Устройство для определения смещений слоев горных пород или элементов инженерно-строительных сооружений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики и контроля состояния приконтурного массива и анкерной крепи. Заявленное устройство содержит контрольные реперы, каждый из которых жестко закреплен на одном конце своей тяги, связывающей репер с измерителем его смещения, тяги выполнены в виде упругих стержней, на концах которых, противоположных закреплению репера, смонтированы магнитопроводы, при этом каждый магнитопровод установлен с возможностью свободного возвратно-поступательного перемещения по оси своей катушки индуктивности, размещенной в корпусе измерителя смещения реперов, включающего несколько, по числу реперов, катушек индуктивности. Выход измерителя смещения реперов связан с входом блока снятия и обработки информации. Сигнал с блока снятия и обработки информации выдается в цифровой форме, что позволяет подключить устройство непосредственно в компьютерную сеть. С целью расширения возможностей устройства, а именно возможности автоматизации процесса измерений, а также включения предлагаемого устройства в уже существующую систему контроля, выход блока снятия и обработки информации выполняют с возможностью подключения как к автономному накопителю информации, так и к автоматизированной системе управления процессами контроля. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения и регистрации смещений (сдвигов) слоев горных пород, элементов инженерно-строительных сооружений. Возможно применение изобретения в горной промышленности для диагностики и контроля состояния приконтурного массива и анкерной крепи, в том числе в составе автоматизированной системы дистанционного мониторинга выработок.

Уровень техники

Известно устройство для проведения наблюдений за сдвижением горных пород с помощью глубинных реперов (см. авторское свидетельство на изобретение №859815, МПК G 01 С 15/04, опубл. 30.08.81 г. Бюл. № 32), содержащее установленные в одной скважине на различных уровнях реперы, связанные посредством натянутых с помощью грузов проволок с отсчетной шкалой. Устройство позволяет получить информацию о состоянии нескольких пластов скважины одновременно, однако непосредственное визуальное наблюдение по отсчетной шкале требует непосредственного присутствия оператора, кроме того, надземная часть устройства представляет собой громоздкую металлическую конструкцию.

Известно устройство для определения деформации массива горных пород (см. патент на изобретение № 2193658, МПК Е 21 С 39/00, опубл. 11.27.2002), содержащее базовый репер со штоком с упорной шайбой на конце, в которую упирается шток герконового датчика линейных перемещений контрольного репера. Для осуществления контроля состояния нескольких слоев массива в скважине одновременно размещают несколько контрольных реперов с датчиками, упирая их один в другой. Устройство более компактно, при этом наличие вынесенного блока индикации снимаемой информации позволяет повысить оперативность контроля и безопасность связанных с ним работ. Однако это индикаторное устройство, позволяющее определить только критические величины деформации и не позволяющее осуществить непрерывные измерения.

Наиболее близким по технической сущности является устройство контроля состояния горных пород (см. авторское свидетельство на изобретение № 1373812, МПК Е 21 С 39/00, опубл. 15.02.88 г., бюл. № 6), включающее установленные в шпуре реперы, соединенные между собой штангой (тягой), на которой закреплен измеритель смещений реперов, выход которого соединен с входом блока преобразования сигнала и далее с блоками выборки и запоминания, управления, сравнения, вычислений, масштабирования, определения критических показаний и сигнализации. Наличие в устройстве блоков обработки информации, в том числе преобразования аналоговых сигналов, поступающих с измерителя смещений, в цифровую форму, позволяет повысить качество измерений. Недостаток устройства контроля по а.с. №1373812 состоит в отсутствии информации о состоянии промежуточных между контрольными реперами слоев скважины, что не позволяет выявить распределение максимумов расслоения контура выработки, обосновать рациональный выбор длины анкера и его закрепления, провести более точный анализ состояния слоев массива.

Раскрытие изобретения

Заявляемым изобретением решается задача расширения возможностей устройства, увеличения объема и качества получаемой информации за счет увеличения числа размещенных в одной скважине контрольных точек (реперов) и обеспечения непрерывности снятия показаний.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для определения смещений слоев горных пород или элементов инженерно-строительных сооружений, включающем реперы, тягу, связывающую репер с измерителем его смещения, выход которого связан с входом блока снятия и обработки информации, включающей преобразование сигналов в цифровую форму, согласно заявляемому изобретению каждый репер жестко закреплен на своей тяге, выполненной в виде упругого стержня, на одном ее конце, при этом на другом конце тяги смонтирован магнитопровод, установленный с возможностью свободного возвратно-поступательного перемещения по оси катушки индуктивности, размещенной в корпусе измерителя смещения реперов, включающего несколько, по числу реперов, катушек индуктивности.

В отличие от прототипа, в котором в качестве тяги используется жесткий металлический стержень - штанга, в заявляемом решении тяга выполнена в виде упругого стержня. При смещении слоя (элемента), в котором закреплен репер, происходит перемещение на аналогичную величину конца тяги, на котором закреплен указанный репер. По телу тяги механическое перемещение передается к магнитопроводу. При перемещении магнитопровода вдоль продольной оси катушки происходит плавное изменение напряженности магнитного поля внутри последней, следовательно, и индуктивности катушки, по показаниям которой определяется местоположение репера.

Вышеприведенная совокупность признаков, в том числе, конструктивное исполнение связи глубинных реперов с их индуктивными датчиками линейного перемещения позволяет получить новый технический результат, а именно обеспечить при многочисленной установке реперов в скважине точную и независимую передачу механического перемещения каждого репера к их измерительным датчикам без применения дополнительных приспособлений в условиях непрямолинейности скважины. При этом тяга обеспечивает передачу механических перемещений реперов к датчикам одинаково хорошо в обоих направлениях вдоль оси стержня тяги, независимо от вида положения скважины, в которой размещена тяга (горизонтально, вертикально вниз или вверх), что невозможно при применении тросовых или гибких проволочных тяг.

На практике трудно, практически невозможно, при установке реперов выдержать их прямолинейное расположение. При подготовке скважины или шпура, в который устанавливаются реперы, бур, в силу сопротивления грунта, отклоняется от перпендикулярной линии. Обычно получается ступенчатая по высоте и изогнутая на конце скважина. Известны решения, в которых в скважине размещают много контрольных реперов, например а.с. № 859815, однако для их связи с измерительным элементом, размещенным у поверхности, применяют гибкие тяги - проволоки, принимающие форму пространства скважины и не препятствующие друг другу в передаче механических перемещений реперов. Однако для обеспечения упомянутой передачи требуются специальные устройства натяжения проволок, т.к. последние обладают большой гибкостью и неспособны к самостоятельной передаче нагрузки.

В решении по патенту № 2193658 также возможна установка нескольких реперов. Однако они упираются друг в друга посредством жестких штоков датчиков, которые срабатывают при достижении смещением критической величины, при этом конструкция устройства не позволяет осуществить независимые количественные измерения по каждой точке.

Жесткие тяги самостоятельно обеспечивают точную передачу перемещений закрепленных на них реперов, однако они имеют ограниченное применение, например решение по а.с. № 1373812. Обычно они связывают только два репера: контрольный и базовый, относительно которого осуществляется измерение перемещения контрольного. При установке в скважине нескольких жестких тяг возможно заклинивание устройства, в силу изгибов, большой длины и незначительных диаметров скважин.

В заявляемом решении при многочисленной установке реперов тяги продольно размещаются в пространстве скважины, повторяя ее изгибы, и при этом не препятствуют друг другу в передаче перемещений, а упругость стержня каждой тяги позволяет передавать механическое перемещение от одного ее конца к другому несмотря на его (стержня) изгибы. Причем указанная передача осуществляется только посредством тяг без применения каких-либо дополнительных устройств. При этом обеспечена независимость каждой связи: репер - тяга, магнитопровод - катушка индуктивности друг от друга, что позволяет одновременно определять положение всех установленных реперов.

В устройстве также обеспечена возможность непрерывного получения информации о положении репера, т.к. в любой момент времени определена индуктивность катушки, которой соответствует только одно положение магнитопровода, совершающего беспрепятственное перемещение в случаях смещения репера.

За счет объединения в одном корпусе измерителя смещений нескольких датчиков (катушек индуктивности) достигается компактность устройства, удобство его монтажа и эксплуатации.

Анализ источников информации позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое устройство удовлетворяет признакам «новизна» и «изобретательский уровень».

Сигнал с блока снятия и обработки информации выдается в цифровой форме, что позволяет подключить устройство непосредственно в компьютерную сеть. С целью расширения возможностей устройства, а именно возможности автоматизации процесса измерений, а также включения предлагаемого устройства в уже существующую систему контроля, выход блока снятия и обработки информации выполняют с возможностью подключения как к автономному накопителю информации, так и к автоматизированной системе управления процессами контроля, включающей центральную ЭВМ. Например, выход может быть выполнен в виде унифицированного электрического разъема.

Современные технологии позволяют реализовать блок снятия и обработки информации на базе БИС, например на базе микропроцессора.

Предпочтительным является размещение блока снятия и обработки информации в объеме корпуса измерителя смещений, что упрощает устройство, повышает его технологичность и эксплуатационную надежность.

При проведении глубинных измерений и установке устройства в скважине измеритель с блоком снятия и обработки информации обычно располагается вне скважины, однако с целью обеспечения сохранности устройства может быть размещен в объеме скважины.

В качестве материала для изготовления тяг предпочтительно использовать материалы, усиленные высокопрочными непрерывными волокнами, т.е. волокнистые композиционные материалы, обеспечивающие за счет комбинации пропорций составляющих материалов требуемую прочность и необходимый модуль упругости.

В частном случае реализации тяги изготавливают из закаленного стеклопластика в виде цилиндрического стержня диаметром 3-4 мм, обладающего повышенной прочностью и надежностью. При очень маленьком диаметре указанный материал позволяет получить достаточно жесткую тягу, выдерживающую приложение большой нагрузки и одновременно легкую и упругую, что позволяет изготавливать тягу в виде единого стержня и сворачивать длинную тягу в кольцо при транспортировке. Таким образом, применение закаленного стержневого стеклопластика для изготовления тяг значительно повышает технологичность изготовления устройства и монтажа его в скважине. Кроме того, материал тяги плохо горит и слабочувствителен к воздействию внешней среды в диапазоне температур от -40 до +120 градусов Цельсия.

Целесообразным является размещение катушек индуктивности в сквозных параллельных проточках корпуса измерителя смещений. В этом случае магнитопроводы, выполненные в виде феррамагнитных стержней, являющихся продолжением тяг, имеют возможность свободного неограниченного перемещения по оси катушки индуктивности с выходом за пределы корпуса. Данное решение направлено на повышение надежности работы устройства, повышает наглядность восприятия информации и позволяет визуально определить величину смещения реперов в случаях непредвиденных больших смещений слоев, превышающих допустимый диапазон работы датчиков, или, например, в случаях выхода из строя электронной части устройства или автоматизированной системы. В этих случаях на феррамагнитные стержни наносятся цветные индикаторы или отсчетная шкала.

Устройство позволяет осуществлять в зависимости от технологических задач выбор базовой нулевой точки отсчета. В качестве «базы» может быть принят любой из реперов, а также жестко закрепленный на скважине корпус измерителя. Выбор осуществляет пользователь.

В частном случае реализации устройства корпус измерителя может быть закреплен в скважине посредством своего комплекта тяга-репер (прямое измерение). Однако такое решение не обеспечивает большой точности измерений.

В другом случае реализации устройства корпус измерителя может быть жестко закреплен посредством неподвижно смонтированного в нем одного из магнитопроводов.

Данное решение позволяет осуществить дифференциальный способ измерений, который обеспечивает более высокую точность измерений, чем при прямом методе.

Краткое описание чертежей

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами:

на фиг.1 представлена схема размещения устройства в контрольной скважине;

на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, показано взаимное расположение магнитопроводов, катушек индуктивности, размещение блока снятия и обработки информации в корпусе измерителя смещений реперов.

Осуществление изобретения

Устройство для определения смещений слоев массива горных пород или массива строительных объектов содержит (см. фиг.1) устанавливаемые в скважину 1 пружинные реперы 2, тяги 3 с магнитопроводами 4 и измеритель 5 смещения реперов, заключенный в герметичный цилиндрический выполненный из диэлектрического материала корпус. Вдоль продольной оси внутри корпуса расположены четыре цилиндрические катушки 6 индуктивности, длина намотки которых определяет диапазон измеряемых перемещений (на практике, диапазон измерений составляет 190% длины обмотки) (см. фиг.2). Для установки катушек в корпусе предусмотрено четыре сквозных отверстия 7. В отдельном отсеке внутри корпуса измерителя 5 смонтирован блок 8 снятия и обработки информации в виде электронной схемы, построенной на базе микропроцессора, вход которого связан с катушками 6 индуктивности.

Устройство может быть установлено как в имеющиеся скважины для анкерной крепи, так и в специально подготовленные шпуры. Монтаж и подготовку устройства к установке можно осуществить вне шахты, вне места применения.

На концы тяг 3, нарезанных из стеклопластикового прута необходимой длины, которая для каждой тяги определяется пользователем и соответствует глубине установки в скважине репера 2, а значит, и глубине залегания контролируемого слоя, наворачиваются феррамагнитные стержни магнитопроводов 4. Конструкция названных стержней такова, что они удерживаются на концах тяг с необходимым и достаточным усилием без применения специальных креплений, за счет эффекта «самореза». Длина стержней 4 в точности соответствует длине обмоток катушек 6. На другие концы тяг 3 закрепляют пружинные реперы 2. Собранные в пучок тяги 3 выравниваются по краям магнитопроводов 4, и на них надевается цилиндр корпуса измерителя 5, при этом магнитопроводы 4 и катушки 6 окрашены попарно в разные цвета и собираются соответственно. Сборку осуществляют таким образом, чтобы цилиндрические стержни 4 магнитопроводов свободно перемещались внутри соответствующей каждому катушки 6 по ее оси. Для удобства транспортировки собранного устройства к месту установки пучок тяг связывается и сворачивается в кольцо. В подготовленном виде устройство весит около 1 кг.

Установку устройства в скважину осуществляют следующим образом. Пучок тяг (в развернутом виде) вводится в объем скважины 1 до нужной глубины, удаляются предварительно надетые на реперы 2 фиксирующие кольца, при этом реперы 2 оказываются закрепленными внутри скважины 1 каждый в своем слое. Измеритель 5 смещений реперов, смонтированный на противоположном реперам конце тяг, также оказывается закрепленным в скважине на одном из комплектов тяга - репер, магнитопровод 4 которого вклеен в корпусе. (Возможно закрепление посредством своего комплекта тяга-репер, включенного в общий «пучок».)

Обычно корпус измерителя 5 располагается вне скважины 1 (см. фиг.1). Однако размеры корпуса составляют: длина 120 мм и диаметр 55 мм, что позволяет разместить измеритель 5 смещений реперов в объеме полости скважины (шпура) 1 с диаметром от 60 мм и выше с целью обеспечения защиты и сохранности устройства.

Устройство работает следующим образом. При перемещении слоя породы или элемента конструкции перемещается и закрепленный в этом слое репер 2. Вместе с репером 2 перемещается жестко связанная с ним пластиковая тяга 3, осуществляя перемещение на ту же величину стержня магнитопровода 4, закрепленного на другом ее конце и расположенного внутри катушки 6 датчика.

Электронная схема 8, размещенная в корпусе измерителя 5 рядом с катушками 6, возбуждает в обмотках последних импульсы электрического напряжения и измеряет время нарастания и убывания тока в обмотках катушек, пропорциональное их индуктивности, значение которой, в свою очередь, пропорционально напряженности магнитного поля внутри катушки. Любому положению магнитопровода внутри катушки 6 однозначно соответствует только одно значение времени изменения тока в обмотке. При перемещении магнитопровода 4 вдоль продольной оси катушки 6 изменяется напряженность магнитного поля внутри катушки и соответственно индуктивность, и время изменения тока в обмотке. На основании полученных величин времени процессор 8 блока снятия и обработки информации вычисляет положение магнитопровода с точностью до 0.1 мм согласно калибровочной таблице. Калибровочные таблицы для каждой катушки хранятся в электронной памяти блока. Далее блок 8 производит статистическую обработку измерений, учитывая взаимное влияние обмоток и магнитопроводов соседних катушек, воздействия внешних электромагнитных полей, а также компенсирует температурные погрешности измерительных элементов датчика. Рассчитанные величины линейных перемещений всех магнитопроводов 4 запоминаются в электронной памяти.

Устройство позволяет получить информацию о состоянии массива в нескольких слоях в пределах одной скважины - до четырех контрольных точек (реперов), число которых выбирается в зависимости от стоящих перед пользователем задач. Устройство осуществляет непрерывный прием и регистрацию информации в пределах заданного интервала (заданного длиной магнитопровода 4), при этом максимальная величина перемещения магнитопровода не ограничена. Только в случаях превышения смещения репера 2 заданного интервала величину определяет оператор посредством визуального наблюдения, возможность которого предусмотрена в устройстве. Благодаря выполнению сквозных отверстий 7 в корпусе измерителя 5, обеспечивается неограниченное движение магнитопроводов 4 и их вывод наружу, за пределы корпуса, а нанесенная на стержни магнитопроводов 4 индикаторная шкала 9 позволяет оператору определить величину произошедшего смещения.

Возможности устройства, в частности блока 8 снятия и обработки информации, с выхода которого выдается сигнал в цифровой форме, позволяют подключить устройство непосредственно в компьютерную сеть. Выход блока 8 снятия и обработки информации выполнен с возможностью подключения как к автономному накопителю информации, так и к автоматизированной системе управления сети, объединяющей другие устройства контроля состояния массива.

В первом случае предлагаемое устройство обеспечивает работу в автономном режиме, при котором контрольные данные накапливаются в электронной памяти и, по мере ее заполнения, осуществляется подключение выхода блока 8 к автономному накопителю 10 информации или же непосредственно к пульту управления оператора.

Во втором случае предлагаемое устройство позволяет включиться в уже существующую или же во вновь построенную автоматизированную сеть контроля состояния массива, объединяющую другие устройства контроля. Выход блока 8 подключается к контроллеру 11 сети (например, MidiLAN). Сохраненные в электронной памяти данные по запросу контроллера 11, осуществляющего периодический опрос всех датчиков сети в соответствии со своей программой, передаются по линии связи к нему, а затем во внешний компьютер или внешний накопитель для использования потребителем. Потребитель с пульта управления или с клавиатуры компьютера осуществляет задание базы (нулевой точки) отсчета, в качестве которой может быть выбран любой из реперов 2, в том числе и тот, на котором закреплен корпус измерителя 5, исходя из технологических задач. Возможности схемы блока 8 обработки информации позволяют перестроить сохраненные данные по отношению к заданной базе. MidiLAN контроллер сети или внешний накопитель могут быть подключены к Радиомодему или GSM-модему, что позволит получать информацию о состоянии всех подключенных к MidiLAN сети устройствах на любом удалении от контролируемого объекта, не подвергая опасности людей, технику и собранную информацию. К четырехпроводной линии связи MidiLAN могут быть подключены датчики (измерители) перемещений, источники питания, датчики температуры и другие устройства в неограниченном количестве, что позволяет объединить в одну сеть до скважин с устройствами контроля состояния заданного массива.

Электронная схема 8 блока снятия и обработки информации распознает стандарты обмена данными: RS-485, RS-232, что позволяет применять устройства в соответствующих сетях сбора и обработки информации. Устройство для определения смещений слоев может быть установлено в скважинах любого типа: горизонтальных, вертикальных, направленных как вниз, так и вверх.

1. Устройство для определения смещений слоев горных пород или элементов инженерно-строительных сооружений, включающее реперы, тягу, связывающую репер с измерителем его смещения, выход которого связан с входом блока снятия и обработки информации, включающей преобразование сигналов в цифровую форму, отличающееся тем, что каждый репер жестко закреплен на своей тяге, выполненной в виде упругого стержня, на одном ее конце, при этом на другом конце тяги смонтирован магнитопровод, установленный с возможностью свободного возвратно-поступательного перемещения вдоль оси катушки индуктивности, размещенной в корпусе измерителя смещения реперов, включающего несколько, по числу реперов, катушек индуктивности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход блока снятия и обработки информации выполнен с возможностью подключения как к автономному накопителю информации, так и к автоматизированной системе управления процессами контроля.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок снятия и обработки информации выполнен на базе микропроцессора.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок снятия и обработки информации размещен в объеме корпуса измерителя смещений реперов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тяги выполнены из волокнистых композиционных материалов.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что тяги выполнены из закаленного стеклопластика в виде цилиндрического стержня диаметром 3-4 мм.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катушки индуктивности размещены в сквозных параллельных проточках корпуса измерителя смещений реперов, при этом магнитопроводы выполнены в виде ферромагнитных стержней, являющихся продолжением тяг.

8. Устройство по п.7. отличающееся тем, что на ферромагнитные стержни нанесена индикаторная шкала для визуального наблюдения.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что при установке реперов в скважине измеритель смещений реперов размещен вне скважины.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что при установке реперов в скважине измеритель смещений реперов размещен в объеме скважины.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве базового выбран любой из реперов.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус измерителя смещений реперов жестко закреплен на скважине и принят в качестве базовой точки отсчета.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что корпус измерителя смещений реперов жестко закреплен посредством неподвижно смонтированного в нем одного из магнитопроводов.