ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

В настоящее время в опасных по горным ударам Таштагольского рудника, Севере Уральского бокситового рудника и Норильского рудника, исследуется возможность автоматического контроля состояния массивов горных пород. В испытываемых системах заложены методы оценки скорости прохождения упругих волн и параметров акустической эмиссии. Передача информации о состояниях массивов горных пород, окружающих подземные выработки, на дневную поверхность земли осуществляется с помощью электрических кабелей связи.

Существующие представления о напряженно-деформированных состояниях пород основаны на сравнениях величин предельных прочностей пород с величинами возникающих в них под действием горного давления геомеханических напряжений. Используемые виды информации в испытываемых системах контроля содержат сведения о передаче механической энергии в массиве, но мало несут сведений о механизмах накопления потенциальной энергии в породах. По этой причине и из-за частотного совпадения полезных сигналов с промышленными помехами и помеховосприимчивости электрического кабеля связи испытания систем контроля могут оказаться недостаточно эффективными.

Геомеханические напряжения, возникающие в породах, связаны с их упругой деформацией, то есть с изменениями межатомных расстояний, породы состоят из различных кристаллических минералов, между атомами которых в основном преобладают ионные связи. Валентные электроны атомов, как известно, ответственны за их химические связи, следовательно, и за прочностные свойства пород. Переходы валентных электронов по энергетическим уровням атомов при их возбуждении влияют на оптический диапазон излучения и потенциальную энергию. Энергии граничных фотонов оптического диапазона, излучаемых при разрывах химических связей атомов, равны энергиям соответствующих основных их уровней. Поэтому регистрируемый диапазон фотонов, сопровождающий процессы возбуждения атомов и образования разрывов их связей, позволяет определять энергию ионных связей излучающей породы.

Объемная плотность энергии ионных связей любой породы пропорциональна ее предельной прочности при стационарном состоянии, а объемная плотность энергии возбужденных ионов (потенциальная энергия) пропорциональна геомеханическому напряжению.

На наложенных участках массива пород наблюдается постоянная фотонная эмиссия, которая возможна только при условии постоянного притока энергии. Породы "прозрачны" для квантов энергии ионных связей, за счет которых осуществляется перераспределение геомеханического поля напряжений, изменения последнего определяют частоту и интенсивность фотонной эмиссии.

Таким образом, величины параметров регистрируемой фотонной эмиссии и их изменения во времени характеризуют процессы накопления вредной энергии и величину геомеханического напряжения, сравнением которой с прочностью пород определяется удароопасность контролируемого массива пород. Поэтому информацию, получаемую путем регистрации фотонной эмиссии, можно отнести к качественно прямым измерениям интенсивности подготовительных процессов и процессов начала разрушения массива горных пород (…).

Для осуществления постоянного автоматического контроля состояний массивов пород может быть использована система с оптическими датчиками и со световодным волоконным кабелем передачи информации, отличающейся помехоневосприимчивостью.

На рис. 1 приведена блок-схема системы контроля с оптическим кабелем связи, которая содержит последовательно соединенные с помощью волоконно-оптического кабеля (ВОК) группу оптических датчиков (ОД) 1,2, … п , устройство объединения (УО) и квантово-электронный модуль передачи (КЭМпер ₂), последний соединяется с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), снабженной табло (…). На рис. 2 представлена блок-схема оптического датчика. Энергия оптического излучения преобразуется в фотодетекторе (ФД) в электрический сигнал. Сигнал после усиления (УС) и ограничения по спектру (ФНЧ) поступает на дискретиэатор (Д), который выполнен в виде электронного ключа, замыкаемого импульсами генератора тактовой частоты (ГТЧ). С выхода Д импульсы поступают на кодирующее устройство (КУ), где они подвергаются квантованию и кодированию.

Каждый закодированный отсчет в устройстве временного уплот­нения (УВУ) объединится с синхрогруппой, вырабатываемой под воздействием тактовой частоты в передатчике синхросигнала (ПерСС ₁).

Далее импульсная последовательность поступает на преобразователь кода (ПК), осуществляющий согласование уровней по мощ­ности между электрической и оптической схемами и формирующий им­пульсную последовательность, пригодную для передачи в линию.

В квантово-электронном модуле передачи (КЭМпер. ₁) осуществляется формирование линейного сигнала, который преобразуется из электрической формы в оптическую методом модуляции интенсивности оптической несущей. КЭМпер. ₁ состоит из полупроводникового источника излучения (ИЗЛ) с электронной схемой устройства возбуждения (УВ) и согласующего устройства (СУ) с разъемным соедините­лем. Оптический сигнал через СУ вводится в волоконно-оптический кабель.

На рис. 3 показана блок-схема устройства объединения. От i, 2, ..., п датчиков оптические сигналы по ВОК поступают на устройство объединения.

Оптический сигнал от каждого датчика через приемное СУ вводится в приемный квантово-электронный модуль (КЭМпер. ₁). Здесь сигнал преобразуется в электрическую форму, усиливается и направ­ляется на преобразователь кода (ПК). КЭМпер. ₁ состоит из согласующего устройства с разъемным соединителем полупроводникового фотодетектора (ФД) и малошумящего усилителя сигнала (мУС).

С выхода (мУС) электрический сигнал п -го датчика поступает на блок сопряжения передачи (БСпер.) и устройство выделения тактовой частоты (УВТЧ). ВБСпер. приходящий сигнал записывается в запоминающее устройство (ЗУ) с тактовой частотой выделяемой УВТЧ.

Считывание информации осуществляется импульсами считывания, приходящими с генераторного оборудования (ГО). Импульсы считывания поочередно поступают на блоки БСпер. с первого до п-го.

Таким образом, формируется цикл передачи, который завершается синхросигналом, вырабатываемым передатчиком синхросигнала .(Пер.СС ₂).

Считываемые импульсы объединяются в схеме объединения. Групповой сигнал преобразуется в линейный в (ПКпер.). Линейный сигнал поступает на КЭМпер. ₂, где преобразуется из электрической формы в оптическую и вводится в ВОК. На приемной стороне в КЭМпер. ₂ линейный сигнал преобразуется в групповой сигнал в ПКпер. и поступает на ЭВМ.

ЭВМ в соответствии с разработанной программой по значению цифрового сигнала на импульсных позициях датчиков делает вывод о напряженно-деформированном состоянии контролируемого массива горных пород.

Рис. 1. Блок-схема светотехнической системы

контроля состояний массива горных пород

Рис. 2. Блок-схема оптического датчика

Рис. 3. Блок-схема устройства объединения