Устройство для определения степени ударо- и выбросоопасности горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для оценки степени опасности участков горных выработок по динамическим явлениям типа горных ударов или внезапных выбросов угля, породы и газа путем регистрации импульсного излучения электромагнитных или упругих колебаний от образующихся под действием предельных напряжений трещин разрушения. Устройство содержит последовательно соединенные датчик акустической или электромагнитной эмиссии, предусилитель, аттенюатор, усилитель и измеритель пиковой амплитуды, а также формирователь импульсов и блок индикации. Новым является то, что устройство снабжено измерителем энергии, коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и микропроцессорным блоком. При этом выход усилителя соединен с первыми входами измерителя пиковой амплитуды, измерителя энергии и формирователя событий, выход которого подключен ко второму входу измерителя пиковой амплитуды и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого соединен с выходом коммутатора, первый и второй входы последнего подключены к выходам измерителя пиковой амплитуды и измерителя энергии соответственно, выход аналого-цифрового преобразователя подсоединен ко входу блока индикации через микропроцессорный блок, который соединен двусторонней связью с аттенюатором, усилителем, измерителем пиковой амплитуды, измерителем энергии, формирователем событий и коммутатором. 6 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для оценки степени опасности участков горных выработок по динамическим явлениям типа горных ударов или внезапных выбросов угля, породы и газа путем регистрации импульсного излучения электромагнитных или упругих колебаний от образующихся под действием предельных напряжений трещин разрушения в горных породах вокруг подземных выработок.

Известно устройство для определения степени удароопасности участков массива горных пород (авт. св. CCCР N 1421862, Е 2 С 39/00, 1988), содержащее последовательно соединенные датчик, предварительный усилитель, фильтр высоких частот, аттенюатор и усилитель, дав параллельных канала, в каждый из которых входят последовательно соединенные пороговый элемент, формирователь импульсов и счетчик, а также триггер, элемент ИЛИ и блок индикации. В этом устройстве производят счет количества N(A1) и N(A2) импульсов, превышающих по амплитуде два фиксированных порога А1 и А2, причем время наблюдения ограничивается достижением по любому из каналов заданной емкости счетчика N1 или N2. Определяют разность N (A2) и N1 (заполнение счетчика N1) или разность N(A1) и N2 (заполнение счетчика N2) и оценивают опасность по знаку этой разности: если знак положительный, то коэффициент b для степенной зависимости активности сейсмоакустических импульсов от амплитуды положительный и участок не опасен, если знак отрицательный, то коэффициент b отрицательный и участок опасен.

В указанном устройстве: фиксированные значения амплитудных порогов резко ограничивают область благоприятных условий эксплуатации устройства, отсутствие ограничения по максимальным амплитудам сигналов не позволяет производить селекцию высокоамплитудных промышленных помех, время набора информации не фиксированное, что не позволяет сопоставлять активность эмиссии на разных участках, оценка опасности только по знаку коэффициента b недостаточно достоверна.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения степени удароопасности горных пород по акустической эмиссии по авт. св. СССР N 1520243 Е 21 С 39/00, 1989, которое содержит последовательно включенные датчик, предусилитель, фильтр, усилитель, амплитудный селектор, а также формирователь, счетчики, делители, блок ввода числа импульсов, блоки сравнения, таймер, элементы И и ИЛИ, индикаторы. В этом устройстве определяют активность акустической эмиссии N(a1) и N(а2) на двух порогах а1 и а2 амплитудной селекции, по значениям N(а1) и N(а2) при заданном отношении а1/а2 оценивают показатель амплитудного распределения импульсов b, далее по активности акустической эмиссии на первом пороге N(a1) и показателю b определяют категорию удароопасности следующим образом: если N(а1) выше критического значения n1, то определяют степень удароопасности участка сравнением показателя b с его критическими значениями В1 и В2, причем если В1<b<B2, то участок относят к опасным (категория 2), а если b<B1, то участок относят к особо опасным (категория 1). При b>B2 участок считается неопасным (категория 2) (см. фиг.5).

Однако в этом устройстве: не задается верхнего порога амплитуды информативных сигналов, что не позволяет исключить влияние высокоамплитудных промышленных помех; сопоставление показаний счета ведется только на двух амплитудных уровнях а1 и а2 (по двум точкам показателя распределения b), что приводит к высокой погрешности вычисления параметра b; выбранное соотношение амплитуд а2/а1 является константой для данного прибора, и при изменении уровня амплитуд сигналов погрешность измерения сигналов различных динамических диапазонов будет разная; оценка категории удароопасности не предусматривает селекцию прохождения за время набора информации о состоянии массива случайных сигналов помех, приводящих к искажению результатов; использование одного параметра n1 в качестве критерия ухудшает достоверность и надежность прогноза, т.к. появляются случаи, когда степень удароопасности меняется от 3-й категории к 1-й без промежуточной стадии (см. фиг.5), что приводит к необоснованному завышению затрат на применение мер борьбы в неопасных участках.

Для повышения достоверности прогноза и определения степени ударо- и выбросоопасности горных пород предлагается устройство, содержащее последовательно соединенные датчик акустической или электромагнитной эмиссии, предусилитель, аттенюатор, усилитель и измеритель пиковой амплитуды, а также формирователь импульсов и блок индикации, снабженное измерителем энергии, коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и микропроцессорным блоком. При этом выход усилителя соединен со входами измерителя пиковой амплитуды, измерителя энергии и формирователя событий, выход которого подключен ко второму входу измерителя пиковой амплитуды и к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом коммутатора. Выходы измерителя пиковой амплитуды и измерителя энергии подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора, выход аналого-цифрового преобразователя подсоединен ко входу блока индикации через порты микропроцессорного блока, а микропроцессорный блок соединен двусторонней связью с аттенюатором, усилителем, измерителем пиковой амплитуды, измерителем энергии, формирователем событий и коммутатором.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 выходные сигналы датчика, аттенюатора и усилителя; на фиг.3 распределение счетов по амплитудным уровням; на фиг.4 принцип определения ударо- и выбросоопасности при двух порогах n1 и n2; на фиг.5 принцип определения удароопасности при одном пороге n1 (как в прототипе), на фиг.6 распределение счетов по энергетическим уровням. На фиг.4 и 5 обозначены: A амплитуда, N количество событий, n1 и n2 критериальные значения количества событий, полученные на этапе набора данных, B1, B2 критериальные значения амплитудного распределения импульсов, полученные на этапе набора данных, 1, 2, 3 степень опасности. Точками показаны результаты замеров, линиями показаны границы раздела между разными степенями удароопасности.

Устройство содержит (фиг.1) последовательно соединенные датчик 1, предусилитель 2, аттенюатор 3, усилитель 4. Выход усилителя 4 соединен со входами измерителя 5 пиковой амплитуды и измерителя 6 энергии, выходы которых присоединены ко входам коммутатора 7. Выход коммутатора 7 подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8. Выход усилителя 4 одновременно связан со входом формирователя событий 9, управляющего работой измерителя 5 пиковой амплитуды и работой АЦП 8. Сигнал в АЦП 8 отображается в цифровом виде на дисплее блока индикации 10 устройства через порты микропроцессора микропроцессорного блока 11. Каждый из вышеперечисленных узлов, кроме датчика, предусилителя АЦП и блока индикации, соединен сложными многопроводными связями с микропроцессорным блоком 11, построенным, например, на базе микропроцессорного комплекта К 1830 ВЕ31. Этот комплект имеет в своем составе стандартный набор функциональных узлов: сам микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), перепрограммируемую память программ, клавиатуру (на чертеже не показаны). Микропроцессорный блок 11 получает и посылает информацию на блоки устройства через стандартные порты микропроцессора, формирует временную диаграмму управления работой устройства, поддерживает обслуживание клавиатуры и блока индикации и интерактивный диалог с оператором на этапе ввода исходных параметров и выдачи результатов на компьютер с целью получения твердой копии (распечатки) результатов и(или) дальнейшей обработки программами высокого уровня на стадии отработки критериев. Также микропроцессорный блок 11 принимает информацию с АЦП 8.

Устройство анализирует два параметра процесса эмиссии: активность и показатель амплитудного распределения сигналов.

Устройство работает следующим образом. C помощью клавиатуры или введением списка параметров из памяти программ в микропроцессорном блоке 11 устанавливают исходные параметры регистрации в качестве действующих на время данных измерений. К этим параметрам относятся:
минимальный амплитудный порог регистрации сигналов Амин;
максимальная амплитуда выделяемых сигналов Амакс, при этом сигналы с амплитудой выше Амакс к рассмотрению не принимаются как неинформативные;
длительность Т единичного цикла накопления информации с промежуточной обработкой его результатов,
минимальный энергетический порог регистрации сигналов Емин;
максимальная энергия выделяемых сигналов Емакс, при этом сигналы с амплитудой выше Емакс к рассмотрению не принимаются как неинформативные;
время интегрирования τ;
количество С единичных циклов в одном измерении;
критерии оценки опасности по показаниям единичного цикла в виде предельной активности эмиссии n2 и n1 и предельных показателей амплитудного распределения В2 и В1, соответствующих 1,2 и 3 категориям опасности;
критерии оценки опасности по серии единичных циклов, в виде предельных значений k2 и k1 средней арифметической оценки категории из единичных оценок, полученных в серии, k2 (для 2-й категории) и k1 (для 1-й категории опасности).

При проведении оценки категории опасности с помощью измерения энергии импульсов эмиссии используют те же критерии n1, n2, B1, B2, k1, k2, что и при измерении пиковых амплитуд, но значения их другие по абсолютной величине.

Все перечисленные выше параметры устанавливают по результатам предварительных экспериментальных работ на шахтах данного бассейна и далее сохраняют постоянными в разных пунктах измерений.

Датчик 1 эмиссии устанавливают на контролируемом участке выработки, придают ему требуемую ориентацию и положение и включают режим измерения пиковой амплитуды при помощи клавиатуры микропроцессорного блока 11. При этом датчик 1 преобразует сигналы от источников, расположенных в зоне опорного давления выработки, в электрические колебания на рабочей частоте (фиг. 2а), которые после предварительного усиления в предусилителе 2 поступают на вход аттенюатора 3 (фиг.2б), а затем и усилителя 4 (фиг.2в), где происходит преобразование амплитуды сигнала, после чего формирователь событий 9 с помощью микропроцессорного блока 11 осуществляет селекцию сигналов по амплитуде, длительности и частоте следования. Формирователь событий 9 представляет собой компаратор с подключенными к нему несколькими счетчиками, сумматором и одновибратором (на чертеже не показаны).

Отобранные при помощи блока формирователя 9 в качестве информативных импульсные сигналы идентифицируют как отдельные события с характеристикой в виде пиковой амплитуды А и с выхода измерителя 5 через коммутатор 7 подают на АЦП 8, а затем в цифровом виде на микропроцессорный блок 11. Весь диапазон аплитуд регистрируемых сигналов от Амин до Амакс подразделяют на заданное число n>2 полос с нарастающим нижним уровнем Аi, где i изменяется от 1 до n. Нижний уровень первой полосы равен Амин, а верхний уровень n-й полосы равен Амакс (фиг.3). В микропроцессорном блоке 11 производят сравнение амплитуды А с порогом Аi каждой из n амплитудных полос. Результаты сравнения реализуют в виде прибавления единицы счета в один из n счетчиков количества событий Ni, превысивших уровень Аi. Счетчики событий организуются программно в ОЗУ микропроцессорного блока 11. На фиг.3 показано линеаризованное распределение пиковых амплитуд А сформированных импульсов событий по n амплитудным уровням. Аi пиковая амплитуда i-го импульса события, попавшие в i-й амплитудный уровень и сосчитанная i-м cчетчиком как событие Ni.

По окончании заданного интервала времени наблюдения Т производят расчет в микропроцессорном блоке 11 показателя амплитудного распределения b и осредненного значения Nс активности эмиссии на пороге Амин по n парам значений порога Аi и соответствующего ему количества зарегистрированных событий Ni.

Если при регистрации излучения счет событий Ni фиксируется более чем в 3 амплитудных полосах, то оценку ударо- или выбросоопасности ведут в режиме измерения пиковой амплитуды, как описано выше. В случае если события фиксируются в трех и менее полосах, т.е. при низкой дифференциации сигналов по амплитудам, с помощью клавиатуры микропроцессорного блока 11 переводят устройство в режим измерения энергии. При этом сигнал с выхода усилителя 4 поступает на вход измерителя пиковой амплитуды 5, измерителя энергии 6, выходы которых присоединены на вход коммутатора 7. Выход коммутатора 7 подается на вход АЦП 8. Однако при работе в режиме измерения энергии коммутатор 7 пропускает сигнал на вход АЦП 8 только от измерителя энергии, представляющего собой интегратор с заданным временем интегрирования t и с ключом управления от микропроцессорного блока 11. За заданное время Т формируется T/τ количество событий, которые и распределяются по энергетическим уровням Еi в соответствии с фиг. 6 аналогично распределению пиковых амплитуд (фиг.3). Затем отобранные измерителем 6 информативные сигналы с выхода АЦП 8 поступают в микропроцессорный блок 11, где производится сравнение энергии Е cигнала с порогом Ei каждого из n энергетических уровней. Результаты сравнения обрабатываются так же, как в режиме измерения пиковых амплитуд.

По окончании интервала времени Т производят расчет показателя распределения энергии b и осредненного значения Nc активности эмиссии на пороге Ec по n парам значений порога Ei и соответствующего ему количества зарегистрированных событий Ni (фиг.6).

Выбор того или иного режима измерения для оценки степени ударо- и выбросоопасности горных пород (по пиковой амплитуде А или по энергии сигналов Е) производится в зависимости от степени дифференциации входного сигнала: если она недостаточна для выделения отдельного события и отнесения его к какому-либо амплитудному уровню, то переходят на регистрацию искусственно сформированных событий с последующим их отнесением к тому или иному энергетическому уровню, что позволяет выделить аномалии напряженного состояния по медленно меняющимся сигналам.

Далее значения Nc и b сравнивают с критериями опасности (фиг.4) и определяют категорию опасности участка из условия:
если Nc<n2 при любом b или Nc>n2, b>B2, то оценка "неопасно" (категория 3);
если n2<Nc<n1, b<B2 или Nc<n2, B1<b<B2, то оценка "опасно" (категория 2);
если Nc>n1, b<B1, то оценка "повышенная опасность" (категория 1).

При проведении серии наблюдений в одном измерении (С>1) численные значения категорий ударо- и выбросоопасности, полученных по единичным циклам, суммируют и по окончании измерения устройство производит расчет среднего арифметического значения (k) оценки и сравнивает его с критериями: если k<k2, то оценка "неопасно" (3-я категория), если k2<k

Использование устройства в отличие от прототипа и других устройств аналогичного назначения значительно повышает надежность и достоверность прогноза и оценки ударо- и выбросоопасности горных пород и позволяет подбирать оптимальные значения параметров измерения (Амин, Амакс, Т, С, n1, n2, B1, B2, к1, к2) в широком диапазоне и изменять их по необходимости непосредственно в шахте применительно к разным горногеологическим и горнотехническим условиям, а также производить в автоматическом режиме измерение при выбранных оптимальных значениях параметров, предусматривающее селекцию помех, накопление информации, ее анализ и выдачу конечного результата оценки в виде категории опасности непосредственно в шахте без участия оператора в расчетах. Кроме того, использование изобретения повышает точность определения показателя амплитудного распределения b и осредненной активности Nc за счет увеличения количества сопоставляемых уровней оценки активности эмиссии до n>2, причем для оценки этих параметров могут быть заданы разные варианты аппроксимации распределения, в зависимости от заложенной программы обработки (линейная, степенная, экспоненциальная и т.д.), позволяет повысить надежность и достоверность разделения опасных участков от неопасных и особоопасных за счет введения двойной градации критерия предельной активности (наряду с n1 вводится его меньший уровень n2), что позволяет дифференцировать объем и стоимость затрат на меры по приведению участка в неопасное состояние.

Изобретение также дает возможность автоматически производить серию замеров и оценивать категорию опасности по соотношению оценок категорий для единичных отчетов в серии, что значительно увеличивает достоверность принимаемой информации за счет отсеивания случайных помех.

Формула изобретения

Устройство для определения степени ударо- и выбросоопасности горных пород, содержащее последовательно соединенные датчик акустической или электромагнитной эмиссии, предусилитель, аттенюатор, усилитель и измеритель пиковой амплитуды, а также формирователь событий и блок индикации, отличающийся тем, что оно снабжено измерителем энергии, коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и микропроцессорным блоком, причем выход усилителя соединен с первыми входами измерителя пиковой амплитуды, измерителя энергии и формирователя событий, выход которого подключен к второму входу измерителя пиковой амплитуды и к второму входу аналого-цифрового преобразователя, первый вход которого соединен с выходом коммутатора, первый и второй входы последнего подключены к выходам измерителя пиковой амплитуды и измерителя энергии соответственно, выход аналого-цифрового преобразователя подсоединен к входу блока индикации через микропроцессорный блок, а последний соединен двусторонней связью с аттенюатором, усилителем, измерителем пиковой амплитуды, измерителем энергии, формирователем событий и коммутатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6