автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка метода и устройства непрерывногоконтроля напряженного состояния удароопасныхпластов на основе оптических и волоконно-оптическихэлементов

ГГо од

2 1 ДЗГ 2Ж)

!!а планах рукописи

Янина Татьяна Ивановна

Разработка метода и устройства непрерывного контроля напряженного состояния удароопасных пластов на основе оптических и волоконно-оптических

элементов

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы

горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2000

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Дырдин Валерий Васильевич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Просгов Сергей Михайлович;

кандидат технических наук, с.н.с. Лазаревич Тамара Ивановна Ведущая организация: Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности.

Защита состоится ? ¿000 в /Лес час. на

заседании диссертационного Совета Д.063.70.02 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета. Автореферат разослан Л сионл. л ооо

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.С. ТАШКИНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из причин возникновения аварийных ситуаций при ведении горных работ являются опасные проявления горного давления, отрицательно влияющие на технико-экономические показатели работы шахт и повышающие уровень производственного травматизма. В настоящее время в связи с переходом горных работ на более глубокие горизонты, вовлечением в разработку пластов и месторождений с неблагоприятными горногеологическими условиями, выемкой полезных ископаемых из целиков, увеличением нагрузки на очистной забой. Проблема контроля изменения напряженного состояния горных пород приобретает особую актуальность. Решение этой проблемы во многом зависит от того, насколько оперативно осуществляется такой контроль. Существующие в настоящее время методы, вследствие высокой трудоемкости и сложностей в организации непрерывного контроля за йзменением напряженно-деформированного состояния массива горных пород на больших площадях и во времени, не могут являться базовой основой методов и систем непрерывного контроля.

Одним из методов контроля изменения напряженного состояния массива горных пород является метод фотоупругих датчиков. Данный метод обладает достаточно высокой чувствительностью к изменению напряжений в массиве. Однако обычные методы контроля с помощью фотоупругих датчиков требуют постоянного визуального контроля и высокой квалификации оператора для достоверной обработки и интерпретации результатов. -

Создание системы непрерывного контроля изменения, напряженного состояния массива горных пород на основе явления фотоупругости расширит возможности шахтных служб прогноза и повысит безопасность горных работ.

Таким образом, разработка оперативного метода контроля опасных проявлений горного давления при подземной разработке полезных ископаемых на основе фотоупругих датчиков является научной задачей, имеющей важное социальное и экономическое значение.

Диссертация отражает результаты исследований, выполненных в период с 1985 по 1999г. в Кузбасском государственном техническом университете в рамках государственных и отраслевых комплексных программ и постановлений ОЦ 009ГКНТ СССР 1981-1990 гг. (этап "Разработать, создать и внедрить средства контроля за состоянием массива", приказ МУП СССР от 15.02.81), ГКНТ №56 от 10.03.86 (п.6 "Разработать систему геомеханического обеспечения горных работ при комплексном освоении недр, создать методы оценки со-

стояния массива и геомеханические модели месюрождений"), МП-21Г (" Рзз-ряботятн и рнйдпить г.паг.пбы и срелствз прогнозирования и поедотвоашения горных ударов", в рамках программы "Уголь Кузбасса", являющейся частью региональной программы "Сибирь" в соответствии с постановлением ГКНТ СССР И: Президиума АН СССР от 13.07.84).

Цель диссертации - разработка метода и устройства непрерывного контроля напряженного состояния краевых зон угольных пластов с дневной поверхности на основе волоконно-оптических элементов, обеспечивающих оперативность получения информации для решения важных прикладных задач при подземной разработке месторождений и повышения безопасности горных работ.

Основная идея работы заключается в использовании явления фотоупругости для установления закономерностей изменения интенсивности оптиче-...ского сигнала, прошедшего через оптически активный датчик, размещенный в " краевой зоне массивов горных пород, и связанный с дневной поверхностью с ^помощью волоконно-оптических узлов, для оценки их напряженного состояния и контроля подготовительных стадий опасных проявлений горного давления.

Задачи исследований

Разработать экспериментальную установку для исследования зависимо, сти интенсивности светового сигнала от напряженного состояния материала . фотоупругого датчика, установить связь между интенсивностью светового сигнала и напряжением.

Для системы непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород создать делитель светового сигнала на основе пленарных вол-нрводов, для чего изучить оптические параметры волноводных структур (профиль показателя преломления, дисперсию), химическую устойчивость, процессы старения.

Разработать методику непрерывного контроля напряженного состояния маседва горных пород на основе волоконно-оптических элементов с дневной поверхности.

Методы и объекты исследования

Методическую основу исследований составляет комплексный подход к изучению взаимосвязи параметров светового сигнала, прошедшего оптически активный датчик, с механическими напряжениями массива, в котором он уста. новлен. Такой подход включает обзор и анализ литературных данных, проведение лабораторных экспериментов,, инструментальных измерений, анализ н научное обобщение выполненных исследований для получения надежной ин-

формации С НЗПрЯЖЭННО" СОСТОЯНИИ МАССИВОВ ГОрКН* """"

ектами исследования являются: каменные угли и вмещающие горйые породы

месторождений Кузбасса, оптически активные материалы для фотоупругих датчиков, волноводные и волоконно-оптические элементы. Выбор объектов обусловлен актуальностью решаемых вопросов для угольных месторождений.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Между изменением механических напряжений в фотоупругом датчике, возникающих при его нагружении, и интенсивностью светового сигнала, прошедшего оптически активный датчик и анализатор, существует количественная связь, близкая к линейной, которая нарушается при значениях нагрузки, близких к критическим для горных пород. При этом изменение относительной интенсивности светового сигнала в области линейной зависимости составляет от 15 до 25 % в зависимости от материала датчика.

2. Формирование делителя светового сигнала осуществляется на базе пленарных волноводов методом низкотемпературной диффузии из расплава солей с помощью маски, при этом прирост показателей преломления для калиевых волноводов составляет 0,006 , а максимальный - 0,2 для таллиевых, дисперсия показателей преломления на поверхности отличалась от дисперсии исходного стекла на 0,0005 для калиевых и 0,028 - для талпиевых волноводов, что обеспечивает надежное разделение сигнала по датчикам из волоконно-оптического кабеля. ■ - ,, •

3. Методика контроля напряженного состояния массива горных пород на основе волоконно-оптических элементов, отличающаяся тем что непрерывность контроля достигается с помощью источника светового сигнала, установленного на дневной поверхности, соединительного волоконно-оптического кабеля, делителя светового сигнала и пыленепроницаемого блока сопряжения оптического волокна с фотоупругим датчиком, объединяющего световоды ввода и вывода сигнала, поляризатор, анализатор и светофильтр, при этом изменения напряженного состояния в массиве горных пород вызывают соответствующее изменение величины механических напряжений в датчике, которое приводит к изменению интенсивности светового сигнала и включению блоков регистрации и оповещения.

Научная новизна работы заключается:

• в определении зависимости относительной интенсивности, светового сигнала, прошедшего оптически активный датчик, установленный в краевой

зоне массивов горных пород от механических напряжении; .....

в установлении прироста показателей преломления, глубины, химмче-

ЛI/I~.fi ВЛ Пи.ЛВЛ П илгл ЛПЛЯ ПЛ'З! ! ¡И'7 ГТ1"* п Чп?^ ПОПМТОПМ ГОй.

ЧмЛц^п Ш1 V | (ммыШ. ! и I?!

тового сигнала на базе пленарных волноводов для одновременного получения информации с группы датчиков, установленных в разных точках массива;

в разработке методики сопряжения делителя светового сигнала с фотоупругим датчиком, позволяющей установить; конструктивные.; особенности скважинного блока системы. -

Достоверность научных положений, выводов, сформулированных' в работе, базируется на использовании апробированных методик, обширном экспериментальном материале, полученном в лабораторных условиях путем применения комплекса оптических и инструментальных методов и поверенной аппаратуры, данных лабораторного моделирования, основанных на положениях классической механики и оптики, и выполненным с применением вычислительных средств, соответствии теоретических представлений результатам экспериментальных исследований.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения характеристик светового сигнала оптически активным материалом датчика, получении и установлении конструктивных особенностей оптических и волоконно-оптических элементов, рарширяющих и углубляющих известные представления о контроле геомеханических процессов на основе явления фотоупругости.

Практическая ценность работы заключается в разработке устройства, позволяющего осуществлять непрерывный контроль с поверхности за подготовительными стадиями опасных проявлений горного давления на значительных площадях, принимать на этой основе соответствующие технические и технологические решения, обеспечивающие повышение безопасности горных работ.

Использование и внедрение результатов работы. Разработаны «Методические указания по непрерывному контролю напряженного состояния массива горных пород на основе волоконно-оптических элементов с дневной поверхности", согласованные с ВНИМИ и утвержденные ... ЗАО «ОБЛКЕМЕРОВОУГОЛЬ». Получен патент РФ №2134783, Е 21 С 39/00. «Устройство непрерывного контроля напряженного состояния и степени ударо-опасности краевых зон массива горных пород».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на конфе-

ренциях:«воздействи.е ионизирующего излучения и света на гетерогенные -V ВСССС"С?НОГО - if£»jononn IQfifi еНепаЯСУШЯЮШИб

физические методы и- средства контроля» Всесоюзной научно-технической конференции - Екатеринбург, 1989; «Молодые ученые Кузбасса - народному хозяйству» Областной научно-практической конференции, 1990; « Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных - регионах, 1994, «Радиационные гетерогенные процессы» Vl-ой научной конференции, 1995, «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Уголь,и углепродукты)» III Международной научно-практической конференции г. Кемерово, 1999.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 научных работах, включающих патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 173 наименований; содержит 149 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 3 таблиц.

Основное содержание работы Состояние исследований по проблеме контроля напряженного состояния массива горных город и проявления горного давления при подземной разработке месторождений каменных углей

Очистные и подготовительные работы нарушают естественное состояние массива горных пород, в результате чего в угольных пластах активизируются геомеханические процессы, такие как расслоение, зависание и обрушение пород кровли, раскрытие существующих и образование новых систем трещин, пучение почвы и т.д. Деформации упругого сжатия пород и угля сопровождаются накоплением потенциальной энергии, вследствие чего происходят горные удары, внезапные выбросы угля и газа, обрушения кровли, представляющие наибольшую опасность для жизни горнорабочих и нормального функционирования призабойных машин и механизмов, а также являющиеся основной причиной, определяющей уровень производственного травматизма при подземной разработке месторождений каменных углей и нарушающей нормальный ход технологического процесса.

Анализ динамических проявлений горного давления на угольных шахтах позволил определить, что основными причинами их возникновения являются возрастающая глубина горных работ, увеличение числа комплексно-механизированных очистных забоев со сложными горно-геологическими условиями, наличие в кровле пластов прочных монолитных пород, воздействие

КрЗвЗЫХ Чди|£г1 И ЦвЛйКСБ СМеЖпЫХ ПЛаСТСБ, 5Х0ДЯЩИХ Б СЕИТу. ¿¿ЗДЗЧЗ Г!р6=

дотврашения динамических проявлений горного давления и снижения травматизма предполагает разработку методов, позволяющих осуществлять оперативный и непрерывный контроль за геомеханическим состоянием массива.

Результаты исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород и физических процессов, протекающих в нем при разработке угольных месторождений, отражены в работах ученых: С.Г.. Авершина, И.В. Бакпашова, Я.А. Бича, Б.Т. Глушко, Г.И. Грицко, Н.Г. Дубынина, В.В. Дыр-дина, Егорова П. В, А.А Журило, В.В. Иванова, Г.Н. Кузнецова, Г.А. Каткова, Г.И.. Кулакова, М.В. Курлени, Т.И. Лазаревич, В.И. Мурашёва, Г.Я. .Новика, В.Н. Опарина, И.М. Петухова, С.М. Простова, Е.Л Счастливцева , Б.Г. Тарасова, А.И. Шиканова, В.В. Ходота, С.А. Христиановича, Г. Галана, Г. Панде и др. * Для оценки напряженного состояния массива и прогноза проявления горного давления применяются геофизические методы, их отличает высокая оперативность при незначительной трудоемкости, возможность проведения измерений на больших базах при наличии контакта с массивом, без него и даже без нарушения состояния массива.

Наибольшее применение на угольных и рудных месторождениях получили сейсмоакустический, ультразвуковой, сейсмический, акустический (звукометрический), магнитометрический, радиометрический, электромагнитный, электрометрический, оптические (метод фотоупругих датчиков) методы.

На угольных месторождениях нашли применение при текущем прогнозе удароопасности сейсмические и электрометрические методы, удовлетворяющие,основным требованиям в отношении оперативности и большой базы измерений, получившие развитие в настоящее время во ВНИМИ.ИГД им. А.А.Скочинского, МГГУ, ИГД СО АН РФ, МГУ, КузГТУ, ППИ и других научно-исследовательских институтах.

Все перечисленные методы позволяют контролировать напряженное состояние участков пластов, но требуют непосредственного присутствия оператора в контролируемой горной выработке. Учитывая ограниченную возможность передвижения по горным выработкам, шахтная служба прогноза не в состоянии охватить наблюдениями большие участки, поэтому какие-то выработки выпадают из ее поля зрения, что не способствует повышению техники безопасности.

Для прогноза горных ударов, внезапных обрушений кровли и других опасных проявлений горного давления необходимо осуществлять непрерывный контроль за изменением напряжений в краевых зонах во многих точках разра-

батывазмого массива одновременно..

ПрИ«екен1».е ^г*.г?^р^т«.?г>.и '/лит^лпа ЛЯ?4! МУЛС^Т

шахтных служб не только в плане обеспечения безопасности, но и в плане своевременного принятия соответствующих технологических решений: усиления крепи или регулирования режима ее работы, искусственной разгрузки или упрочнения краевых зон массива, .

Среди методов контроля, измеряющих величину напряжений и их изменение с течением времени, наибольшего внимания заслуживает метод фотоупругих датчиков, на основе которого может быть разработана аппаратура непрерывного контроля за опасными проявлениями горного давления. Система будет иметь ряд преимуществ перед известными. В частности, система, разработанная на основе волоконно-оптических элементов, не требует искро- и взрывобезопасного исполнения; упрощает процесс расчета механических напряжений; позволяет повысить надежность, помехоустойчивость, быстродействие контроля, кроме этого, метод фотоупругости теоретически .и экспериментально хорошо изучен.

Метод фотоупругости позволяет получить распределение и величину напряжений в массиве горных пород с выработками различного назначения.

Интенсивность света I, прошедшего фотоупругий датчик, определяется формулой I = ка^пгеэт^яГ/Х), где к - коэффициент пропорциональности, а -амплитуда колебаний поляризованного луча, 8 - угол между плоскостью колебаний лучей в поляризаторе и направлений одного из главных напряжений в датчике, Г = СЩагог) - разность хода лучей в датчике, Я - длина волны применяемого света, С - относительный оптический коэффициент напряжений, с! -толщина датчика; (стгог) - разность главных напряжений.

Из формулы видно, что картина будет меняться в зависимости от механических напряжений, приложенных к датчику, это дает основания для использования датчиков в системах непрерывного контроля. Данную информацию в настоящее время получают с помощью полярископов путем индивидуальных замеров операторами интерференционной картины на каждом датчике при их последовательном обходе.

Экспериментальные исследования в лабораторных условиях по разработке устройства контроля напряженного состояния пород на основе оптических элементов ...

Основу исследований составляет, изучение связи оптических параметров светового сигнала с механическими напряжениями, который предусматри-

взйт получение нздежнои инфор.мзции о напряженном состоянии гизсоивз горных порол по изменению относительной интенсивности опорного сигнала, и включает разработку лабораторной установки, методику шахтного эксперимента.

Моделирование напряженного состояние массива горных пород осуществлялось рычажным прессом типа УМ-5, протарированного динамометром ДОСМ-3. Для измерения деформации образца в процессе нагружения использовался индикатор часового типа.

В качестве фотоупругих датчиков использовались образцы из оптически активных материалов: кубики из оргстекла и эпоксидной смолы, пластины из оптических силикатных стекол и фотоупругие датчики. Для изучения работы лабораторной установки из исследуемых пород изготавливались образцы в виде кубов и пластин прямоугольной формы, в середине которых располагалось отверстие, совпадающее по размерам с фотоупругим датчиком. Основные исследования на лабораторной установке проводились в проходящем свете при одноосном сжатии датчика из оптически активного материала плоским индентором при давлении до 8 МПа. Световой сигнал от источника через волоконно-оптический кабель, осуществляющий связь с участком наблюдения, с помощью блока сопряжения, включающего поляризатор, оптический фильтр, собирающую линзу, падает на датчик из оптически активного материала. За счет поворота плоскости поляризации светового сигнала материалом датчика, который становится оптически активным при нагружении прессом, свет, прошедший анализатор, расположенный за датчиком, меняет свою интенсивность I. Интенсивность света, прошедшего анализатор, фиксировалась с помощью кремниевого фотоэлемента ФЭК и регистрировалась универсальным цифровым прибором. Базовый сигнал 1о регистрировался при прохождении света в установке, когда на датчик не подавалась нагрузка.

В ходе исследований была изучена зависимость изменения интенсивности светового сигнала относительно базовой величины Шо в зависимости от напряженного состояния образца а (рис.1). В частности, изменение относительной интенсивности для датчиков из оргстекла достигает 20 %.

Эксперимент показал работоспособность установки, но при ее работе в шахтных условиях возникнет ряд трудностей, например, таких - для снятия информации с торца датчика необходимо дополнительно в скважину ввести волоконный кабель, для чего нужно либо делать продольный пропил в материале датчика, либо увеличивать диаметр скважины, что приведет к проблемам решения связи датчика с массивом горных пород.

Рис. 1. Изменение относительной интенсивности оптичеекоп сигнала, прошедшего через

•о

£ 0,8

Ц 0,9

о

датчик а) из оргстекла толщиной 30 мм, б) из оптического стекла толщиной 5 мм при одноосном сжатии

0,7

0,6

0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 а. МПа

Для контроля напряженного состояния участков массивов горных пород, где невозможно пробурить сквозные шпуры, была проведена модернизация установки. В модернизированной установке контроль за изменением напряженного состояния производится оптически активными датчиками отражательного типа, что при прочих равных условиях увеличивает чувствительность установки в два раза.

Для уменьшения габаритов модернизированной установки в качестве приемника-преобразователя светового сигнала в электрический использовались фоторезисторы ФСД из селенида кадмия и ФСК из сернистого кадмия, наиболее чувствительные в видимой части спектра, а в качестве источника светового сигнала использовались светодиоды с узкой полосой испускания в красной АЛ .102 (Б) и в зеленой АЛ 102(В) областях спектра, которые обеспечивали яркость не менее 40 кд/м2. Эффективность ввода излучения светодио-дов достигалась использованием специальных волоконных кабелей, при этом френелевские потери на отражение от торца, сравнимы с потерями от лазерного источника, т.е. 0,5 дБ.

Такая установка позволяет не только контролировать изменение напряженного состояния массива горных пород, но и определять направления квазиглавных напряжений в породе. Такие измерения производятся путем визуального изучения интерференционной картины, получаемой с фотоупругого датчика по известной методике.

Для решения поставленной задачи необходимо было выбрать волоконные кабели, в которых не происходит деполяризации света, либо она мала. Таким требованиям отвечают градиентные волноводы цилиндрической формы, в них показатель преломления в поперечном сечении изменяется непрерывно.

Устройство непрерывного контроля, работающее с несколькими датчи-

иа&ям в'.'пц^.исат «тппк'.'Л va пал аЛПЛ^ЛииЛ.ЛЛТмиРГММУ УЯ^ОПРИ Р.оц^у Л.Ш'МПЙ R

несколько километров. С целью снижения стоимости системы, обеспечения оперативной замены ее узлов, целесообразно ввод-вывод светового сигнала с дневной поверхности в шахту и обратно производить с помощью одной пары волоконно-оптического кабеля, а сбор информации с разных датчиков вести по дополнительным световодам малой длины, сопряженных с волоконно-оптическими кабелями с помощью делителя светового сигнала на основе пленарного волновода. В опубликованных работах не содержится данных по созданию пленарных волноводных структур с оптическими параметрами, соответствующими поставленной задаче.

:. Экспериментальные исследования по выбору оптимальных параметров пленарных волноводов для создания делителя светового сигнала в устройстве непрерывного контроля

В качестве подложки для пленарных волноводов использовались оптические стекла отечественных марок. В качестве ионов-диффузантов использованы катионы калия, таллия, серебра и рубидия из расплавов неорганических солей. Метод ионообменной диффузии из расплавов солей дает возможность создавать элементы различной конфигурации, в том числе направленные от-ветвители - делители светового сигнала. В ходе эксперимента были получены волноводы при температурно-временном диапазоне формирования для K-, ТI-Ag-волноводов по Тформ - от 380 до 450° С, по 1ф0рм. - от 0,25 до 8 часов, для Rb-волноводов по Т форы. от 500 до 5500 С по t ф0РМ. - от 0,5 до 20 часов.

Оптические параметры волноводов изучались нераэрушающим методом резонансного возбуждения волноводных мод с помощью призменного ввода-вывода светового излучения. Погрешность измерений по показателю преломления составляла 1*10-4.

Результаты исследования кинетики формирования волноводов показали возможность использования экспериментально найденной зависимости показателей преломления волноводной структуры коэффициента диффузии, температуры и времени формирования.

Анализ полученных данных подтверждает, что заданные оптические параметры волноводов можно получить путем варьирования таких факторов как "стекло-подложка", содержание солевой ванны, температурный и временной диапазоны. При этом были проведены эксперименты и получены данные, по-

звсляющие корректировать оптические параметры волноводов, методом иго-

Рис. 2. Изменение показателя преломления серебрянного волновода по глубине;

1- исходный образцец;

2- после отжига при Тотж =300° С, = 30 м ин;

3- после отжига при Тотж =300° С; итж =180 мин.

пг^бвд ММ '

Для обеспечения долговечности и надежности функционирования систем контроля была изучена степень агрессивности шахтной среды, с этой целью были изучены кислотность (рИ) шахтных вод, углей, вмещающих пород. Образцы были отобраны в различных лавах и на различных горизонтах шахт: "Полысаевская" Ленинского, "Северная" . Кемеровского, "Центральная" и "Ноградская" Прокопьевского месторождений каменного, угля. Их анализ показал, что исследованные шахтные воды относятся к слабощелочным растворам с рН от 7,1 до 10,1.

Исследования химической устойчивости к воздействию влажной атмосферы, щелочей, слабокислых растворов и воды показали, что К- и Ад-волноводы, полученные на стеклах типа крон (К8, К14) и титановые флинты (ТИФ), наиболее химически устойчивы, кроме того, после длительного отжига их химическая устойчивость возрастает в 1,5 - 2 раза.

При исследовании процессов старения в пленарных волноводах, изготовленных в период с 1983 по 1988год, не было обнаружено изменений оптических параметров и деградации поверхности.

С учетом проведенных исследований, для устройства непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород методом низкотемпературной диффузии ионов серебра в стекло К8 были изготовлены делители светового сигнала со следующими параметрами: прирост показателя преломления 0,06, глубина волноводного слоя 20 мкм, коэффициент дисперсии 37, которые позволили осуществить связь волокна с пленарным делителем через

термического постотаига (рис. 2).

отверстия в скошенном крае с помощью иммерсионного клея.

Разработка устройства и метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород в шахтных условиях

Результаты лабораторных исследований подтверждают высокую чувствительность оптических параметров опорного светового сигнала, прошедшего оптически активный датчик, к изменению напряженного состояния массива горных пород и принципиальную возможность их использования для непрерывного прогноза удароопасных ситуаций, внезапных обрушений кровли и других динамических проявлений горного давления.

Порог опасности определяется путем сравнения изменения относительной интенсивности падающего и прошедшего фотоактивный датчик световых сигналов 1/1о. При получении критического значения сигнала 1/1о группа прогноза может произвести уточнение категории удароопасности или степени опасности по другому фактору известными методами. -"■•• Функциональная схема устройства изображена на рис. 3.

Наземная часть установки монтируется в отделе газового контроля, отдельные блоки которой соединяются согласно схеме, связывается волоконным кабелем, размещенным в коробе, по которому проходят линии электроснабжения, связи и оповещения о газоопасном состоянии горных выработок (так как оптический сигнал не зависит от "наводок", возникающих рядом с электрическими цепями) с делителем светового сигнала К1, который располагают в передовой выработке, с помощью двухканальных волноводов соединяют с датчиками. Выводящие двухканапьные волноводы соединяются со вторым делителем светового сигнала К2, также расположенным в передовой горной выработке, через него - с волоконным кабелем В2, который выходит на дневную поверхность в отдел газового контроля.

Датчики устанавливаются в зависимости от поставленной задачи: в зоне опорного давления, в охранных целиках, внутри очистных забоев, на участках пластов с труднообрушаемыми кровлями, в передовых горных выработках, на участках будущих разворотах очистных комплексов, выработках.

Удароопасная ситуация при отработке удароопасных угольных пластов может возникнуть при длине зависания консоли пород, близкой к шагу вторичных осадок. Предложен метод непрерывного контроля напряженного состояния, вызванного зависанием пород в выработанном пространстве лав на пластах с труднообрушаемыми кровлями.

Рис. 3. Функциональная схема устройства непрерывного контроля напряженного состояния краевых зон массива горных породМ-источник светового сигнала; 2 - многоканальный волокойный кабель; 3 -приемник преобразователь светового сигнала; 4 - усилитель; 5 - блок сравнения; 6 - блок аналоговой памяти; 7 - блок индикации; 8 - блок выходного устройства; 9 - генератор тактовых импульсов; К1 и К2 - делители светового сигнала; Д1-Д7 - фотоупругие датчики напряжений; (В11-В21) - (В17-В27) - двухканальные волоконно-оптические волноводы; П1 - П7 -поляризаторы; Ф1-7 - револьверное устройство с набором узкополосных светофильтров; Ф1-Ф7 - светофильтры

= В. случае регистрации системой непрерывного контроля ситуации, являющейся переходной от III ко II или к I категории удароопасности устанавливают дополнительную крепь на соответствующих участках подготовительных выработок и на сопряжениях, а также увеличивают распор гидрофицирован-ной крепи в лаве, . .

Заключение

Диссертационная работа представляет собой научную квалификационную работу, в- которой изложены научно-обоснованные технические решения по разработке метода и устройства непрерывного контроля напряженного состояния угольных пластов« дневной поверхности на основе волоконно-оптических элементов, обеспечивающие оперативности получения информации о состоянии массива горных пород для решения важных прикладных за-

дач при подземной разработке месторождений.

Основные результаты, выводы и технические решения заключаются в следующем:

1. При использовании известных средств и методов контроля напряженного состояния массива'горных пород возникают трудности при интерпретации результатов измерений, вследствие чего возможны значительные погрешности при оценке напряженного состояния массива из-за влияния различного рода помех и неоднозначности зависимости изменения геофизического параметра от механических напряжений.

2. Установлено, что между изменением механических напряжений в фотоупругом датчике и интенсивностью поляризованного светового сигнала, прошедшего оптически активный датчик и анализатор, существует количественная связь, - близкая к линейной, при нагрузках не превышающих 70 % от предела прочности угля на одноосное сжатие. При этом изменение относительной интенсивности светового сигнала составляет от 15 до 25 % для разных материалов датчика.

3. Существование простой зависимости между относительной интенсивностью светового сигнала и механическими напряжениями на фотоупругом датчике позволяет разработать методику непрерывного контроля напряженного

состояния массива горных пород на основе оптических и волоконно-оптических элементов, отличающуюся тем, что непрерывность контроля дос' тигается с помощью источника светового сигнала, установленного на дневной поверхности, соединительного кабеля, пленарного делителя светового сигнала ■й--бНЬка сопряжения оптического световода с фотоупругим датчиком, объединяющего световоды ввода и вывода сигнала, поляризатор, анализатор и оптический фильтр, при этом изменения напряженного состояния в массиве горных пород вызывают соответствующие изменения величины механических напряжений в датчике, которые приводит к изменению интенсивности светового сигнала и включению блоков регистрации и оповещения.

4. Установлено, что датчики отражательного типа обладают преимуществами по сравнению с датчиками, работающими в проходящем свете, так как возрастает чувствительность датчика, упрощаются процессы установки датчика в скважине и снятия информации.

5. Для одновременного получения информации с группы датчиков, установленных в разных точках массива, разработана методика изготовления делителя светового сигнала на основе калиевых, таллиевых, рубидиевых и серебряных волноводов, отличающаяся тем, что формирование делителя осу-

ицествляется методом низкотемпературной диффузии из расплавов .солей с nftMftiuwft uaruu пг.м ятпм nm'.nf.r.r пгн'яззтепя ппяппмпвния пегштепя обеспечивает надежное разделение сигналов по датчикам из волоконно-оптического кабеля. . , •

6.' Для определения срока службы оптических узлов устройства непрерывного контроля установлены химическая устойчивость и закономерности процессов старения.

7. Разработаны блок сопряжения волоконного кабеля с датчиком, включающий поляризатор, собирающую линзу, фильтр и анализатор, и рекомендации по выбору волоконно-оптических кабелей.

8. Разработано устройство непрерывного контроля напряженного состояния и степени удароопасности массива горных пород в шахтных условиях, на которое получен патент Российской Федерации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Янина Т.И. Способ и устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород//Вестник КузГТУ, Na 1(14) -Кемерово, 2000-С. 19-23.

2. К вопросу разработки системы контроля опасных проявлений горного давления на оптических элементах /Дырдин В.В., Янина Т.И., Коныше-ва Н.И., Захарова Л.В.//Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. № 9. -Кемерово, 1995-С.62-68.

3. Дырдин В.В., Янина Т.И., Гуменный С.А. Система контроля состояния массива горных пород на основе интегральной оптики // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Тез. докладов. -Кемерово, 1994 -С.46.

4. Влияние химического состава стекла-подложки на оптические свойства планарных волноводов/Янина Т.И., Дырдин В.В., Гуменный С.А..// Физика твердого тела: Сб. науч. тр. Кузбасского гос. техн. ун-та. -Кемерово, 1996. -С.2-5.

5. Влияние температуры и механических напряжений на оптические параметры гетерогенных волноводов// Дырдин В.В., Янина Т.И.,., Захарова Л.В. и др./Радиационные гетерогенные процессы: Тез. докладов Vl-ой науч. конф. - Кемерово, 1995. -С. 129 - 130.

6. Пленарные волноводы для интегральных схем в системе контроля состояния массива горных пород/Янина Т.И., Дырдин В.В., Гуменный С.А..//

TBftr.nnrn Т^ПЙ* C^.fi US'nu ТГ, i/V/^pvSГГУ Л ГП ГЛГ TAVH VW-ТЯ -Иамаг.лйП -г- "«»"V. . "«CrtV: «u» • ^ ' ' J » f • • V " .W».... j . . ■ —• »«—».. —

1S36. -C.5-9.

7. Патент РФ № 2134783, E 21 С 38/00. Устройство непрерывной контроля напряженного состояния и степени удароопасности краевых 30t массива горных пород. Авт.:/ Янина Т.И., Дырдин В.В. Егоров П.В. и др. Па тентообл. Куз ГТУ по заявке № 98103693 от 02.03.98,

8. Янина Т.И., Ланда К.А. Градиентные пленарные волноводы в тита новых флинтах II Журнал технической физики, 1984, т.54. -С.8-9.

9. Ланда К.А., Янина Т.И., Шостак М.Г. Дисперсия оптических парамет ров как метод изучения пленарных гетерогенных структур II Воздействие иони зирующего излучения и света на гетерогенные системы I Тез, докл.. IV Всесо юзного совещания. -Кемерово, 1986, т. 1. -С. 46-47.

10. Ланда К.А., Янина Т.И., Иголинская М.А. Планарные волноводы особым ходом дисперсии II Письма в журнал технической физики, 1988, т.1<* вып. 13. -С.1161-1164.

11. Методика непрерывного контроля напряженного состояния массу ва горных пород с помощью установки на основе волоконно-оптических эле ментов II. Дырдин В.В, Янина Т.И., Гуменный С.А. / Природные и интеллекту альные ресурсы Сибири (Уголь и углепродукты): Тез. докл. III Международно науч.-практ. конф., г. Кемерово, 1999, -С. 119-121.