Введение к работе
Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является основой экономики России, поэтому задача непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород является одной из важнейших, потому что от ее решения зависит своевременность прогноза опасных проявлений горного давления.
Разработка полезных ископаемых сопряжена с перераспределением напряжений в массиве горных пород, это обусловлено как техногенным воздействием на массив, так и естественными геологическими процессами. Горные 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 состояния массива горных пород позволяет принимать соответствующие технические и технологические решения по их предотвращению, либо минимизации последствий.
Существующие геомеханические методы контроля напряженного состояния, как правило, трудоемки, связаны с бурением скважин, созданием искусственного давления, разрушением области массива горных пород, поэтому 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, характеризуются меньшей трудоемкостью и большей оперативностью, но всегда 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 напряжений. 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, полученной с фотоупругого датчика.
Использование сплошных фотоупругих датчиков и современных цифровых технологий является одним из возможных решений вопроса оперативного и непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород. 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 специальной 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 пород 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 Кузбасском государственном техническом университете в период с 2006-2013 год.
Цель работы заключается в совершенствовании метода непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошного фотоупругого датчика.
Основная идея работы состоит в использовании зависимости радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, 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:
-
Установить связь между изменением радиуса интерференционных колец, полученных с помощью сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой.
-
Установить влияние параметров волоконно-оптического кабеля на интерференционную картину, передаваемую в наземную часть устройства.
-
Разработать методику и устройство непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий.
Методы исследования. Методическую основу исследований составляют теоретические исследования, лабораторные и сопоставительные эксперименты, 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 образцах горных пород, устройство непрерывного контроля напряженного состояния.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Между радиусом интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, и равномерно распределенной нагрузкой во взаимно перпендикулярных плоскостях существует линейная количественная связь в области упругих деформаций, а увеличение радиуса первого интерференционного кольца с увеличением нагрузки до 50 % от разрушающей составляет 90 %.
-
Коэффициент передачи оптического изображения волоконно-оптическим кабелем максимален в длинноволновой части видимого спектра
(600-700 нм), а для получения максимальной интенсивности выходного сигнала угол ввода входного сигнала в кабель не должен превышать десяти градусов.
3. Контроль изменения напряженного состояния краевой части массива горных пород осуществляется с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве горных пород, позволяющего получать интерференционную картину в виде концентрических окружностей, которая передается по волоконно-оптическому кабелю на дневную поверхность, где обрабатывается с помощью современных цифровых технологий на основе зависимости радиуса интерференционной картины от механических напряжений. Научная новизна заключается:
-
В установлении зависимости между изменением радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой.
-
В определении условий получения максимального коэффициента передачи оптического изображения и максимальной интенсивности выходного сигнала при передаче изображения по волоконно-оптическому кабелю.
-
В разработке методики и устройства непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими исследованиями, основанными на положениях механики горных пород и оптики, комплексными экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных условиях, компьютерным моделированием, а также на соответствии экспериментальных данных теоретическим (расхождение не превышает 10 %).
Личный вклад автора заключается: в установлении связи между изменением радиуса интерференционных колец, полученных с помощью сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой, разработке программ для ЭВМ, в разработке устройства непрерывного контроля, в проведении комплекса лабораторных и сопоставительных исследований, обработке и анализе экспериментальных данных.
Научное значение работы заключается в установлении закономерности, связывающей параметры интерференционной картины, полученной от сплошного фотоупругого датчика, с механическими напряжениями, расширяющей представления о взаимосвязи явлений фотоупругости и интерференции.
Отличие от ранее выполненных работ состоит в том, что изменение напряженного состояния определяется по интерференционной картине, полученной с помощью сплошного фотоупругого датчика, которая передается по волоконно-оптическому кабелю и обрабатывается современными цифровыми 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 напряжений в массиве горных пород.
Использование и внедрение результатов работы. Получен патент РФ на изобретение № 2421615 «Устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород». Разработанная методика используется 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 определения шага вторичных осадок основной кровли при проектировании выемочных 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 симпозиум. 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. Кемерово, 2006, 2007; «15-я Всероссийская научно-практическая конференция физиков и молодых ученых». Кемерово - Томск, 2009; XV Международная научно-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 демонстрировалось на XVIII Международной специализированной выставке «Уголь России и майнинг - 2011» и было удостоено серебряной медали в рамках конкурса «Лучший экспонат», также устройство демонстрировалось на международной выставке-ярмарке «ЭКСПО-УГОЛЬ-2010», где было удостоено диплома за лучший экспонат.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 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 машинописного текста, содержит 46 рисунков, 12 таблиц.
Похожие диссертации на Совершенствование метода непрерывного контроля напряженногосостояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков
