Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал

Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: определение местонахождения шахтеров, попавших в завал. Сущность: создание сейсмоакустических сигналов в месте аварии, их прием с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измерении отдельно для каждого треугольника задержки времени ti, t2, t3 Изобретение относится к горной промышленности , в частности предназначено для определения местонахождения шахтеров , попавших в заеа,; (обрушение, затопление выработок). Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту является способ, замючающийся в том, что шахтеры создают туковые (акустические) сигналы (импульсы, путем ударов твердым предметом по возцухоили зодопроводяприхода сейсмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги р и pi на местонахождение источника сигнала по формулам р 30п(1 ° )+ Юа , п - нечетное, р - (1 - Д-Юе1, пчетное, где а - наименьшая задержка времени , (меньшая задержка времени), п-порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов, определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формулам: а $01-30°, ац 210°-(pi , определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустических сигналов по формуле S L sin 02 /sin a , где L - расстояние между центрами треугольников , и определяют координаты по формулам xi S sin(90° - а. ), yi S cos(90° - а ), z S tg / , где/ , arccos ti V/I - sin(60° + p ).2 г. п. ф-лы, 6 ил. щим трубам, передают импульсы из места завала, а горноспасатели слушают (принимают ) звуковые сигналы от трубопровода и определяют местонахождение шахтеров. Недостатками прототипа являются низкая точность определения местонахождения шахтера (источник звука), так как система труб представляет собой сложные лабиринт, в связи с этим даже направление или источник звука определить тельно, трубы могут иметь разрывы от удаел С XI 00 о о ю со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К ПАТЕНТУ прихода сейсмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги р1 и

pz на местонахождение источника сигнала по формулам у = 30n(1 -е . ) + 10о, n— нечетное, р =30(n -(1-е ))-106, n— четное, где 0 — наименьшая задержка времени (меньшая задержка времени), n — порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов, определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формулам: а1 = р1-300, а2 =210 -pz, определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустиче:ких сигналов по формуле S = 1. sin а /sin а1, где L — расстояние между центрами греугольников, и определяют координаты по формулам х1 = Я sin(90O — а1 ), у1 = S>

«cos(90 - а1 ), z = S tg p, гдето, = arccos(t»

«И! - sin(60 + p )). 2 з, и, ф-лы, 6 ил.

6 щим трубам, передают импульсы из места завала, а горноспасатели слушают (принимают) звуковые сигналы от трубопровода и определяют местонахождение шахтеров.

Недостатками прототипа являются низкая точность определения местонахо:кдения шахтера (источник звука), так как система труб представляет собой сложные лабиринт, в связи с этим даже направл.ние или источник звука определить затруднительно, трубы могут иметь разрывы от удаГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССP) (21) 4811789/03 (22) 09,04.90 (46) 15.01.93, Бюл. № 2 (71) Быковский экспериментальный завод средств автоматики (72) Л.В, Винокуров, Ю.Н. Камынин и С.Г. Лаевский (73) Быковский экспериментальный завод средств автоматики (56) Привалов Н,И. Белик И,П., Выскубенко

В.П., Колпаченко В.М, Связь с людьми, застигнутыми аварией в шахте, — Безопасность труда в промышленности, 1989, ¹ 9, с. 39-42. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ШАХТЕРОВ, ПОПАВШИХ В

ЗАВАЛ (57) Использование; определение местонахождения шахтеров, попавших в завал.

Сущность: создание сейсмоакустических сигналов в месте аварии, их прием с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измерении отдельно для каждого треугольника задержки времени 11, сг, 13

Изобретение относится к горной промышленности, в частности предназначено для определения местонахождения шахтеров, попавших в зава; (обрушение, затопление выработок).

Наиболее близким по своей технической сушности и достигаемому эффекту является способ, за ючающийся в том, что шахтеры созг,ают звуковые (акустические) сигналы (имп льсы, путем ударов твердым предметом по возцухо- или зодопроводя Ж 1789019 А3

1789019 ров кусков горной породы при обрушении, т. е, звуковой сигнал дальше места разрыва не пройдет. Кроме того, труб в местонахождении шахтера вообще может не быть, Таким образом надежность способа низка. 5

Цель изобретения — повышение точности и надежности определения местонахождения шахтеров, попавших в завал.

Указанная цель достигается тем, что сигналы принимают с помощью двух групп сей- 10 смоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измеряют отдельно для каждого треугольника задержки времени t>, t2, сз при- 15 хода сейсмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги р1 и р на местонахождения источника сигнала по формулам 20 р =30n(1-e +10, и — нечетное, р = 30(n.-(1- е1 ))-108, n — четное, наименьшая зад жка в емени меньшая задержка времени

n — порядковый номер тридцатиградус- 25 ного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов; и определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной 30 системе координат, для чего центр одного треугольника принимают за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют углы между пе- 35 ленгами и осью абсцисс по формулам а = p>-30, а 2=210 р г, определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоа- 40 кустических сигналов по формуле

1 sin аг

sin a< где L — расстояние между центрами треугольников, 45 и определяют координаты по формулам

X> = S sin(90 а 1), Y> = S cos(90 а 1), Z<=S tgP, т1 V где P = arccos

1 sin (60 +p)

Кроме того, длина сторон равностороннего треугольника определяется из условий 55 скорости распространения упругих волн в горном массиве, расстояние от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического сигнала — с учетом коэффициента затухания акустического сигнала в данном массиве и характеристик применяемых сейсмоприемников, Основой данного изобретения является новая теорема, заключающаяся в том, что если некоторая прямая, совпадающая первоначально с одной из биссектрис равностороннего треугольника АВС, вращается в плоскости треугольника против часовой стрелки вокруг его центра О, то проекции сторон треугольника на эту прямую изменяются по закону синуса.

На фиг. 1 представлен чертеж, поясняющий суть этой теоремы. АВС вЂ” равносторонний треугольник со стороной 1, AD— биссектриса угла А, UV — прямая, первоначально совпадающая с биссектрисой AD, p— угол между AD и UV, S1, S2, $з — проекции сторон треугольника ABC на прямую UV, которые равны

51=! ° sin(60 + p ), S2 =1, sin р, Яз=

=! sin(60 - p ).

В предложенном техническом решении измеряются не проекции сторон треугольника, а задержки времени t>, t2, ta прихода сейсмоакустического сигнала в вершины равностороннего треугольника, Если обозначить буквой V скорость распространения сейсмоакустического сигнала, то в общем случае с=5/Ч где S — путь, пройденный сигналом;

t — время прохождения пути, На фиг. 2 представлен чертеж, поясняющий переход от закона изменения линейных проекций сторон равностороннего треугольника на прямую, вращающуюся вокруг центра треугольника к закону изменения задержек времени в зависимости от направления прихода сейсмоакустического сигнала к равностороннему треугольнику

АВС, в вершинах которого установлены сейсмоприемники. Здесь t t u ta - задержки времени прихода сигнала к сейсмоприемникам относительно сейсмоприемника, принимающего сигнал первым, а t2 — задержка времени между временем прихода сигнала ко второму и последнему сейсмоприемникам.

Π— центр равностороннего треугольника, р — угол между направлением прихода сигнала и началом отсчета, N — направление прихода сейсмоакустического сигнала, AD— биссектриса начала отсчета, т1, тг, тз зарегистрированное текущее время прихода сейсмосигнала к сейсмоприемникам в вершинах треугольника АВС, Т = I/V — время, В соответствии с данными определениями можно записать; т1 = тз — т1 =Т sin(60 + p )

t2 = ХЗ вЂ” Тг = Т Sin P з= t2-tf = T sin(60 - p ) 1789019

Если учесть, что сейсмосигнал к равностороннему треугольнику может приходить в плоскости с любого направления, то по аналогии с вращающейся прямой формулы для задержек времени будут 5

t1= V sin(60 + p ), t2 V ° sin p, to= ! о

= — з!п(60 - p ). !

Если задержки времени каким-либо ме- 10 тодом измерены, то согласно фиг, 2 угол р определяется однозначно о,,t1, тг

p =-60 + arcsin —, p = arcsin

Т Т т 15

p = 60 - arcsin— о з

Т где Т = !/V — время, в течение которого сейсмоакустический сигнал пройдет путь, равный длине стороны равностороннего треугольника, которая определяется по экс- 20 периментальной формуле

I/100 > =Ч/т, где V — скорость распространения сейсмоакустических импульсов в массиве горных пород, который выбран для установки сейс- 25 моприемников;

f — частота следования электрических импульсов, служащих для измерения задержек времени, Частота электрических импульсов f определяется, исходя из точности, которую 30 требуется получить при вычислении пеленговых значений шахтера, создающего источник САИ в завале.

Если, например, требуется определить азимут шахтера с точностью не хуже 0,5О, то 35 сначала обращаемся к математической таблице вычисленных синусов и вблизи нулевой точки определяем

Л = sin0,5 — sinO = 0,0087 - 0,000 =

=0,0087, 40 а затем по экспериментальной формуле вычисляем частоту f в кГц

2 2 — 7=230 кГц

В предложенном техническом решении 45 пеленг шахтера для каждого равностороннего треугольника определяется по алгоритму

p = arcs)nt2/Т

rp= 60 arcsin(tt tz)/Ò при tt > tz

p = 120 - arcsint1/Т

r//= 60 + a resin(tz - t t)/T l п ри tz > t t

p = 120 + arcsint1/Т

rp"= 180 - arcsin(tz-tt)/t при гз > ti р = 240 — arcsints/Т р - 180 + arcsin(t1 — тз)/Т при t» ts

p = 240 + arcsints/Т 55

p = 300 - arcsin(t2 - тз)/Т при t2 > ts

p = 360 - arcsint2/Т

rp"= =300 -» arcsin(tz -tz)/ò I при гз > гг

Если l p - ф!< 0,5О, то p=(p+ p)/2

В противном случае принимают центр равностороннего треугольника за цент окружности, разбивают эту окружность, начиная от биссектрисы начала отсчета, на 12 секторов по 30 каждый и определяют, в каком секторе находится прямая направления (пеленг) на источник САИ. Если сектор и представлен нечетным числом, то пеленг определяется по экспериментальной формуле: р =30п(1 — е )+ 10 о, а если п представлен четным числом, то р =30(п-(1-е ))-10о, наименьшая зад жка гДЕ И вЂ” МЕНЬШаЯ ЗаДЕРжКа

Различные значения р и р оказываются в том случае, если угол места Р неравен нулю, т. е. источник САИ не находится в плоскости равностороннего треугольника

АВС, В предложенном способе измеряются две задержки времени независимо от направления прихода САИ. Так в соответствии с фиг. 2 при направлении N измеряются задержки t! и t2, à ts не измеря е тся, но из фиг.

2 следует, что тз = t1 — 12, т. е. может быть вычислена, если измерены две другие задержки времени, В предложенном алгоритме I pa3HOCTb - t2 для данного направления

N используется, но уже не как измеренная величина задержки, а как вычисленная задержка времени. Таким образом, в алгоритме I для каждого случая в диапазоне 0

360 одна из задержек времени вычисляется.

После определения уточнения азимутов

p1 и /рг для каждого треугольника образуют треугольник 01АОг из прямой 0102 и двух азимутальных прямых на САИ, пересекающихся в точке А, вычисляют углы между этими прямыми и прямой 0102 по формулам а1= ps-30, а г =210 - р 4 принимают оси прямоугольной системы координат с центром 01, совмещая плоскость координат YX с плоскостью этого треугольника, а ось абсцисс Х с 0102,вычисляют сторону треугольника 01А по формуле

01 Ог sin (22

01А—

sin (2 1 а затем вычисляют координаты Х! и Y1(абсциссу и ординату) по формулам

Х1 = 01А sin(90 а1), У1= 01А ° cos(90- а1).

После этого определяют задержку Т1 для уточненного пеленга по формуле

Т1 = Т/sin р, 1789019 ерут соответствующие задержки t1 и Т1 и пределяют угол места j3 по формуле

p = arccost1/Т1

: затем определяют аппликату шахтера по

)opMyne 5

Z1 = 01А tg P .

На фиг, 3 представлен график, поясняэщий изменение задержек и взаимосвязь

1ежду пеленгами t1, t2, t3 — задержки; р

1ервичный пеленг, p" — вторичный пеленг; 10

0 — уточненный пеленг.

На фиг. 4 представлен чертеж, поясняощий нахождение угла места Р, Р— горизонтальная плоскость, Q — вертикальная

1лоскость; А, B и С вЂ” вершины равностороннего треугольника; р — уточненный пе1енг источника сигнала (шахтера), t—

1змеренная задержка времени, в соответствии с фиг, 2 с будет равно t1, Т1 — задержка времени для уточненного пеленга; N — направление прихода сигнала.

На фиг, 5 показан горизонтальный разрез выработки, включающий нижний горизонт выработки 1, верхний горизонт выработки 2, завал штрека 3, шахтер (источник САИ) 4, сейсмопреобразователи первой группы (треугольника) 5 и второй группы 6, центры первой группы сейсмопреобразователей 7 и второй группы 8, пеленг на шахтера 4 первой группы сейсмопреобразователей 9 и второй группы 10.

Способ реализуется следующими операциями, Измеряют скорость распространения САИ в горном массиве, задают частоту тактовых электрических импульсов, с помощью которых измеряют задержки времени, определяют длину стороны 1 равностороннего треугольника по формуле

I/100 > V/f, размечают на плоскости горного массива на расстоянии не более 300 м от 40 предполагаемого местонахождения шахтера даа разнесенных в пространстве равносторонних треугольника, измеряют расстояние между центрами треугольников, ориентируют треугольники в одной плоско- 45 сти, устанавливают сейсмопреобразователи в вершинах треугольников, принимают

САИ, создаваемые шахтером, измеряют обособленно в вершинах каждого треугольника задержки времени с помощью такто- 50 вь(х электрических импульсов, вводят задержки в память вычислителя, принимают за начало отсчета пеленга шахтера одноименные биссектрисы треугольников и ведут его против часовой стрелки, задержки времени прихода сигнала в вершины каждого треугольника в зависимости от направления (пеленга) описывают формулами

t1= I/Ч sin(60 + p ); tz= I/V sin p

t3= I/V ° sin(60 - ср ), Пеленг р для каждоготреугольника( — для первогои р 2 — длявторого)определяют по алгоритму 1, если условие i p - p l < 0,5 выполняется, то р 1 и р г определены верно и с точностью до 0,5, а если не выполняются, то анализируют задержки с помощью алгоритма II и определяют номер и тридцатиградусного сектора, в котором размещен пеленг р для каждого треугольника (p — для первого и р г — для второго), 1приt1 u,t3 tz

2 при t1 > тг, тг > t3

3 при 1г > т1, т1 > Сз

4 nps tZ > t1, t3 > t1

5 при 3 t1,t2 t1

6 при 13 t1, т1 > тг

7 при t» t3, t3 > тг

8 при t1 > t3, tz > з

9притг тз,t1 t3

10 при тг t3, тЗ > t1

11 при сз > г, 1г > 11

12 при Сг > t3, t1 > tZ

n= и= и = и=

n= и= и= и= и= и= и=

Уточняют пеленг для каждого треугольника по экспериментальным формулам у /n-zk-1=30(n-e ) +10о, р /и-г =

= 30(n - (1 - e " )) — 10 cr, наименьшая зад жка в емени

Де, 1(,1 1ЬШаЯ ДЕ,)ж1<а ВР 1 строят треугольник на основании L = 7 — 8 и двух пеленгах на источник, пересекающихся в точке 4, вычисляют углы a1 = p1- ЗОО, аг =210 - р г, принимают оси прямоугольной системы координат с центром 7, совмещая ось абсцисс Х с основанием треугольника L вычисляют сторону треугольника

L. з1и аг

Sin а1 определяют максимальную задержку для пеленга р1, первого треугольника по одной из формул

Т1=ЧЧ sin(60 + у ); Тг= I/Ч sin p;

Тз= I/Vsin(60 — p ) используют соответствующие задержки времени, например t1 и Т1 и определяют угол места Р по формуле

p = arccost1/Т1, а затем определяют местонахождение (пространственные координаты) шахтера, т, е, абсциссу, ординату и аппликату

X1= S ° sin(90 - а1), Y1 = S cos(90 - а1), Z1=S 19 Р

На фиг. 6 представлена схема устройства, реализующего способ, где показаны схемы измерения задержек времени прихода сигналов в разные каналы приема, сейсмоп1789019

5

25

35

55 реобразователи 5 и 6, усилители 11,1 — 11,2, компараторы 12.1 — 12.2, триггеры 13,1 — 13,2, счетчики импульсов 14,1 — 14,2, схемы совпадения 15.1 — 15.2, генератор тактовых импульсов 16, коммутаторный блок 17, вычислительный блок 18. Устройство для определения координат шахтера при завале в шахте снабжено вычислительным блоком и двумя схемами измерения временных задержек, каждая из которых содержит схему совпадения и три параллельные цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные сейсмопреобразователи через усилитель с компаратором, триггер и счетчик импульсов, при этом выходы триггеров соединены с входами схемы совпадения, выход которой соединен с вторыми входами триггеров и вычислительным блоком, подключенным через коммутаторный блок к счетчикам, подключенными к генератору тактовых импульсов.

Способ может быть осуществлен следующим образом.

Сейсмоакустические импульсы, создаваемые шахтером, принимаются сейсмоприемниками 5, 6. Импульс сначала достигает ближнего к источнику сейсмоприемника, включенного, например, в группу 5, преобразуется в электрический сигнал и усиливается в усилителе 11.1. Если величина сигнала превосходит заданный уровень, он проходит через компаратор 12.1 на вход триггера 13.1. Триггер опрокидывается и дает разрешение счетчику 14.1 вести счет импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов 16 и поступает сигнал на вход схемы совпадения 15,1. Через некоторое время сигнал от источника (шахтера) достигает следующего сейсмоприемника 5, включенного в другую цепочку той же схемы, При этом как и в предыдущем случае срабатывают аналогичные элементы и в результате счетчик 14.1 начинает считать импульсы, вырабатываемые генератором тактовых импульсов 16. С приходом САИ от шахтера к третьему сейсмоприемнику 5, включенному в цепочку той же схемы соответственно срабатывают все элементы этой цепочки, включая триггер 13.1, При этом на входе схемы совпадения 15,1 одновременно будут присутствовать три сигнала, она срабатывает и возвратит все три триггера

13,1 в исходное состояние, а вычислительный блок 18 через коммутаторный блок 17 считает показания счетчиков этой схемы, После этого схема будет готова к приему следующего САИ, а вычислительный блок

18, по данным счетчиков 14.1 схемы, вычисляет пеленг шахтера. Через некоторый промежуток времени или одновременно CAN от шахтера достигнет сейсмоприемников 6 другой схемы, При этом в аналогичной последовательности сработают параллельные цепочки и элементы схемы, а вычислительный блок 18 по данным счетчиков 14,2 схемы вычисляет еще один пеленг р 2 по тем же алгоритмам, но с новыми задержками времени. Затем в блоке 18 вычисляются углы а-. и а2, угол места Р и координаты шахтера

Х1, У1 и Z>.

Вычислительным блоком 18 может служить, например, микроЭВМ "Электроника

MC-1103", предназначенная для широкого применения в системах контроля.

4лина стороны равносторонних треугольников лежит в пределах 0,2 — 2,0 м, а расстояние между центрами треугольника от 1 до 100 м, Преимущество предложенного способа заключается в том, что он позволяет определять пространственные координаты шахтеров, попавших в завал, и других аварий в шахтах.

Формула изобретения

1. Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал, включающий создание сейсмоакустических сигналов в месте аварии, их прием и определение по ним местонахождения шахтеров, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности и надежности определения, сигналы принимают с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равн осто рон него треугол ьни ка, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измеряют отдельно для каждого треугольника задержки времени t>, т2, тз прихода сейсмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги p) и р 2 на местонахождение источника сигнала по f oðìóëàì р =30n(1 — е )+10ñò, п — нечетное, р =30(п-(1-е ))-10o, п — четное, -1,26 наименьшая зад жкд В емени меньшая задержка Времени

n — порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов, и определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, для чего центр одного треугольника принимают за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формуле

cr> = p 1-30, 1789019

12 аг=210 - р г, определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустических сигналов по формуле

Я = - slfl а г/81п Q 1 где L — расстояние между центрами треугольников, и определяют координаты по формулам

Х1= S sin(90 - а1), Y< = S cos(90 - а 1), Z=S tgP, и1 V где P = arccos

1, з1п (QQо

2. Способ по и, 1, отличающийся тем, что длина стороны равностороннего

5 треугольника определяется из условий скорости V распространения упругих волн в горном массиве, а расстояние S от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического

"0 сигнала — с учетом коэффициента затухания акустического сигнала в данном массиве и характеристик применяемых сейсмоприемников.

1789019

1(o, s о, z ос аэ

I !

Составитель Л.Винокуров

Техред М.Моргентал Корректор Л,Филь

Редактор

Заказ 85 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 t3035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1789019 I