авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков

Equation Chapter 1 Section 1

На правах рукописи

Гуменный Антон Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ

НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА

ОСНОВЕ СПЛОШНЫХ ФОТОУПРУГИХ ДАТЧИКОВ

Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2013 2

Работа выполнена на кафедре физики федерального государственного бюд жетного образовательного учреждения высшего профессионального образо вания «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Научный руководитель: Дырдин Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Шаламанов Виктор Александрович, доктор технических наук, профессор, КузГТУ, профессор кафедры автомобильных дорог Лазаревич Тамара Ивановна, кандидат технических наук, старший на учный сотрудник, ОАО «Научно исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела – межотраслевой научный центр ВНИМИ », директор кемеровского представительства

Ведущая организация – Институт горного дела Сибирского отделения Рос сийской Академии наук

Защита диссертации состоится 12 декабря 2013 г. в 15-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.102.02 в фе деральном государственном бюджетном образовательном учреждении выс шего профессионального образования «Кузбасский государственный техни ческий университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, e-mail: kuzstu@kuzstu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государст венного бюджетного образовательного учреждения высшего профессиональ ного образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева».

Автореферат разослан 12 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Иванов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является основой экономики России, поэтому задача непрерывного контроля напря женного состояния массива горных пород является одной из важнейших, по тому что от ее решения зависит своевременность прогноза опасных проявле ний горного давления.

Разработка полезных ископаемых сопряжена с перераспределением на пряжений в массиве горных пород, это обусловлено как техногенным воз действием на массив, так и естественными геологическими процессами. Гор ные удары, внезапные выбросы угля и газа, обрушение кровли, разрушение охранных целиков, разрушение крепи и другие опасные проявления горного давления связывают с критическим ростом и концентрацией напряжений в краевых зонах массива горных пород. Контроль изменения напряженного со стояния массива горных пород позволяет принимать соответствующие тех нические и технологические решения по их предотвращению, либо миними зации последствий.

Существующие геомеханические методы контроля напряженного со стояния, как правило, трудоемки, связаны с бурением скважин, созданием искусственного давления, разрушением области массива горных пород, по этому эти методы не находят широкого применения при текущем контроле напряженного состояния, а используются, в основном, при ведении научных исследований и экспериментов. Геофизические методы, в свою очередь, ха рактеризуются меньшей трудоемкостью и большей оперативностью, но все гда сопряжены с трудностями интерпретации экспериментальных данных.

Одним из методов контроля, позволяющих определять напряженное состояние массива горных пород в месте установки датчика, является метод фотоупругих датчиков, основанный на использовании фотоупругих датчиков с центральной скважиной, которая выполняет роль концентратора напряже ний. Этот метод требует присутствия квалифицированного специалиста по расшифровке оптических картин, полученных от фотоупругого датчика с центральной скважиной. Также существующие устройства не обеспечивают достаточную визуализацию, мониторинг и обработку информации, получен ной с фотоупругого датчика.

Использование сплошных фотоупругих датчиков и современных циф ровых технологий является одним из возможных решений вопроса оператив ного и непрерывного контроля напряженного состояния массива горных по род. Оценка изменения напряженного состояния массива осуществляется в соответствии с изменением радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве. Передача интерференционной картины (чередующихся темных и светлых колец) по волоконно-оптическому кабелю на дневную поверхность и ее обработка спе циальной аппаратурой позволяет осуществлять оперативный и непрерывный контроль изменения горного давления на участке массива горных пород, где установлен сплошной фотоупругий датчик.

В этой связи разработка технических решений по совершенствованию метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных по род на основе сплошных фотоупругих датчиков и современных цифровых технологий является актуальной.

Диссертационная работа выполнена по гранту программы У.М.Н.И.К. 2012 (Кузбасс) и отражает результаты исследований, выполненных в Кузбас ском государственном техническом университете в период с 2006–2013 год.



Цель работы заключается в совершенствовании метода непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на осно ве сплошного фотоупругого датчика.

Основная идея работы состоит в использовании зависимости радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчи ка, установленного в массиве горных пород, от механических напряжений и передаче полученной интерференционной картины по волоконно оптическому кабелю на дневную поверхность для ее обработки с помощью современных цифровых технологий.

Задачи исследования:

1. Установить связь между изменением радиуса интерференционных колец, полученных с помощью сплошного фотоупругого датчика, и прило женной к датчику нагрузкой.

2. Установить влияние параметров волоконно-оптического кабеля на интерференционную картину, передаваемую в наземную часть устройства.

3. Разработать методику и устройство непрерывного контроля измене ния напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фо тоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифро вых технологий.

Методы исследования. Методическую основу исследований состав ляют теоретические исследования, лабораторные и сопоставительные экспе рименты, инструментальные измерения, обзор и анализ литературы по теме исследования, анализ и научное обобщение полученных результатов. При обработке экспериментальных данных использованы методы математической статистики.

Объект исследования – массив горных пород, образцы горных пород.

Предмет исследования – механические напряжения в массиве и об разцах горных пород, устройство непрерывного контроля напряженного со стояния.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Между радиусом интерференционных колец, полученных от сплош ного фотоупругого датчика, и равномерно распределенной нагрузкой во вза имно перпендикулярных плоскостях существует линейная количественная связь в области упругих деформаций, а увеличение радиуса первого интер ференционного кольца с увеличением нагрузки до 50 % от разрушающей со ставляет 90 %.

2. Коэффициент передачи оптического изображения волоконно оптическим кабелем максимален в длинноволновой части видимого спектра (600–700 нм), а для получения максимальной интенсивности выходного сиг нала угол ввода входного сигнала в кабель не должен превышать десяти гра дусов.

3. Контроль изменения напряженного состояния краевой части массива горных пород осуществляется с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве горных пород, позволяющего получать интерфе ренционную картину в виде концентрических окружностей, которая переда ется по волоконно-оптическому кабелю на дневную поверхность, где обраба тывается с помощью современных цифровых технологий на основе зависи мости радиуса интерференционной картины от механических напряжений.

Научная новизна заключается:

1. В установлении зависимости между изменением радиуса интерфе ренционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, и при ложенной к датчику нагрузкой.

2. В определении условий получения максимального коэффициента пе редачи оптического изображения и максимальной интенсивности выходного сигнала при передаче изображения по волоконно-оптическому кабелю.

3. В разработке методики и устройства непрерывного контроля изме нения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных циф ровых технологий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре комендаций подтверждается теоретическими исследованиями, основанными на положениях механики горных пород и оптики, комплексными экспери ментальными исследованиями, проведенными в лабораторных условиях, компьютерным моделированием, а также на соответствии эксперименталь ных данных теоретическим (расхождение не превышает 10 %).

Личный вклад автора заключается: в установлении связи между из менением радиуса интерференционных колец, полученных с помощью сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой, раз работке программ для ЭВМ, в разработке устройства непрерывного контро ля, в проведении комплекса лабораторных и сопоставительных исследова ний, обработке и анализе экспериментальных данных.

Научное значение работы заключается в установлении закономерно сти, связывающей параметры интерференционной картины, полученной от сплошного фотоупругого датчика, с механическими напряжениями, расши ряющей представления о взаимосвязи явлений фотоупругости и интерферен ции.

Отличие от ранее выполненных работ состоит в том, что изменение напряженного состояния определяется по интерференционной картине, по лученной с помощью сплошного фотоупругого датчика, которая передается по волоконно-оптическому кабелю и обрабатывается современными цифро выми технологиями.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики и устройства на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно оптических кабелей и современных цифровых технологий, позволяющих осуществлять непрерывный контроль за изменением механических напряже ний в массиве горных пород.

Использование и внедрение результатов работы. Получен патент РФ на изобретение № 2421615 «Устройство непрерывного контроля напря женного состояния массива горных пород». Разработанная методика исполь зуется в учебном процессе для студентов специальности 130400.65 «Горное дело», а также для направления подготовки бакалавров 280700.62 «Техно сферная безопасность». Результаты исследований приняты к применению институтом промышленной и экологической безопасности КузГТУ для опре деления шага вторичных осадок основной кровли при проектировании вы емочных участков, и для выбора места расположения демонтажной камеры.

Издано «Методическое руководство по контролю опасных зависаний пород основной кровли с применением сплошных фотоупругих датчиков» / сост. А.





С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. – Кемерово, 2013. – 18 с.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений». Российско-Китайский симпози ум. Кемерово, 2006;

«Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». XI, XII, XIX Международная научно-практическая конференция. Кемерово, 2006, 2008, 2012;

51, 52-я научно-практическая конференция КузГТУ. Кеме рово, 2006, 2007;

«15-я Всероссийская научно-практическая конференция фи зиков и молодых ученых». Кемерово - Томск, 2009;

XV Международная на учно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология»;

Томск, 2009;

Всероссийская научно практическая конференция «Россия Молодая». Кемерово;

2009 - 2012.

Разработанное в рамках диссертационной работы устройство демонст рировалось на XVIII Международной специализированной выставке «Уголь России и майнинг - 2011» и было удостоено серебряной медали в рамках конкурса «Лучший экспонат», также устройство демонстрировалось на меж дународной выставке-ярмарке «ЭКСПО-УГОЛЬ-2010», где было удостоено диплома за лучший экспонат.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликова но 19 научных работ, в том числе 6 – в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и список литературы из 125 наименований, изложенных на 142 страницах ма шинописного текста, содержит 46 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор и анализ методов и систем контроля напря женного состояния массива горных пород. Отдельно рассмотрен метод фото упругих датчиков.

Развитие методов и средств непрерывного контроля напряженного со стояния массива горных пород, позволяющих анализировать напряженное состояние массива на различных этапах разработки и на этой основе выби рать оптимальные параметры технологии выемки полезного ископаемого и управления горным давлением, применять своевременно противоударные и противовыбросные мероприятия, является актуальной задачей.

Методы, позволяющие измерять или оценивать напряжения в массиве экспериментальным путем, можно разделить на две основные группы: меха нические и геофизические.

Основным преимуществом геомеханических методов является доста точно высокая точность определения напряженного состояния. Основным геомеханическим методом принято считать метод разгрузки, который позво ляет определить главные компоненты тензора механических напряжений.

Развитием и исследованием геомеханических методов занимались: П. В. Его ров, М. В. Курленя, С. А. Батугин, К. В. Лукьянов, И. А. Турчанинов, Г. Н.

Кузнецов, Г. И. Кулаков, Г. И. Грицко, В. А. Шаламанов, N. Hast, E. Leeman.

Все геомеханические методы объединяют общие недостатки: громоздкое оборудование, высокая трудоемкость, дискретность и значительное время измерений.

Наряду с геомеханическими методами разгрузки, разности давлений и др. существует метод фотоупругих датчиков с центральной скважиной, по зволяющий оценивать величину механических напряжений в массиве горных пород. Метод основан на эффекте фотоупругости и свойстве материала дат чика деформироваться совместно с горной породой под воздействием внеш ней нагрузки. Фотоупругость – это свойство некоторых изотропных прозрач ных материалов изменять показатель преломления под действием нагрузки.

Быстрая и точная расшифровка оптической картины, полученной от фотоупругого датчика с центральной скважиной, требует значительного опыта в работе с фотоупругими датчиками и полярископами, также значи тельного времени требует обработка полученных данных, поэтому обеспе чить оперативный и непрерывный контроль состояния массива горных пород на основе фотоупругих датчиков по существующей методике невозможно.

Поэтому геомеханические методы определения напряженного состоя ния получили наибольшее распространение при ведении экспериментальных исследований в натурных условиях в случаях, когда не требуется оператив ного решения производственных задач.

Геофизические методы контроля напряженного состояния являются одним из наиболее важных направлений в области оценки напряженного со стояния массива горных пород. Геофизические методы получили широкое распространение и хорошую теоретическую базу благодаря исследованиям научных организаций: ВНИМИ, ВостНИИ, ВостНИГРИ, ИПКОН РАН, ИГД СО РАН, ГоИ КНЦ РАН, МГГУ, С-ПбГГУ, КузГТУ, НИГРИ, ИГД УрО РАН, и других отечественных и зарубежных научных учреждений. Значительный вклад в развитие геофизических методов контроля внесли следующие уче ные: В. С. Ямщиков, В. Л. Шкуратник, Т. И. Лазаревич, Г. А. Соболев, Б. В.

Виноградов, Г. Н. Савин и многие другие. Среди геофизических методов наиболее часто выделяют следующие: акустические, сейсмоакустические, сейсмические, электрометрические, а также гамма и гамма-гамма каротажные методы. Но при всем своем многообразии геофизические методы и средства контроля не решают в полной мере задачу непрерывного контроля и прогноза опасных проявлений горного давления, кроме этого, для всех геофизических методов остро стоит вопрос интерпретации полученных ре зультатов. Наиболее разработаны и опробованы системы на основе регистра ции сейсмоакустических импульсов, но подобные системы сложны в экс плуатации и не всегда могут однозначно предупредить обслуживающий пер сонал о готовящемся динамическом проявлении горного давления или газо динамическом явлении.

Для создания систем непрерывного контроля перспективными являют ся сплошные фотоупругие датчики, так как интерференционную картину, полученную с таких датчиков, можно обрабатывать в автоматическом режи ме с помощью современных цифровых технологий и осуществлять количест венную оценку изменения нагрузки в массиве.

В результате комплексного анализа литературы сформулирована цель и поставлены задачи исследований, которые приведены в общей характеристи ке работы.

Во второй главе приведены теоретические основы метода контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков.

Образование интерференционной картины можно представить, как от ражение лучей от передней и задней стенки сплошного фотоупругого датчи ка (рис.1). При этом оптическая разность хода лучей в сплошном фотоупру гом датчике определяется выражением:

(1) = 2d n2 sin2 i / 2, где – оптическая разность хода, м;

n=n0+n – показатель преломления дат чика;

n0 – показатель преломления датчика без нагрузки;

n – изменение по казателя преломления, обусловленное изменением нагрузки;

i – угол падения оптического луча на датчик;

– длина волны, м;

d– толщина датчика, м.

С другой стороны, оптическая разность хода определяется законом Вертгейма:

= Cd (1 2 ), (2) где (1-2) – разность главных напряжений, Па;

C – оптическая постоянная материала по напряжениям, м2/Н.

волоконно-оптический кабель S S' 2 2' 1 1' массив горных L пород i сплошной O фотоупругий датчик p p d q q скважина Рис. 1. Схема к расчету оптической разности хода при прохождении луча через сплошной фотоупругий датчик: p, q – нагрузка на датчик;

d – толщи на датчика;

i – угол падения оптического луча на датчик;

S, S – падающий и отраженный оптический сигнал;

L – расстояние от источника до датчика С учетом выражения (1) и (2) получено выражение, определяющее за висимость радиуса определенного интерференционного кольца от нагрузки:

2 mL Cb ( p q) L 2, rm = 4 n0 + 4 d (3) где (p-q) – распределенная нагрузка, Па;

m – порядковый номер интерферен ционного кольца;

b1 – коэффициент, зависящие от упругих постоянных дат чика и породы и относительных размеров датчика;

rm – радиус m-го интер ференционного кольца, м;

L – расстояние от источника оптического сигнала до датчика, м.

Из формулы (3) получена зависимость нагрузки на сплошной фотоуп ругий датчик от радиуса m-го темного интерференционного кольца. Если сплошной фотоупругий датчик жестко установлен (вклеен) в скважину, про буренную в массиве горных пород, то напряжения, действующие на массив, передаются на сплошной фотоупругий датчик, а их величину можно рассчи тать из выражения (4) с учетом радиуса определенного темного интерферен ционного кольца:

rm d 2 + m 2 2 L ( p q) = n. (4) 4 d 2 L C b1 Изменение нагрузки при изменении радиуса первого темного интерфе ренционного кольца представлено на рис. 2. Зависимость имеет характер, близкий к линейному, что доказывает возможность интерпретации получен ных данных с датчика.

Нагрузка p-q, МПа 12,5 14,5 16,5 18,5 20, Радиус интерференционного кольца, мм.

Рис.2. Аналитическая связь нагрузки (p-q) и радиуса первого темного интер ференционного кольца Третья глава посвящена проверке теоретической зависимости радиуса первого темного интерференционного кольца от нагрузки эксперименталь ными методами и сопоставлению результатов эксперимента с результатами других методов оценки напряженного состояния. Также определена инфор мативность метода контроля напряженного состояния на основе сплошного фотоупругого датчика и рассмотрено влияние коэффициента жесткости дат чика на ошибку измерений.

Для установления экспериментальной зависимости радиуса интерфе ренционных колец от нагрузки была разработана лабораторная установка рис. 3.

а б Рис. 3. Лабораторная установка для исследования зависимости радиуса интерференционных колец от нагрузки (а), приложенной к сплошному фотоупругому датчику, и ее функциональная схема (б) В ходе эксперимента одноосная нагрузка на сплошной фотоупругий датчик изменялась от нуля до 4,5 МПа, что составляло 50 % от предела проч ности сплошного фотоупругого датчика на одноосное сжатие. При этом фик сировался радиус первого и второго от центра темного интерференционного кольца.

Полученные данные приведены на рис. 4. Здесь также приведены тео ретические кривые (сплошные линии), рассчитанные в соответствии с выра жением (3). В результате проведенных экспериментов получено, что экспе риментальные кривые хорошо согласуются с теоретическими и имеют тот же характер. Связь между радиусами первого и второго интерференционного кольца, которые получены экспериментально и теоретически, определяется следующими выражениями:

1) Для первого интерференционного кольца:

rэкс = 0,0742 rтеор + 12,735;

достоверность аппроксимации R2=0,951, коэффи циент корреляции 0,932.

2) Для второго интерференционного кольца:

rэкс = 0,9525rтеор + 1,0113;

достоверность аппроксимации R2=0,956, коэффици ент корреляции 0,937.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что путем контроля изменения радиуса соответствующего интерференционного кольца можно оценивать изменение нагрузки в месте установки сплошного фотоуп ругого датчика.

Радиус интерференционного r = 0,7531 + 17, R = 0, кольца, мм 13 r = 1,1084 + 12, R = 0, 0 1 2 3 4 Нагрузка, МПа Экспериментальные зависимости:

Интерференционное кольцо 1 Интерференционное кольцо Аналитические зависимости:

Интерференционное кольцо 1 Интерференционное кольцо Рис. 4. Зависимость радиусов первого и второго интерференционных колец от нагрузки на фотоупругий датчик Для установления соответствия между изменением радиуса первого темного интерференционного кольца и изменением нагрузки был проведен сопоставительный эксперимент с другими методами контроля. Лабораторная установка для проведения сопоставительных экспериментов по изучению изменения радиуса первого темного интерференционного кольца, получен ного с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в образца из песчанно-цементной смеси, потенциала естественного стационарного электрического поля (ЕСЭП) образца, удельного электросопротивления (УЭС) образца в зависимости от нагрузки приведены на рис. 5.

а б ' 1 – сплошной фотоупругий датчик;

2,3 – датчики для измерения потенциала естественного стационарного электрического поля и удельного сопротивления;

4, 4’ – пьезоизлучатель и пьезоприемник;

5 – плиты пресса;

6 прибор МК-3 для измерения потенциала;

7 – ограничи вающее сопротивление;

8 – источник питания;

9 – мик роамперметр;

10 – звуковой генератор;

11 – осцилло граф;

12 – лазер с экраном, К1 и К2 – ключи для осуще ствления режимов измерения УЭС и потенциала естест венного стационарного электрического поля (ЕСЭП) Рис. 5. Лабораторная установка для проведения сопоставительного эксперимента (а) и ее схема (б) На рис. 6. представлены экспериментальные кривые изменения радиу са первого темного интерференционного кольца и потенциала ЕСЭП образца в зависимости от приложенной нагрузки.

25 Радиус первого темного интерференционного Потенциал, мВ кольца r, мм 10 0 0 0,5 1 1,5 Нагрузка, МПа Радиус Потенциал Рис. 6. Изменение радиуса первого темного интерференционного кольца и потенциала ЕСЭП образца с увеличением нагрузки Из полученных результатов следует, что радиус первого темного ин терференционного кольца и потенциал ЕСЭП образца увеличиваются с рос том нагрузки. Между данными установлена корреляционная связь:

0,, R2 = 0,96, корреляционное отношение составляет 0,99.

r = 9,3787e Результаты изменения радиуса первого темного интерференционного кольца и УЭС образца в зависимости от нагрузки представлены на рис. 7.

22 Радиус первого темного интерференционного УЭС,кОм*м кольца r, мм 18 14 10 0 0,5 1 1,5 2 2, Нагрузка, МПа Радиус Сопротивление Рис. 7. Изменение радиуса первого темного интерференционного кольца и УЭС образца с увеличением нагрузки Корреляционная связь между радиусом первого темного интерферен ционного кольца и УЭС имеет вид: r = –0,35532 + 10,786 – 63,769, R2 = 0,98, корреляционное отношение составляет 0,973.

Полученные результаты доказывают, что радиус интерференционной картины, полученной с помощью сплошного фотоупругого датчика, установ ленного в объекте измерения, позволяет оценить изменение напряженного состояния этого объекта так же, как и другие геофизические методы.

Важной характеристикой метода при организации контроля напряжен ного состояния массива горных пород является его информативность. По этому была определена информативность интерференционного метода и ме тода измерения потенциала ЕСЭП для сравнения.

На лабораторной установке, представленной выше, были получены статистические значения радиуса первого темного интерференционного кольца (рис. 8) в зависимости от нагрузки на образец.

Расчет информативности проведен по формуле (5), предложенной И. А.Турчаниновым. Также было проведено сравнение информативности ин терференционного метода с другими методами локального геоконтроля.

П n I = 1, 4 4 5 ln tk 2, (5) n где П – относительное изменение радиуса интерференционного кольца в образце при нагружении его до разрушающих напряжений;

n – число изме рений;

kn – усредненный коэффициент вариации;

t – коэффициент Стьюдента при надежности измерений = 0,95.

Установлено, что 25 информативность интер темного кольца, мм ференционного метода Радиус первого соответствует или пре вышает уровень инфор мативности других рас смотренных методов контроля напряженного 5 состояния, что позволяет использовать сплошные фотоупругие датчики для 0 1 2 количественной оценки и Нагрузка, МПа Рис.8. Зависимость радиуса первого темного контроля напряженного состояния массива гор интерференционного кольца от нагрузки ных пород.

В результате расчета установлена зависимость относительной погреш ности измерений от коэффициента жесткости датчика (отношение модуля упругости датчика к модулю упругости объекта измерения) для различных горных пород. При коэффициенте жесткости датчика k=2,41 относительная погрешность измерения составляет 13,3 %, а при коэффициенте жесткости датчика k=27,3 относительная погрешность составляет 1,29 % В четвертой главе рассмотрено влияние параметров волоконно оптического кабеля на передаваемый оптический сигнал.

Передача светового сигнала по оптическим волокнам или волоконно оптическим кабелям основана на эффекте полного внутреннего отражения.

Сечение оптического волокна состоит из сердечника, оптически более плот ного, оболочки сердечника – из менее оптически плотного материала и внешней защитной оболочки. Механизм распространения светового сигнала в оптическом волокне представлен на рис. 9, n1 и n2 – показатель преломле ния внутреннего и внешнего оптического слоя соответственно.

Поскольку n1 n2 для лучей входящих в оптическое волокно под ма лыми углами к оси цилиндра выполняется условие полного внутреннего от ражения, то граница раздела между внутренним оптическим слоем 1 и внеш ним 2 приобретает свойства зеркала. Это значит, что в идеальном случае све товая волна, попавшая в световод под малым углом к оси цилиндра, будет отражаться внутрь сердцевины 1 от границы слоев 1 и 2 многократно и без потери энергии, что делает оптические волноводы оптимальными средствами для передачи информации.

Рис. 9. Схема распространения светового луча в оптическом волокне со ступенчатым распределением показателя преломления: D1, D2 – диаметр внутреннего и внешнего оптического слоя соответственно;

– угол ввода оптического сигнала в кабель Одним из наиболее важных параметров волоконно-оптического кабеля является коэффициент передачи для различных длин волн передаваемого сигнала или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).

Экспериментально определен коэффициент передачи волоконно оптического кабеля для различных длин волн передаваемого сигнала. Час тотно-контрастная характеристика оптического волновода определялась с помощью миры, которая представляет собой картину из чередующихся кон трастных черных и белых полос.

Коэффициент передачи, 0, 0, A() 0, 0, 400 450 500 550 600 650 Длина волны, нм Рис. 10. Экспериментальная зависимость коэффициента передачи волоконно оптического кабеля от длины волны оптического сигнала Установлено, что в видимом диапазоне, коэффициент передачи изо бражения максимален в длинноволновой части видимого спектра (рис. 10).

Сравнение интенсивности входного и выходного оптического сигнала при прочих одинаковых условиях показало, что затухание составило около 1 дБ (B = 1 дБ).

Экспериментальным путем установлено, что для получения макси мальной интенсивности выходного сигнала угол ввода входного сигнала в волоконно-оптический кабель (рис.11) не должен превышать 10 градусов.

Для исследуемого волоконно-оптического кабеля, используемого в качестве канала связи, были проведены расчеты скорости передачи сообщения, которая составила R = 2,12 бит/отсчет, минимальное значение ошибки /Ein = 0,15, минимальная энергетическая цена единицы переданной,15, информации – Ein/H = 0,4 Дж/бит.

1, Без фильтра интенсивность Ii/I Относительная Красный 0, Желтый 0,6 Зеленый Лазер 0, 0, 0 10 20 30 40 Угол ввода, град Рис. 11. Зависимость относительной интенсивности оптического сигнала от угла ввода этого сигнала в волновод Полученные данные доказывают, что оптический канал связи на основе волоконно-оптического кабеля приемлем для передачи оптического изобра оптического жения, полученного от сплошного фотоупругого датчика, для дальнейшей датчика обработки.

Таким образом, на основе сплошных фотоупругих датчиков, волокон датчиков но-оптических кабелей и современных цифровых технологий возможно раз оптических работать устройство и методику непрерывного контроля напряженного со стояния массива горных пород.

В пятой главе представлено устройство и методика непрерывного методик контроля напряженного состояния массивов горных пород на основе воло конно-оптических элементов оптических элементов.

К разработанному устройству предъявлялись следующие требования:

азработанному оперативность контроля, непрерывность контроля, количественная оценка контроля оличественная напряженного состояния, помехозащищенность, искро- и взрывобезопасное пряженного состояния исполнение, защищенность от агрессивного влияния окружающей среды в ащищенность окружа шахте, мониторинг и архивирование изменения напряженного состояния на ониторинг контролируемом участке массива горных пород, устройство должно быть на стройство дежным, устройство должно осуществлять индикацию степени удароопасно стройство сти, в устройстве должна быть обеспечена возможность оперативной коррек тировки коэффициентов предназначенных для определения распределенной коэффициентов, нагрузки и степени удароопасности.

удароопасности На основе этих требований было разработано и запатентовано «Уст ройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород» патент № 2421615. Разработанное устройство основано на измерении радиуса первого интерференционного кольца, полученного от сплошного фо го тоупругого датчика, и последующем расчете распределенной нагрузки по выражению (4).

Функциональная схема разработанного устройства представлена на рис. 12. Устройство работает следующим образом. Сплошной фотоупругий датчик Д1 устанавливается в краевых зонах массива горных пород, где необ ходим непрерывный контроль напряженного состояния. Лазерный луч от ис точника 1 по волоконно-оптическому кабелю 2 попадает на собирающую линзу Ф1, затем после отражения лучей от передней и задней стенки сплош ного фотоупругого датчика возникает интерференционная картина ИК, кото рая через собирающую линзу Ф2 и волоконно-оптический кабель 2 передает ся на оптический детектор, который преобразует оптический сигнал в циф ровой. Данный сигнал передается на компьютер контроля 4, где обрабатыва ется. Также компьютер контроля 4 осуществляет сравнение текущего значе ния нагрузки и радиуса первого интерференционного кольца с критическими, определенными заранее. После обработки данные поступают в блок сигнали зации, регистрации и индикации 5, где архивируются.

Для решения задачи контроля напряженного состояния массива горных пород с помощью разрабо танного устройства, пред ложена методика, вклю чающая: размещение обо рудования в наземной час ти;

выбор участка контро ля, бурение скважины Рис.12.Функциональная схема устройства не- диаметром 41–42 мм, глу прерывного контроля напряженного состояния биной 1,5–2,5 м;

установку массива горных пород сплошного фотоупругого датчика;

прокладку воло конно-оптического кабеля;

определение и установку в память ПК критиче ских значений нагрузки;

диагностику;

регистрацию данных с фотоупругого датчика, сравнение текущего значения нагрузки с критическими и включение соответствующей сигнализации.

Контроль напряженного состояния массива горных пород осуществля ется путем автоматического сравнения радиуса первого темного интерферен ционного кольца с его критическими значениями, которые необходимо опре делить предварительно в зависимости от цели контроля.

В качестве примера рассмотрим применение разработанного устройст ва для контроля величины зависаний консоли пород основной кровли при вторичных осадках. Для этого необходимо установить сплошной фотоупру гий датчик в краевую часть массива горных пород на расстоянии ширины зо ны влияния опорного давления и фиксировать изменение радиуса централь ного интерференционного кольца по мере подвигания забоя и осадок основ ной кровли. На основании полученных данных строится график изменения радиуса центрального интерференционного кольца от расстояния до очист ного забоя, на котором проводятся две огибающие линии rmax и rmin (рис. 13).

Значения кривых rmax и rmin заносятся в память ПК как верхняя и нижняя гра ница опасных напряжений соответствующих максимальным и минимальным напряжений, длинам консоли пород основной кровли на определенных расстояниях до очистного забоя.

rmax интерференционного кольца r,мм Радиус rmin 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Расстояние от забоя лавы, м Рис. 13. Зависимость радиусов интерференционных колец от расстояния до забоя лавы Заключение Диссертация является научно-квалификационной работой в которой квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические решения по совершенствова нию метода непрерывного контроля напряженного состояния массива гор ных пород на основе интерференционной картины полученной с помощью картины, сплошного фотоупругого датчика, которая в сочетании с волоконно тании оптическим кабелем и современными цифровыми технологиями, позволяет технологиями осуществлять непрерывный контроль изменения напряженного состояния массива горных пород в автоматическом режиме что вносит существенный х режиме, вклад в развитие горнодобывающей промышленности.

Основные научные результаты работы, выводы и технические решения заключаются в следующем:

следующем 1. Установлена принципиальная возможность непрерывного контроля за изменением напряженного состояния массива горных пород с помощью сплошного фотоупругого датчика.

угого 2. Получена аналитическая зависимость, определяющая связь между радиусом m-го темного интерференционного кольца полученного от сплош кольца, ного фотоупругого датчика, и равномерно распределенной нагрузкой (p-q).

датчика 3. Экспериментально подтверждено, что с помощью сплошного фото упругого датчика установленного в образце, можно определять изменение датчика, нагрузки на этот образец в зависимости от изменения радиуса темных интер ференционных колец, что подтверждено другими методами геофизического контроля.

4. Определена информативность интерференционного метода, а также рассчитана относительная ошибка измерения нагрузки для интерференцион ного метода 50%, что соответствует требованиям, предъявляемым к мето дам оценки напряженного состояния массива горных пород.

5. Область применения сплошных фотоупругих датчиков определяется соотношением модуля упругости материала датчика и исследуемой горной породы.

6. Получено, что коэффициент передачи оптического изображения во локонно-оптическим кабелем максимален в длинноволновой части видимого спектра. Для получения максимальной интенсивности выходного сигнала угол ввода входного сигнала в волоконно-оптический кабель не должен пре вышать 10 градусов.

7. Определены основные параметры волоконно-оптического кабеля, обеспечивающего связь сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве горных пород, с дневной поверхностью: скорость передачи сообще ния R = 2,12 бит/отсчет, минимальное значение ошибки /Ein = 0,15, мини мальная энергетическая цена единицы переданной информации – Ein/H = 0,4дж/бит.

8. Разработана компьютерная программа, позволяющая моделировать процесс изменения интерференционной картины, полученной от сплошного фотоупругого датчика от нагрузки, приложенной к сплошному фотоупруго му датчику.

9. Разработано и запатентовано устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фото упругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий (патент № 2421615).

10. Разработано «Методическое руководство по контролю опасных за висаний пород основной кровли с применением сплошных фотоупругих дат чиков».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах В изданиях, рекомендованных ВАК России:

Гуменный, А. С. Область применения интерференционного 1.

метода контроля напряженного состояния твердых тел с упругими характеристиками / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина, А. А. Мальшин // Вестник КузГТУ. – 2010. – № 1. – С. 21–22.

Гуменный, А.С. Зависимость параметров интерференционной 2.

картины сплошного фотоупругого датчика от механических напряжений // А. С. Гуменный, В.В. Дырдин, Т.И. Янина // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2011. – № 2. – С. 69–72.

Гуменный, А. С. Оценка напряжений в краевых зонах массива 3.

горных пород с помощью сплошного фотоупругого датчика / А. С. Гуменный В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Горный информационно аналитический бюллетень. – 2012. – № 11. – С. 103–107.

Гуменный, А. С. Оценка влияния оптического волновода на 4.

параметры передаваемого сигнала при непрерывном контроле напряженного состояния массива горных пород / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И.

Янина, А. А. Мальшин // Вестник КузГТУ. – 2012. - № 1. – С. 11–14.

Гуменный, А. С. Оценка напряженного состояния образца 5.

горной породы сплошным фотоупругим датчиком, звуковым и электромагнитными методами в лабораторных условиях // Вестник КузГТУ.

– 2013. – № 4. – С. 3–6.

Гуменный, А. С. Оценка информативности метода определения 6.

напряженного состояния образца горной породы сплошным фотоупругим датчиком // Вестник КузГТУ. – 2013. – № 4. – С. 6–9.

В прочих изданиях:

Пат. 2421615 Российская Федерация, МПК E 21C 39/00.

7.

Устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород / Гуменный А. С., Дырдин В. В., Янина Т. И. ;

заявитель и патентообладатель Кузбас. гос. техн. ун–т. –№ 2010105501/03 ;

заявл.

15.02.2010 ;

опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17/2011.

Гуменный, А. С. Контроль напряженного состояния зданий и 8.

сооружений с помощью волоконно-оптической системы / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений. Материалы Российско-Китайского симпозиума Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2006. – C. 188–191.

Гуменный, А. С. Блок регистрации для системы автоматического 9.

контроля изменения напряженного состояния массивов горных пород при разработке полезных ископаемых / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Материалы XI международной научно-практической конференции Кузбас. гос. техн.

ун–т – Кемерово, 2006. – С. 201–203.

10. Гуменный, А. С. Интерференционный метод контроля напряженного состояния при упругих деформациях / А. С. Гуменный, Т. И.

Янина, А. В. Корнилов, С. А. Субботин // Сборник лучших докладов студентов и аспирантов КузГТУ. 51-я научно-практическая конференция Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2006. – С. 62–65.

11. Гуменный, А. С. Мониторинг напряжено-деформированного состояния несущих конструкций / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, К. П.

Волыков, И. Ю. Ложкин // Сборник докладов студентов и аспирантов КузГТУ. 52-я научно-практическая конференция Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2007 – С. 81–84.

12. Гуменный, А. С. Лабораторный стенд для исследования напряженно-деформированного состояния углей и пород / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, И. Ю. Ложкин, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Материалы XII международной научно практической конференции Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2008. – С. 161–164.

13. Гуменный, А. С. Оптический метод контроля состояния массивов и технических сооружений / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, И. Ю. Ложкин // Материалы 15-й Всероссийской научно-практической конференции-физиков и молодых ученых. – Кемерово ;

Томск, АСФ Россия, 2009. – С. 810–811.

14. Гуменный, А. С. Исследование напряженно-деформированного состояния в зависимости от свойств материала и параметров нагрузки / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, И. Ю. Ложкин, А. И. Черкашин, Д. В.

Дарбинян // Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая»: сб. докл. Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2009. – С. 216–218.

15. Гуменный, А. С. Применение интерференции для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Материалы XV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология» – Томск. Изд-во ТПУ 2009 – С. 34–36.

16. Гуменный, А. С. Физические основы контроля безопасности при разработке подземных ископаемых подземным способом / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Всероссийская научно практическая конференция «Россия Молодая»: сб. докл. Кузбас. гос. техн.

ун–т – Кемерово, 2010. – С. 37–39.

17. Гуменный, А. С. Влияние нагрузки на параметры интерференционной картины и амплитуду ультразвуковых колебаний в сплошном фотоупругом датчике / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И.

Янина // Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая»: сб. докл. Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2012. – С. 27–29.

18. Гуменный, А. С. Частотно-контрастная характеристика оптического волновода системы непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности. Сборник трудов. – Кемерово, Экспо Сибирь, 2012. – С.85–87.

19. Гуменный, А. С. Методика оценки напряженного состояния краевых зон угольных пластов на основе сплошных фотоупругих датчиков / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Материалы XIX Международной научно-практической конференции Кузбас. гос. техн. ун–т – Кемерово, 2012.

– Том 1, – С. 191–195.

Подписано в печать 2013 г.

Формат 6084/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Полиграфический цех федерального государственного бюджетного образо вательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбас ский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»..

650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А

 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.