Устройство непрерывного контроля напряженного состояния и степени удароопасности краевых зон массива горных пород

Устройство непрерывного контроля напряженного состояния и степени удароопасности краевых зон массива горных пород

Реферат

 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для непрерывного контроля с дневной поверхности состояния массива горных пород. Технический результат - повышение достоверности оценки напряженного состояния и степени удароопасности краевых зон массива горных пород. Для этого источник светового сигнала располагают на дневной поверхности. Через светофильтр из револьверного устройства световой сигнал поступает в многоканальный волоконно-оптический кабель, по которому попадает на участок измерения в горные выработки. Оптический делитель через один из каналов двухканального волоконно-оптического кабеля связи распределяет световой сигнал по датчикам. На входе каждого датчика расположен один из светофильтров и поляризатор. Отраженный сигнал по второму каналу волоконно-оптического кабеля связи поступает на второй делитель светового сигнала, а с его выхода - через многоканальный волоконно-оптический кабель на дневную поверхность. Световой сигнал преобразуется электрическим преобразователем. После усиления он поступает в блок сравнения. Одновременно в него поступает опорный граничный сигнал из блока аналоговой памяти. По результатам сравнения включается блок индикации. 1 ил.

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 для контроля параметров зон отжима, предельно напряженного состояния и опорного давления по потенциалу естественного стационарного электрического поля (ЕСЭП) (см. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В. Рудничная геоэлектрика. М.: Недра, 1977. - с. 56-58).

Данные устройства позволяют достаточно оперативно по сравнению с другими аналогичными устройствами оценить напряженное состояние приконтурных (краевых) зон и степень их удароопасности. Существенным недостатком данных устройств является необходимость обслуживания их оператором непосредственно в горных выработках. В связи с этим шахтная служба прогноза не может охватить наблюдениями участки, находящиеся в разных районах шахтного поля. Следовательно, некоторые выработки выпадают на определенное время из-под контроля, что снижает технику безопасности на этих участках.

Наиболее близко по технической сущности к предполагаемому изобретению относится устройство оперативного контроля за состоянием массива, основанное на непрерывном измерении потенциала ЕСЭП в точках массива и автоматическом сравнении его с критическими значениями, которые определяются предварительно (см. Тарасов Б.Г., Дырдин В.В., Иванов В.В. Геоэлектрический контроль состояния массивов. - М.: Недра, 1983. - С. 144-145).

Достоинством данных устройств является то, что информация о состоянии массива измеряется непрерывно и поступает в виде значений потенциала ЕСЭП в аппаратуру контроля, которая осуществляет сравнение и оповещение горнорабочих о степени удароопасности в виде световой и звуковой сигнализации. Это позволяет повысить оперативность контроля за состоянием отдельных участков массива горных пород и снизить трудоемкость прогноза.

Существенным недостатком этой системы 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 как стационарного, так и нестационарного характера. В результате этого возможны ложные срабатывания аппаратуры. Следовательно, достоверность информации падает. Можно сказать, что она примерно обратно пропорциональна длине кабеля связи.

Кроме того, для получения критических значений потенциала ЕСЭП, соответствующих определенной категории удароопасности, требуется провести широкие предварительные исследования в шахтных условиях, что связано со значительными временными и финансовыми затратами. Необходимо также отметить, что по величине потенциала ЕСЭП осуществляется только косвенная оценка напряженного состояния.

Задачей предполагаемого изобретения является создание устройства, позволяющего более достоверно оценивать напряженное состояние и степень удароопасности краевых зон массива горных пород.

Указанная задача достигается тем, что в устройство, содержащее датчики напряжений, усилительное устройство, блоки сравнения и индикации, дополнительно введены источник светового сигнала, два оптических делителя светового сигнала, двухканальные и многоканальные волоконно-оптические кабели, узкополосные светофильтры, поляризаторы, преобразователь светового потока в электрический сигнал, электроизмерительный прибор (вольтметр) и самописец, при этом многоканальный волоконно-оптический кабель осуществляет оптическую связь между источником светового сигнала и оптическими делителями светового сигнала, а двухканальный волоконно-оптический кабель - между оптическими делителями светового сигнала и датчиками напряжений, причем концевая часть двухканального волоконно-оптического кабеля, узкополосный светофильтр, поляризатор и датчики напряжений конструктивно объединены в один блок.

Изобретение поясняется функциональной схемой устройства.

Оно содержит источник светового сигнала 1, расположенный на дневной поверхности, оптические делители светового сигнала K₁ и K₂, находящиеся на участке измерений в подземных горных выработках, многоканальный волоконно-оптический кабель 2, осуществляющий связь между источником светового сигнала 1 и оптическими делителями светового сигнала K₁, K₂, датчики напряжений (D₁-D₇), двухканальные волоконно-оптические кабели (B¹₁-B¹₂)-(B⁷₁-B⁷₂), осуществляющие оптическую связь с оптическими делителями светового сигнала K₁, K₂, поляризаторы П₁-П₇, играющие роль анализаторов при обратном ходе светового луча и расположенные непосредственно перед датчиками напряжений, набор узкополосных светофильтров Ф_1-7 в виде револьверного устройства, находящегося непосредственно перед источником светового сигнала, узкополосные светофильтры Ф₁-Ф₇, аналогичные набору узкополосных светофильтров Ф_1-7, расположены перед поляризаторами П₁-П₇ по одному на каждый датчик напряжений Д₁-Д₇, преобразователь светового потока в электрический сигнал 3, усилитель 4, блок сравнения 5, блок аналоговой памяти 6, блок индикации 7, электроизмерительный прибор (вольтметр) и самописец 8, генератор тактовых импульсов 9.

В качестве датчиков напряжений Д₁-Д₇ использованы поляризационно-оптические датчики, изготовленные из оптического стекла с зеркально-отражающей задней поверхностью. В качестве поляризаторов - анализаторов П₁-П₇ использованы стандартные пленочные поляризаторы.

Оптический делитель светового сигнала изготовлен на основе плоского волновода размером порядка 1 см² из оптического стекла методом ионообменной низкотемпературной диффузии из расплава TINO₃ травлением через маску.

Ввод-вывод световой волны из оптического делителя светового сигнала в двухканальный и многоканальные волоконно-оптические кабели осуществляется через скошенный край оптического делителя светового сигнала через цилиндрическое отверстие и закрепляется специальным клеем с соответствующим для оптического делителя светового сигнала показателем преломления. Дно отверстия полусферическое и расположено так, чтобы собирать энергию пучка, излученного через сужающийся край, когда на него падает поверхностная волна. При этом получается хорошее согласование между полем этого пучка и волноводным полем двухканального и многоканального волоконно-оптического кабеля.

Узкополосные светофильтры изготовлены из цветного оптического неорганического стекла с узким диапазоном пропускания частот. Источником светового сигнала служит ртутная лампа. В качестве преобразователя светового потока в электрический сигнал использован набор фотосопротивлений, каждое из которых имеет повышенную чувствительность к определенному диапазону длин волн.

Устройство работает следующим образом. Семь датчиков напряжений устанавливаются в краевых зонах массива горных пород и в целиках, где необходим контроль степени удароопасности. С ростом напряжений в массиве изменяется интенсивность поляризованного светового луча, проходящего через данный датчик напряжений, т. е. для контроля за изменением механических напряжений в массиве использовано явление оптической анизотропии согласно закону Вертгейма, выражающему количественную связь между оптическим эффектом и разностью главных напряжений (Хаимова-Мельникова Р.И. Методика исследования напряежений поляризационно-оптическим методом. - М.: Наука, 1970. - С. 21-24).

Световой сигнал от источника светового сигнала 1, расположенного на дневной поверхности, через определенный узкополосный светофильтр Ф_1-7 поступает в многоканальный волоконно-оптический кабель 2, осуществляющий оптическую связь между источником светового сигнала 1 и участком наблюдений, где попадает на оптический делитель светового сигнала K₁ и по одному из каналов двухканального волоконно-оптического кабеля B¹₁^-7 поступает на вход каждого датчика напряжений Д₁-Д₇ через узкополосные светофильтры Ф₁-Ф₇ и поляризаторы П₁-П₇. Отраженный сигнал, возникающий только у одного из датчиков напряжений, у которого узкополосный светофильтр аналогичен узкополосному светофильтру, расположенному перед источником светового сигнала 1, по второму каналу двухканального волоконно-оптического кабеля B¹₂^-7 поступает на оптический делитель К₂ а с его выхода - в многоканальный волоконно-оптический кабель 2. Отраженный сигнал от датчиков напряжений, имеющих другие узкополосные светофильтры, не возникает вследствие практически полного поглощения. Таким образом, в каждый момент осуществляется связь только с одним датчиком напряжений из набора Д₁-Д₇. Опрос датчиков напряжений осуществляется путем последовательного подключения определенного узкополосного светофильтра Ф_1-7 с помощью револьверного устройства и одновременного выбора посредством генератора тактовых импульсов 9 соответствующего преобразователя светового потока в электрический сигнал 3, подобранного по максимальной частотной чувствительности. Световой сигнал с каждого участка по многоканальному волоконно-оптическому кабелю 2 поступает из горной выработки на дневную поверхность, где попадает на преобразователь светового потока в электрический сигнал 3, подобранный по максимальной чувствительности относительно длины волны каналов. После усиления по напряжению и мощности в усилителе 4 электрический сигнал поступает в блок сравнения 5, куда поступает одновременно опорный граничный сигнал из блока аналоговой памяти 6. Граничные значения блока аналоговой памяти 6 устанавливаются предварительно путем лабораторных испытаний датчика напряжений на сжатие - растяжение. По результатам сравнения опорных сигналов и прошедшего из выработки включается блок индикации 7: зеленая лампочка (третья категория удароопасности) или красная (вторая категория), или звуковой сигнал (первая категория). Параллельно блоку индикации 7 подключен электроизмерительный прибор (вольтметр), предназначенный для визуального наблюдения, и самописец, конструктивно объединенные в один блок 8. Шкала электроизмерительных устройств протарирована в единицах давления (МПа) при лабораторных испытаниях.

Таким образом, устройство позволяет осуществлять непрерывный контроль напряженного состояния массива по одному из каналов либо по интервально во время по всем семи каналами. При достижении критических значений включается соответствующая сигнализация и номер канала. Предусматривается два режима работы: автоматический (периодический опрос каждого датчика путем подключения определенного узкополосного светофильтра с помощью револьверного устройства) и ручной, когда устанавливается непрерывный контроль по одному из каналов.

Использование предлагаемого устройства в сравнении с известным обеспечивает дистанционный непрерывный контроль величины механических напряжений на отдельных участках горных пород, позволяет принимать определенные технологические решения по креплению горных выработок в зоне влияния целиков и очистных работ и снижению категории удароопасности.

Экономический эффект складывается из исключения затрат на обеспечение и проверку искробезопасности устройств, замены шахтных испытаний на лабораторные, а также принятия определенных технологических решений по результатам измерений непосредственно механических напряжений на определенных участках горных работ, а не косвенных показателей.

Формула изобретения

Устройство непрерывного контроля напряженного состояния и степени удароопасности краевых зон массива горных пород, содержащее датчики напряжений, усилитель, блоки сравнения и индикации, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены два оптических делителя светового сигнала, двухканальные и многоканальный волоконно-оптические кабели, узкополосные светофильтры, поляризаторы, преобразователь светового потока в электрический сигнал, электрический прибор и самописец и источник светового сигнала, расположенный на дневной поверхности, снабженный набором узкополосных светофильтров и соединенный многоканальным волоконно-оптическим кабелем с двумя делителями светового сигнала, которые располагают на участке наблюдений, причем датчики напряжений выполнены из оптически активного материала с отражающей задней стенкой, а каждый оптический делитель светового сигнала одним из каналов двухканального волоконно-оптического кабеля через узкополосный светофильтр и поляризатор соединен с каждым датчиком напряжений, выход которого через второй канал двухканального волоконно-оптического кабеля соединен с другим оптическим делителем светового сигнала, выход которого посредством многоканального волоконно-оптического кабеля соединен с одним из входов преобразователя светового потока в электрический сигнал, расположенного на дневной поверхности, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, вход которого соединен с набором узкополосных светофильтров, а выход преобразователя светового потока в электрический сигнал соединен через усилитель со входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока аналоговой памяти, а выход блока сравнения соединен с входами блока индикации и электроизмерительного прибора с самописцем.

РИСУНКИ

Рисунок 1