способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах

Формула изобретения

Способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, в котором бурят шпуры, устанавливают в них датчики акустической эмиссии, сигналы с датчиков акустической эмиссии регистрируют и обрабатывают, по результатам обработки судят о прогнозе опасного состояния массива горных пород, характеризующийся тем, что обработку сигналов производят с применением анализа знаков вступления импульсов акустической эмиссии, и тем, что для каждого источника акустической эмиссии строят распределение знаков вступлений на стереографической проекции, и тем, что при выявлении закономерного группирования знаков вступления импульсов акустической эмиссии судят о наличии опасного состояния массива горных пород, определяют соотношение действующих напряжений, рассчитывают величины углов падения и простирания для опасных плоскостей и направлений, и тем, что по анализу распределения в объеме массива горных пород знаков вступления импульсов акустической эмиссии вычисляют координаты возможного горного удара или обрушения массива горных пород.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизическим исследованиям горных пород, в частности к способам контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, в котором бурят в горном массиве шпуры, устанавливают в них датчики акустической эмиссии, сигналы с датчиков акустической эмиссии регистрируют и обрабатывают, по результатам обработки судят о прогнозе опасного состояния массива горных пород, и может быть использовано в горнодобывающей промышленности, прокладке тоннелей и других подземных работах.

Известен способ контроля и определения координат обрушения грунтов, в котором располагают на поверхности грунтов датчики, сигналы с датчиков регистрируют и обрабатывают, по результатам обработки судят о прогнозе опасного состояния грунтов (см. описание к патенту на изобретение № 2355000, опубликовано 2009 г.). В нем в качестве датчиков используются гравитационные вариометры, а известный способ применятся для определения обрушения грунтов при землетрясении.

Недостатком данного решения является невозможность его использования для определения координат возможного горного удара или обрушения массива горных пород при подземных горных работах так, как шумы от работы горнодобывающей машины на порядки превышают уровень полезного сигнала.

Из уровня техники известен также способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, в котором бурят в горном массиве шпуры, устанавливают в них датчики акустической эмиссии, сигналы с датчиков акустической эмиссии регистрируют и обрабатывают, по результатам обработки судят о прогнозе опасного состояния массива горных пород, см. описание патента на изобретение № 2009528 опубликовано 1994 г.

В данном решении измеряют временную разность прихода волн от источника акустической эмиссии для определения координат опасного состояния массива горных пород. При этом для обуривания массива выбирают однородный его участок, при этом приемные датчики в скважинах размещают в углах тетраэдра и в его геометрическом центре, а расстояние между ними выбирают из определенного выражения.

Данное решение взято за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком данного решения является недостаточная точность и достоверность определения координат возможного горного удара или обрушения массива горных пород, связанная с тем, что есть сложности для поиска однородного участка массива горных пород, и сложности для размещения датчиков акустической эмиссии строго в углах тетраэдра и тем более в его геометрическом центре. Таким образом, для неоднородной поверхности выработки, для размещения датчиков акустической эмиссии в шахте, где идет горная выработка, данное решение не обеспечивает приемлемую точность и не может быть использовано.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, позволяющий, по меньшей мере, сгладить указанный выше недостаток.

Для достижения этой цели обработку сигналов производят с применением анализа знаков вступления импульсов акустической эмиссии. Для каждого источника акустической эмиссии строят распределение знаков вступлений на стереографической проекции. При выявлении закономерного группирования знаков вступления импульсов акустической эмиссии судят о наличии опасного состояния массива горных пород, определяют соотношение действующих напряжений, рассчитывают величины углов падения и простирания для опасных плоскостей и направлений. По анализу распределения в объеме массива горных пород знаков вступления импульсов акустической эмиссии вычисляют координаты возможного горного удара или обрушения массива горных пород.

Благодаря этому становится возможным определять границы предполагаемого разлома или обрушения или горного удара, при этом повысить точность и достоверность определения координат возможного горного удара или обрушения массива горных пород независимо от однородности выработки и места расположения датчиков акустической эмиссии.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

- фиг. 1 схематично изображает систему, реализующую способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, согласно изобретению;

- фиг. 2 схематично изображает в способе контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, двумерный пример построения разломно-плоскостной диаграммы по результатам регистрации знаков вступления для одного источника акустической эмиссии, согласно изобретению;

- фиг. 3 схематично изображает в способе контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах, двумерный пример прогноза ориентировки плоскости разрыва по разломно-плоскостным диаграммам, согласно изобретению.

Фиг. 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 "удлинителями" сети Ethernet.

Для безопасного и бесперебойного питания электрических элементов системы используется Сетевой Искробезопасный Источник Питания, (СИИП), на фиг.1 не показан.

На основании ряда исследований, в том числе выполненных авторами, известно, что перед наступлением горного удара, обрушения или иного крупномасштабного нарушения контура выработки, наступает синхронизация источников акустической эмиссии - знаки вступлений источников выстраиваются в виде закономерных линий или полей. Причем этой пространственной закономерности на предшествующих стадиях не отмечается, а знаки вступлений ориентированы хаотически. Однако, на стадии предшествующей событию образуются области с закономерной ориентировкой вступлений. По результатам трехмерного анализа распределения этих знаков, осуществляемого на стереографической проекции, определяется пространственное положение и элементы залегания (углы падения и простирания) плоскостей вероятного разрыва, направления опасных напряжений. Двумерная графическая иллюстрация такого определения представлена на фиг. 2 и 3. Знаком «треугольник» условно обозначено положение датчиков 1, ориентировка и знак «+» или «-» внутри треугольника обозначают знак вступления сигнала.

На практике способ реализуется следующим образом. На участке горного массива, в окрестностях выработки в которой ведутся работы по добыче или проходке, устанавливается система сейсмического мониторинга, включающая в себя совокупность трехкомпонентных датчиков 1 (велосиметров или акселерометров), системы оцифровки 2, 3, 4, 5 и 6 передачи 7, хранения и отображения полученных данных 8, 9 и 10. Система мониторинга непрерывно регистрирует импульсы акустической эмиссии, оперативно идентифицирует и оценивает координаты их источников. Для этих источников определяется знак вступления, строятся и анализируются временные последовательности изменений знака вступления, карты знаков вступлений, диаграммы распределений знаков вступлений, строятся разломно-плоскостные диаграммы Фиг 2 и 3. Так как в этом случае имеет значение не количество импульсов АЭ, а знаки их вступлений, для реализации прогноза достаточно небольшого количества зарегистрированных сигналов.

В соответствии с предложенным изобретением заявителем был апробирован предложенный способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах. При этом в качестве датчиков использовались откалиброванные датчики ускорения (акселерометры) lis302.

Измеряемые диапазоны: ±1g, ±2g

Чувствительность: 2 В/д

Выходное напряжение:+3.3 В

Дополнительно для испытаний использовался датчик метана ДМС 03.

В качестве электропитания использовались СИИП, которые имеют встроенную аккумуляторную батарею и обеспечивают 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 5Х2Х0.64, 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

В результате апробации способа было обнаружено, что изобретение позволяет:

- точно определить координаты возможного горного удара или обрушения массива горных пород независимо от однородности выработки и места расположения датчиков акустической эмиссии.

- достичь высокую точность и достоверность определения координат возможного горного удара или обрушения массива горных пород.