СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ

Полезная модель относится к геофизическим исследованиям горных пород, в частности, к системам контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах, содержащим, по крайней мере, один модуль регистрации состояния горных пород, соединенный линиями связи с устройством обработки данных, связанным с индикатором сигнала опасности и может быть использована в горнодобывающей промышленности, прокладке тоннелей и других подземных работах.
Известно устройство для контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах, содержащее модуль регистрации состояния горных пород, соединенный линиями связи с устройством обработки данных, связанным с индикатором сигнала опасности, см. патент на изобретение РФ №2289693, опубликован в 2006 году. В этом устройстве модуль регистрации состояния горных пород выполнены в виде последовательно соединенных электромагнитного преобразователя-антенны, усилителя, фильтра низкой частоты, аналого-цифрового преобразователя, а устройство обработки данных состоит из устройства памяти и вычислителя верхней частоты спектра. Первый выход через ограничитель верхней частоты спектра снизу соединен со входом устройства ее отображения. Второй выход вычислителя подключен ко входу устройства сравнения значений f1, …, fn-1 верхней частоты спектра с ее значением fn, выход которого соединен с индикатором сигнала об опасности.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность контроля и невысокая точность прогноза опасного состояния массива горных пород. Это обусловлено узким диапазоном частот принимаемых антенной и отсутствием возможности определения направления на источник сигнала.
Из уровня техники известна также система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах, содержащая, по крайней мере, один модуль регистрации состояния горных пород, соединенный линиями связи с устройством обработки данных, связанным с индикатором сигнала опасности. См. патент на изобретение РФ №2137920, опубликован 1999 году. В ней модули регистрации состояния горных пород выполнены в виде электромагнитного преобразователя-антенны, последовательно соединенного с усилителем и детектором, выход которого подключен на первый вход компаратора, формирователя порогового напряжения, выход которого соединен со вторым входом компаратора, и АЦП, выход компаратора подключен к свето- и звуковому сигнализатору, а выход АЦП присоединен к жидкокристаллическому индикатору уровня.
Данное устройство взято за прототип предлагаемой полезной модели.
Недостатком прототипа является низкая эффективность контроля и невысокая точность прогноза опасного состояния массива горных пород. Это обусловлено узким диапазоном частот принимаемых антенной и отсутствием возможности определения направления на источник сигнала. Кроме того, с помощью одной антенны нельзя точно определить место геодинамического явления (возможного обрушения, внезапного выброса или горного удара).
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить систему контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах, позволяющую, по меньшей мере, сгладить один из указанных выше недостатков. А именно, решаемая предлагаемой полезной моделью техническая задача - повышение эффективности контроля состояния массива горных пород.
Для достижения этой цели каждый модуль регистрации состояния массива горных пород включает в себя последовательно соединенные датчик изменения состояния массива горных пород, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и регистратор с блоком синхронизации и блоком первичной обработки данных, а устройство обработки данных выполнено в виде сервера сбора и вторичной обработки данных, соединенного линией связи, по крайней мере, с одним компьютером с модулем программного обеспечения, связанным с индикатором сигнала опасности.
Благодаря этому становится возможным обеспечить повышение эффективности контроля состояния массива горных пород.
Существует вариант полезной модели, в котором, по крайней мере, один датчик изменения состояния массива горных пород выполнен в виде сейсмического датчика.
Благодаря этой характеристике появляется возможность улавливать сейсмические сигналы в массиве горных пород при подземных горных работах в диапазоне 0.1 Гц - 100 Гц.
Существует также вариант полезной модели, в котором, по крайней мере, один датчик изменения состояния массива горных пород выполнен в виде сейсмоакустического датчика.
Благодаря этой характеристике появляется возможность улавливать сейсмоакустические сигналы в массиве горных пород при подземных горных работах в диапазоне до 8 кГц.
Кроме того, существует вариант полезной модели, в котором, по крайней мере, один датчик изменения состояния массива горных пород выполнен в виде тензометрического датчика.
Благодаря этой характеристике появляется возможность использовать для контроля массива горных пород при подземных горных работах акселерометры, изготовленные по технологии МЭМС. В результате акселерометр имеет малые размеры, высокую точность и надежность, сравнимую с интегральными схемами.
Также существует вариант полезной модели, в котором, по крайней мере, один датчик изменения состояния массива горных пород выполнен в виде трехкомпонентного датчика.
Благодаря этой характеристике появляется возможность повысить точность прогноза опасного состояния массива горных пород за счет большего объема информации, выдаваемым каждым датчиком.
Дополнительно существует вариант полезной модели, в котором, по крайней мере, один датчик изменения состояния массива горных пород выполнен в виде терморадиационного датчика.
Благодаря этой характеристике появляется возможность дополнительного определения опасного состояния массива горных пород, вызванных повышением теплового излучения при изменении напряженно-деформируемого состояния массива горных пород.
Существует также вариант полезной модели, в котором, по крайней мере, один датчик изменения состояния массива горных пород выполнен в виде датчика метана.
Благодаря этой характеристике появляется возможность дополнительного определения опасного состояния массива горных пород, вызванных повышением концентрации опасного газа метана выше допустимых норм.
Существует вариант полезной модели, в котором в качестве линии связи между модулями регистрации состояния массива горных пород и устройством обработки данных используется локальная сеть передачи цифровых данных, выполненная в виде витой пары.
Благодаря этой характеристике появляется возможность уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов.
Также существует вариант полезной модели, в котором в качестве линии связи между модулями регистрации состояния массива горных пород и устройством обработки данных используется локальная сеть передачи цифровых данных, выполненная в виде оптического кабеля.
Благодаря этой характеристике появляется возможность обеспечить высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи. При этом каждое волокно оптического кабеля, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду.
Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.
Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает функциональную схему системы контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах с несколькими модулями регистрации состояния массива горных пород, каждый модуль включает в себя трехкомпонентный датчик, имеющий три канала измерения, соответствующий трем компонентам X, Y, Z. Каждый из каналов соединен со своим усилителем, аналогово-цифровым преобразователем и регистратором с блоком синхронизации и блоком первичной обработки данных.
Система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах включает в себя, по крайней мере, один модуль регистрации состояния массива горных пород. Для оптимальной локации опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах необходимо минимум три, а лучше больше модулей регистрации состояния массива горных пород.
Каждый модуль регистрации состояния массива горных пород включает в себя последовательно соединенные датчик 1 изменения состояния массива горных пород, усилитель 2, аналогово-цифровой преобразователь 3 и регистратор 4 с блоком синхронизации 5 и блоком первичной обработки данных 6. Каждый датчик может быть выполнен как однокомпонентным, так и трехкомпонентным, в последнем случае он имеет каналы X, Y, Z, каждый канал имеет свой усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и регистратор с блоком синхронизации и блоком первичной обработки данных.
Выходы регистраторов модулей регистрации состояния массива горных пород подключены к линии связи 7, соединенной с сервером 8 сбора и вторичной обработки данных. Сервер 8 сбора и вторичной обработки данных соединен по крайней мере с одним компьютером 9 с модулем программного обеспечения, связанным с индикатором сигнала опасности 10.
Модули регистрации состояния массива горных пород располагают под землей, в месте проведения горных работ, при этом датчики изменения состояния массива горных пород располагают внутри исследуемого массива горных пород. Сервер сбора и вторичной обработки данных, компьютер с модулем программного обеспечения, связанный с индикатором сигнала опасности располагают на поверхности в специально оборудованных помещениях.
В модулях регистрации состояния массива горных пород в качестве датчиков могут быть применены датчики ускорения, основанные на микроэлектромехнической технологии MEMS, например, трехкомпонентный датчик ускорения (акселерометр) lis302.
В качестве линии связи могут быть любые кабели с симметричными парами марок ТПП, МКС, ТЗГ, ТГ, П-274 и аналогичные, или медная витая пара 5 категории, или оптический кабель. Данная линия связи образует сеть Ethernet. В случае, когда используется витая пара линий шахтной телефонной связи, то связь осуществляется по имеющимся витым парам через модемы которые являются по сути "удлиннителями" сети Ethernet.
Для безопасного и бесперебойного питания электрических элементов системы используется Сетевой Искробезопасный Источник Питания, (СИИП), на фиг.1 не показан.
Полезная модель может быть изготовлена с применением указанных выше элементов и узлов, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью, что соответствует критерию «промышленная применимость» для полезной модели.
Система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах работает следующим образом.
Аналоговые электрические сигналы с датчиков изменения состояния массива горных пород усиливаются в каждом канале для каждой компоненты своим усилителем, и оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем с частотой до 8 кГц
Данные передаются ip-пакетами через имеющуюся сеть ethernet на сервер сбора и вторичной обработки данных.
В сервере сбора и вторичной обработки данных или компьютере с модулем программного обеспечения формируется база данных, куда заносятся результаты выделения сигналов, например, акустической эмиссии (АЭ), производится вычисление координат, и прочие манипуляции с имеющимися сигналами АЭ, а именно, отстраиваются графики количества АЭ в единицу времени, измеряется скорость нарастания АЭ, энергия сигналов АЭ, суммарная энергия АЭ в единицу времени, анализ спектральных составляющих сигналов в скользящем окне.
По результатам вторичной обработки данных в случае вычисления опасного состояния массива горных пород активируют индикатором сигнала опасности.
Результаты вторичной обработки данных могут представлять собой:
1) пороговые значения относительных изменений регистрируемых параметров (пример - «увеличение интенсивности АЭ в 10 раз»),
2) указание геометрии опасной области (пример - «в 10 м впереди забоя»),
3) указание временного интервала (пример - «в ближайшие 10 часов».
Результаты вторичной обработки данных первоначально разрабатываются расчетным способом с применением трехмерного математического моделирования участка конкретного скального массива с заданными размерами горной выработки изменяющихся размеров, затем оперативно корректируются с учетом результатов анализа временных рядов зарегистрированных системой контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах.
Предшествующее описание примерных вариантов осуществления полезной модели обеспечивает иллюстрацию и описание, но не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать полезную модель описанными точными элементами. Модификации и изменения возможны в свете вышеприведенного описания или могут быть получены из применения полезной модели. К модификациям также относятся использование различных типов датчиков, обеспечивающих контроль опасного состояния массива горных пород.
В соответствии с предложенной полезной моделью ООО «Инситу» изготовлен опытный образец Многофункциональной геофизической системы контроля и прогноза геодинамического и газодинамического состояния массива горных пород.
В модулях регистрации состояния массива горных пород в качестве датчиков использовались откалиброванные датчики ускорения (акселерометры) lis302.
Измеряемые диапазоны: ±1 g, ±2 g
Чувствительность: 2 В/g
Выходное напряжение: ±3.3 В
Дополнительно для испытаний использовался датчик метана ДМС 03.
В качестве электропитания использовались СИИП, которые имееют встроенную аккумуляторную батарею и обеспечивает автоматический переход на питание от аккумуляторной батареи при отключении питающего сетевого напряжения.
В качестве линии связи использовались: оптический кабель СЛ-ОКМБ 01НУ-4Е2-1.5, витая пара 5 категории LAN CABLE LANSET UTP5 24AWG OUTDOOR, витая пара ТППШВ 5×2×0.64, кабель полевой связи П-274.
В качестве сервера сбора и вторичной обработки данных и компьютера с модулем программного обеспечения использовались компьютеры с параметрами:
Процессор: Pentium IV или Athlon ХР не ниже 2000 Ггц 2 × Intel Xeon с частотой не ниже 1500 Ггц
Оперативная память: не менее 1 Гб
Свободное место на жестком диске: не менее 500 Гб
Операционная система: Windows 2000/Server 2003/XP 32 bit
База данных: MySQL
Испытания опытного образца системы контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах в различных условиях показали следующие характеристики:
- данная система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах показала повышение эффективности контроля состояния массива горных пород;
- в опытном образце дополнительно были подключены газовые датчики, а именно датчики метана для контроля взрывоопасного состояния массива горных пород при подземных горных работах;
- возможность определения времени и места геодинамического явления в массиве горных пород, а также обнаружения опасных концентраций газа в месте выработки, что подтверждает повышение эффективности контроля состояния массива горных пород.