для непрерывного контроля с дневной поверхности за изменением напряженного состояния и степени удароопасности краевых зон массива горных пород в окрестностях капитальных, очистных и подготовительных горных выработок, а также целиков.
Известны устройства, предназначенные для оперативного контроля за состоянием массива, состоящее из датчиков - неполяризующих электродов, установленных в массиве горных пород, блока измерения потенциалов естественного геоэлектрического поля, блоков памяти и сравнения, а также блока световой и звуковой сигнализации. Измеренные потенциалы в массиве постоянно сравниваются с их граничными значениями из блока памяти, а по результатам сравнения включается световая (зеленая, желтая, красная) сигнализация, а в случае превышения значения потенциала, соответствующего третьей категории удароопасности, включается и звуковая сигнализация. Таким образом, работа данного устройства основана на непрерывном измерении потенциала естественного стационарного электрического поля в точках массива, автоматическом сравнении измеренных значений с критическими, которые определяются предварительно (см. Тарасов В.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. Геоэлектрический контроль состояния массивов. - М.: Недра, 1983. - С.144-145).
Существенным недостатком этого устройства является то, что сама аппаратура располагается непосредственно в горных выработках на расстоянии 100-200 м от контролируемого участка. При большой длине кабеля связи начинают весьма интенсивно сказываться различного рода помехи. В результате этого возможны ложные срабатывания аппаратуры, следовательно, падает достоверность информации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство непрерывного контроля напряженного состояния и степени удароопасности краевых зон массива горных пород (патент РФ, №2134783, кл. Е21С 39/00, опубл. 20.08.1999). Данное устройство содержит источник светового сигнала, расположенный на дневной поверхности, оптические делители светового сигнала, находящиеся на участке измерений в подземных горных выработках, многоканальный волоконно-оптический кабель, осуществляющий связь между источником светового сигнала и оптическими делителями, оптические датчики напряжений, двухканальные волоконно-оптические кабели, осуществляющие оптическую связь с оптическими делителями, поляризаторы, расположенные непосредственно перед оптическими датчиками напряжений, набор узкополосных светофильтров в виде револьверного устройства, расположенного непосредственно перед источником светового сигнала, отдельные узкополосные светофильтры, аналогичные находящимся в револьверном устройстве, расположенные перед поляризаторами по одному на каждый оптический датчик напряжений, преобразователь светового потока в электрический сигнал, блок памяти, сравнения, записи и индикации, а также генератор тактовых импульсов.
Устройство работает следующим образом. Световой сигнал от источника через один из узкополосных светофильтров поступает в многоканальный волоконно-оптический кабель, после чего попадает на первый оптический делитель светового сигнала и по одному из каналов двухканального волоконно-оптического кабеля поступает на вход каждого оптического датчика напряжений через соответствующие светофильтры и поляризаторы. Отраженный сигнал возникает только у одного из оптических датчиков, у которого на входе стоит светофильтр, аналогичный светофильтру в револьверном устройстве. Отраженный сигнал по второму каналу волоконно-оптического кабеля поступает на второй оптический делитель, а с его выхода - в многоканальный волоконно-оптический кабель и далее на дневную поверхность, где преобразуется в электрический сигнал, а после усиления - в блок сравнения, куда одновременно поступает опорный граничный сигнал из блока аналоговой памяти. По результатам сравнения включается блок индикации.
Достоинством данного устройства является то, что оно позволяет более достоверно оценить напряженное состояние и степень удароопасности краевых зон массива горных пород за счет закрытой линии связи с дневной поверхностью и, как следствия, отсутствие помех.
Существенным недостатком данного устройства является то, что измерение параметров от каждого из оптических датчиков происходит дискретно, что снижает оперативность, а следовательно, и непрерывность прогноза аварийных ситуаций на всех контролируемых участках. Кроме того, устройство состоит из большого числа составных элементов, что снижает надежность, зависящую от качества сопряжения волоконно-оптических кабелей с оптическими делителями, оптическими датчиками и т.д., и увеличивает ее стоимость.
Задачей заявляемого технического решения является создание более надежного устройства, позволяющего осуществлять непрерывный контроль напряженного состояния массива горных пород, за счет оцифровки контролируемого сигнала и дифференцированной оценки картины изменения напряжений на участке в непрерывном режиме.
Технический результат технического решения: повышение точности, оперативности и надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород, содержащее источник светового сигнала, оптические датчики напряжений, волоконно-оптические кабели, блок индикации, регистрации и сигнализации, согласно изобретению в качестве источника светового сигнала использован источник монохроматического излучения, дополнительно введены две собирающие линзы, установленные на участке измерения, оптический детектор и контролирующий компьютер, расположенные на дневной поверхности, причем источник светового сигнала через волоконно-оптический кабель и первую собирающую линзу, расположенную перед оптическим датчиком напряжений, соединен с оптическим датчиком напряжений, который связан с оптическим детектором через волоконно-оптический кабель и вторую собирающую линзу, которая находится между оптическим датчиком напряжений и волоконно-оптическим кабелем; оптический детектор соединен с контролирующим компьютером, выход которого соединен с блоком индикации, регистрации и сигнализации.
Изобретение поясняется функциональной схемой устройства.
Заявляемое устройство содержит источник монохроматического излучения 1 (например, гелий-неоновый лазер с длиной волны 632 нм), расположенный на дневной поверхности, волоконно-оптический кабель 2, осуществляющий оптическую связь между источником монохроматического излучения 1 и собирающими линзами Ф1 и Ф2, расположенными непосредственно в горной выработке на контролируемом участке, оптический датчик напряжений Д1, оптический детектор 3, контролирующий компьютер 4, и блок 5, включающий в себя устройства индикации, регистрации и сигнализации (далее блок 5).
В качестве оптического датчика напряжений Д1 использовано оптическое стекло марки К8, толщину которого выбирают таким образом, чтобы получать четкую интерференционную картину (ИК). Марку оптического стекла подбирают так, чтобы механические параметры (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) исследуемой среды соответствовали параметрам оптического датчика.
Оптический детектор 3 представляет собой процессор обработки изображений. Он делает снимки ИК с высокой частотой (в 5-10 кГц). Процессор обработки изображений не только делает снимки, но и оцифровывает ИК. Снимки представляют собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости. На основании анализа череды последовательных снимков высчитывается результирующий показатель, свидетельствующий о направлении перемещения ИК вдоль осей Х и Y, и передается на USB контроллер контролирующего компьютера уже в цифровом виде, это позволяет повысить точность и оперативность измерений.
Контролирующим компьютером может быть любой IBM совместимый ПК, имеющий USB контроллер и соответствующее программное обеспечение. Для оценки информации, передаваемой оптическим детектором 3, создана программа, которая подсчитывает смещение ИК. По данному смещению, используя коэффициенты, вычисленные по градуировочным кривым, находят изменение напряженного состояния.
Устройство работает следующим образом. Оптический датчик напряжений Д1 устанавливают (клеят специальным составом на подготовленную поверхность) в краевых зонах массива горных пород, в целиках или на строительных конструкциях, где необходим непрерывный контроль напряженного состояния. Лазерный луч от источника монохроматического излучения 1 проходит по волоконно-оптическому кабелю 2 и попадает на первую собирающую линзу Ф1, затем после отражения лучей от передней и задней стенки оптического датчика напряжений Д1 создается ИК, которая через вторую собирающую линзу Ф2 и волоконно-оптический кабель 2 передается на оптический детектор 3. При изменении напряжений в массиве изменяется показатель преломления оптического стекла (оптического датчика напряжений Д1), что вызывает перемещение ИК в пространстве. В данном устройстве, так же как и прототипе, для контроля за изменением напряженного состояния массива использовано явление оптической анизотропии.
ИК через вторую собирающую линзу Ф2, которая позволяет увеличить интенсивность выходного оптического сигнала, и волоконно-оптический кабель 2 передается на дневную поверхность и попадает на оптический детектор 3, который преобразует оптический сигнал в цифровой. Данный сигнал передается на контролирующий компьютер 4, где обрабатывается программой. Данная программа позволяет по смещению интерференционной картины, используя коэффициенты, полученные в лабораторных условиях, рассчитать изменение напряженного состояния массива и сравнить полученные данные с предельными для данных пород с учетом масштабного эффекта. Эти данные заносятся в программу предварительно. После сравнения контролирующим компьютером 4 данные поступают в блок 5. Также блок 5 осуществляет индикацию степени удароопасности: зеленый индикатор (третья степень удароопасности), красный индикатор (вторая степень) и звуковая сигнализация (первая степень). Коэффициенты, позволяющие вычислять изменение напряженного состояния, вычислены по градуировочным кривым, которые получены в лабораторных условиях. Также в лабораторных условиях определены критические значения напряжений пород данного массива. Все эти данные занесены в программу предварительно.
Таким образом, устройство позволяет осуществлять непрерывный контроль напряженного состояния массива горных пород в автоматическом режиме с большей точностью, оперативностью и надежностью по сравнению с прототипом. При достижении критических значений включается соответствующая сигнализация, позволяющая принимать технологические решения для предотвращения опасных проявлений горного давления. В предлагаемом изобретении нет токоведущих частей в подземной части устройства, что позволяет применять его в горных выработках всех шахт, включая высококатегорийные.
Использование предлагаемого устройства в сравнении с известным обеспечивает дистанционный, оперативный и непрерывный контроль величины механических напряжений на исследуемых участках горных пород, позволяет принимать технологические решения по креплению горных выработок в зоне влияния целиков и очистных работ, предотвращению завалов и разрушений.
Повышение надежности заявляемого устройства достигается за счет исключения из его состава оптических делителей, а также механического револьверного устройства.
Экономический эффект возникает за счет исключения: затрат на приобретение дорогостоящего оборудования (оптических делителей); технологических проблем, связанных с согласованием работы оптических делителей и волоконно-оптических кабелей.