Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

УДК 681.3.01:622.831

Спеціальність: 05.13.07 - "Автоматизація технологічних процесів"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи та засоби автоматичного контролю системи "кріплення - породний масив" при проведенні гірничих виробок

Яланський Олексій Анатолійович

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації виробничих процесів Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Ткачов Віктор Васильович, завідувач кафедри автоматизації виробничих процесів Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Ульшин Віталій Олександрович, декан факультету комп'ютерних технологій і автоматики, завідувач кафедри комп'ютеризованих систем Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля Міністерства освіти і науки України (м. Луганськ);

- кандидат технічних наук, Стаднік Микола Іванович, заступник директора з науки Донецького державного науково-дослідного, проектно-конструкторського і експериментального інституту комплексної механізації шахт "Дондіпровуглемаш" Міністерства палива та енергетики України.

Провідна установа - Севастопольський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизації технологічних процесів.

Захист відбудеться "21" січня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (просп. К. Маркса, 19, м. Дніпропетровськ_27, Україна, 49027).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету (просп. К. Маркса, 19, м. Дніпропетровськ_27, Україна, 49027).

Автореферат розісланий "17" грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор В.Т. Заїка

Анотації

Яланський О.А. Методи та засоби автоматичного контролю системи "кріплення-породний масив" при проведенні гірничих виробок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена обґрунтуванню методів, розробці алгоритмів та створенню засобів автоматичного віброакустичного контролю стійкості виробок на основі урахування закономірностей виникнення коливальних та хвилевих процесів у системі "кріплення-породний масив", блокових та плоскопаралельних структурах порід. Запропоновано концепцію поетапної автоматизації контролю, виконано комп'ютерне моделювання, розроблено програми автоматичної статистичної та спектральної обробки вихідної технологічної інформації за допомогою мікроконтролерів та персональної ЕОМ. Створено експериментальні зразки засобів автоматичного контролю стійкості масиву із застосуванням сучасної елементної бази, за допомогою яких виконані натурні дослідження в умовах, коли масив складається скельними, осадовими породами та ґрунтом, визначено ділянки підвищених навантажень навколо гірничих виробок та порожнини за оздобленням тунелю. Отримані результати використано для промислового впровадження.

Ключові слова: масив гірських порід, проведення та підтримування виробок, віброакустика, автоматичний контроль, засоби автоматизації.

Яланский А.А. Методы и средства автоматического контроля системы "крепь-породный массив" при проведении горных выработок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена обоснованию методов, разработке алгоритмов и созданию средств автоматического виброакустического контроля устойчивости подземных выработок на основе учета закономерностей возникновения колебательных и волновых процессов в системе "крепь - породный массив", в блоковых и плоскопараллельных структурах пород. Работа направлена на повышение уровня автоматизации технологического процесса проведения горных выработок. Предложена концепция поэтапной автоматизации - от оперативного контроля к построению стационарной автоматической системы. Разработана функциональная структура программного обеспечения автоматической системы.

Выполнена идентификация блоковых плоскопараллельных структур контролируемых объектов (массива, крепи и элементов строительных конструкций) как объектов автоматического контроля. Предложено автоматизировать контроль элементов геомеханической системы на основе критерия квазистационарности колебательного процесса. Для структур различных материалов определены значения границ зон акустической слышимости нормальных резонансных мод с использованием фильтров низких частот и стадийность развития колебательного процесса. Установлена связь спектра апериодического импульсного сигнала таких колебаний со спектрами выделенных мнимых периодических сигналов.

Предложен метод автоматической обработки импульсных виброакустических сигналов в реальном времени, заключающийся в автоматическом построении спектрограмм в двоичном коде с последовательной циклической обработкой сигнала от высоких частот к низким и разбиением на временные интервалы, в пределах каждого из которых изменение мгновенного значения отклонения принимается за один период мнимого незатухающего колебательного процесса. Выполнены компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, подтверждающие информативность и эффективность предложенного метода.

Разработаны программы автоматической статистической и спектральной обработки текущей технологической информации с помощью однокристальных микроконтроллеров и персональных ЭВМ. Созданы экспериментальные образцы средств автоматизации контроля устойчивости массива с применением современной элементной базы, а на основе персональной ЭВМ - автоматизированный контрольно-измерительный комплекс, позволяющий выполнять качественную и количественную оценку параметров сигналов и частотных характеристик технических средств автоматизации. Разработанные ассемблерные программы и схемные решения могут применяться как в приборах оперативного контроля, так и в контроллерах нижнего уровня стационарной автоматической системы.

С применением разработанных методов и программно-аппаратных средств автоматизации контроля выполнены натурные исследования в условиях, когда массив представлен скальными, осадочными породами и грунтом, определены участки повышенных нагрузок на крепь и пустотности заобделочного пространства тоннеля. Полученные результаты использованы для промышленного внедрения. Издано отраслевое "Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь - породный массив" вертикальных стволов (Дополнение к "Пособию по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД.12.18.073_88")".

Ключевые слова: массив горных пород, проведение и поддержание выработок, виброакустика, автоматический контроль, средства автоматизации.

Yalansky A.A. Methods and Means of the System "Support-Rock Mass" Automation Control under the Conditions of Mining. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in speciality 05.13.07 - Technological Processes Automation. - National Mining University, Dnepropetrovsk, 2002.

The work is devoted to methods substantiation, to working out algorithms and means of automatic vibration-acoustic control for the workings and roadways steadiness taking into account the laws of oscillation and wave processes emergence in the system "support-rock mass" as well as in block and flat-parallel rock structures. New conception of operative control automation has been offered, computer modeling has been performed and the programs of automatic statistic and spectral processing of the initial technological data have been developed with the help of microcontrollers and personal computers. Experimental specimens of automated control means have been designed to provide control of the rock mass steadiness thanks to which it turns possible to carry out nature investigations under the conditions when rock mass contains sediments and ground. The zones of stepped_up voltage round the workings and roadways as well as hollows behind the tunnels lining were defined. The results obtained may be applied for the industrial introduction.

Key words: rock mass, workings and roadways, vibroacoustics, automatic control, automation means.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Україна має значні запаси твердих корисних копалин, які є сировинною базою для енергетичного комплексу, металургійної та хімічної промисловості країни. Проведення гірничих виробок - складний енерговитратний та трудомісткий технологічний процес, кінцевий продукт якого - безпосередньо підземна виробка. Стійкість виробки визначається геомеханічним станом системи "кріплення-породний масив", своєчасна діагностика якого пов'язана із створенням безпечних умов праці та забезпеченням неперервності технологічного циклу гірничо-видобувного підприємства. За складних гірничо-геологічних умов для контролю стійкості є досить перспективним застосування інформативних та ефективних геофізичних методів, зокрема віброакустики. Доцільно використовувати апаратуру віброакустичного експрес-контролю в комплексі з автоматизованою комп'ютерною обробкою результатів вимірювань, що дозволить підвищити загальний рівень автоматизації технологічного процесу проведення виробок. У зв'язку з цим вельми актуальна задача автоматизації віброакустичного контролю системи "кріплення-породний масив", створення методів та засобів автоматизації на основі сучасної елементної бази світового рівня, принципи дії та схемні вирішення яких можуть застосовуватися як у портативних приладах, так і в централізованих системах контролю стану кріплення та масиву порід.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Автор дисертації взяв особисту участь у виконанні науково-дослідних робіт "Исследование энергетических и технологических показателей ресурсосберегающего принудительного самоизмельчения материалов черной металлургии" №ДР UA01010118р, 1994 р., "Исследование и подготовка к внедрению промышленных мельниц и технологии интенсифицированного принудительного самоизмельчения" №ДР UA01010119р, 1995 р., "Приборно-методическое обеспечение диагностики технического состояния гидротехнических сооружений и технологии ремонтно-строительных работ", №ДР 0197U0I6336, 1997 р. та "Научные основы автоматизированного контроля геомеханических процессов в углепородном массиве при горно-технологических работах", №ДР 0195U0I5134, 1998 р.

Мета та задачі досліджень - підвищення продуктивності та достовірності автоматичного віброакустичного контролю системи "кріплення-породний масив" при проведенні та підтримуванні гірничих виробок за рахунок обгрунтування методів, розробки алгоритмів та створення засобів автоматизації. Для її реалізації поставлені наступні задачі:

1. Виконати ідентифікацію елементів геомеханічних та геотехнічних структур як об'єктів автоматичного контролю технологічних процесів проведення та підтримування гірничих виробок.

2. Обґрунтувати методи, виконати математичне та комп'ютерне моделювання автоматичної цифрової обробки сигналів з урахуванням специфічних особливостей реакції геомеханічних та геотехнічних об'єктів, що підлягають контролю, на збурюючий вплив ударної дії.

3. Визначити параметри аналого-цифрових та мікропроцесорних засобів автоматизованого контролю, які забезпечують реалізацію запропонованих алгоритмів.

4. Розробити концепцію поетапної автоматизації віброакустичного контролю системи "кріплення-породний масив" та функціональну структуру програмного забезпечення автоматичної системи на основі персональної ЕОМ та мережі підпорядкованих периферійних контролерів.

5. Розробити засоби первинної автоматизації віброакустичного контролю: індикатори, пристрої, програми для однокристальних мікроконтролерів приладів оперативного контролю і контролерів нижнього рівня автоматичної системи.

6. Виконати апробацію та натурні дослідження запропонованих методів і розроблених засобів автоматизованого віброакустичного контролю системи "кріплення-породний масив".

Ідея роботи полягає в ідентифікації геомеханічних та геотехнічних об'єктів автоматичного віброакустичного контролю як блокових і плоскопаралельних структур та врахуванні специфічних особливостей сигналів їх реакції на збурюючий вплив ударної дії, що дало змогу створити методи автоматизації, автоматизовані цифрові засоби та різнорівневу методику контролю на основі високотехнологічного програмного забезпечення із застосуванням сучасних мікропроцесорних засобів та персональних ЕОМ.

Об'єкт та предмет досліджень: технологічні процеси проведення та підтримування гірничих виробок, технології автоматизації їх контролю; автоматизований віброакустичний контроль системи "кріплення-породний масив" при проведенні та підтримуванні гірничих виробок.

Методи досліджень: аналіз літературних джерел і використання класичної теорії хвиль; математичне та комп'ютерне моделювання; статистичне опрацювання експериментальних даних віброударного простукування; експериментальні дослідження в лабораторних і натурних умовах підземних виробок з розробкою нових аналого-цифрових та мікропроцесорних засобів вимірювань.

Основні наукові положення, результати та їх новизна

Наукові положення:

1. Автоматичний контроль системи "кріплення-породний масив" при проведенні гірничих виробок забезпечується за умов ідентифікації локальних геомеханічних об'єктів як систем із зосередженими параметрами, причому контроль зміни навантаження їх елементів має здійснюватись аналізом на відповідність критерію квазістаціонарності параметрів реакції системи на збурюючий вплив з урахуванням, на відміну від відомих методів, стадійності розвитку коливального процесу.

2. Спектр імпульсного сигналу реакції блокової або плоскопаралельної структури контрольованого геомеханічного об'єкта на збурюючий вплив ударної дії є сумою скінченого числа згорток прямих перетворень Фур'є уявних періодичних сигналів та зміщених одиничних прямокутних імпульсів, причому критична частота першої моди коливань обернено пропорційна подвоєній товщині структури, що принципово дозволяє автоматизувати контроль об'єкта в режимі реального часу на основі спектрів виділених періодичних сигналів, а не імпульсу у цілому.

Наукові результати:

1. Виконана ідентифікація локальних елементів геомеханічних та геотехнічних структур як об'єктів автоматичного контролю в технологічних процесах проведення і підтримування гірничих виробок з урахуванням принципу квазістаціонарності коливального процесу реакції системи "кріплення-породний масив" на збурюючий вплив на основі параметрів акустичних сигналів, що одержані експериментально в шахтних умовах.

2. Встановлений зв'язок між спектром сигналу реакції блокової або плоскопаралельної структури контрольованого геомеханічного об'єкта на збурюючий вплив ударної та спектрами виділених періодичних сигналів, які відповідають окремим стадіям розвитку коливального процесу, виявлена залежність між критичною частотою першої моди коливань у стадії переважання нормальних резонансних хвиль та технологічними параметрами закріпленої виробки.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, досліджень, висновків та рекомендацій підтверджується задовільним збігом теоретичних та експериментальних досліджень, прийнятими фізичними передумовами, що базуються на фундаментальних законах теорії хвилевих процесів і механіки гірських порід, статистичною обробкою та достатністю об'єму експериментальних даних, які забезпечують, навіть у разі застосування індикаторних приладів, надійність результатів не нижче 90% при відносній похибці не більше 20%, що вважається задовільним для задач гірничо-технічного профілю.

Наукове значення роботи полягає в: 1) ідентифікації локальних елементів геомеханічних та геотехнічних структур як об'єктів автоматичного контролю в технологічних процесах проведення і підтримування виробок, що виконана з урахуванням принципу квазістаціонарності коливального процесу реакції системи "кріплення-породний масив" на збурюючий вплив; 2) створенні методу автоматичного контролю системи "кріплення-породний масив" в режимі реального часу шляхом аналізу поодиноких акустичних імпульсів за алгоритмами, що враховують специфічні особливості сигналів реакції контрольованого геомеханічного об'єкта на збурюючий вплив.

Практичне значення роботи полягає в створенні нових програм, аналого-кодових та цифрових засобів автоматичного контролю системи "кріплення-породний масив" при проведенні та підтримуванні гірничих виробок, розробці методичних вказівок і керівного документа. Основні наукові положення, методи автоматизованої обробки результатів вимірювань реалізовані в засобах контролю, методичних вказівках для навчальної роботи. Проведені випробування старопридатного тюбінгового кріплення Дніпропетровського метрополітену, яке раніше експлуатувалося, та визначені тюбінги, придатні для повторної експлуатації, виконано картування пустот навколо Лоцманського залізничного тунелю Придніпровської залізниці. Видане галузеве "Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь-породный массив" вертикальных стволов (Дополнение к "Пособию по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД.12.18.073_88")".

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення та висновки. Ним розроблені концепція автоматизації оперативного контролю стійкості масиву гірських порід, методи, алгоритми, програми та засоби автоматизованого віброакустичного контролю. Автор виконав аналітичні викладки, комп'ютерне моделювання, аналіз та обробку результатів шахтних досліджень, приймав безпосередню участь в проведенні натурних досліджень в тунелях та у впровадженні їх результатів. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались на Міждержавному науковому семінарі "Проблеми комплексного освоєння надр" (м. Дніпропетровськ, 1995) і п'яти Міжнародних конференціях: "Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини" (м. Дніпропетровськ, 1997), "Сучасні технології економічного та безпечного використання електроенергії" (м. Дніпропетровськ, 1997), "Геотехнічна механіка освоєння надр" (м. Дніпропетровськ, 1998), "Комп'ютерні технології в навчанні, наукових дослідженнях та промисловості" (м. Дніпропетровськ, 1998), "Проблеми та перспективи використання геоінформаційних технологій в гірничій справі" (м. Дніпропетровськ, 2000).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 6 в фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел із 182 найменувань на 16 сторінках; містить 133 сторінки машинописного тексту (113 сторінок у основній частині), 10 таблиць та 48 ілюстрацій, загальний обсяг - 292 сторінки, включаючи 7 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність, сформульовані мета та ідея роботи, визначені об'єкт, предмет та методи досліджень, викладені основні наукові положення, їх новизна та достовірність, наукова та практична цінність і реалізація отриманих результатів, структура роботи.

У першому розділі виконаний аналіз відомих автоматизованих систем контролю параметрів і технологічних процесів гірничовидобувної промисловості, методів оперативного та автоматизованого контролю масиву гірських порід. Велике значення для розвитку методів цифрової обробки сигналів, автоматизації та інформатизації гірничовидобувної промисловості мають роботи авторів: М.О. Алексєєва, В.С. Гутникова, Є.В. Кочури, Г.В. Кузнецова, В.М. Назаренка, Г.Г. Півняка, М.І. Стадніка, В.В. Ткачова, В.О. Ульшина, Ф.П. Шкрабця та ін. Вагомий внесок у вивчення масиву порід зробили вчені: А.Ф. Булат, М.П. Зборщик, А.М. Зорін, В.С. Курленя, І.М. Петухов, І.О. Турчанінов, Б.М. Усаченко, В.В. Фромм, В.І. Шемякін та ін. Розвитку геофізичних методів шахтного контролю присвячені роботи М.Я. Азарова, М.С. Анциферова, П.О. Богданова, О.В. Бойко, Є.С.Ватоліна, В.М. Сергієнка, Г.О. Соболєва, Б.Г. Тарасова, А.О. Яланського, В.С. Ямщикова та ін. Оскільки повна автоматизація контролю та управління станом масиву не завжди можлива та економічно доцільна, автором поставлена задача забезпечення можливості первинної автоматизації на основі приладів оперативного контролю з подальшим розширенням до стаціонарної централізованої системи. При цьому необхідно розробити нові універсальні методи автоматизації, що враховують специфічні особливості сигналів реакції контрольованих об'єктів на збурюючий вплив.

У другому розділі на підставі ідентифікації об'єктів контролю (елементів кріплення та масиву) розглянуті фізичні аспекти автоматизованого віброакустичного контролю їх параметрів у складних гірничо-геологічних умовах, запропоновано методику акустичного глибинного контролю та структуру програмного забезпечення автоматизованої системи. Контроль здійснюється на основі аналізу реакції об'єкта на збурюючий вплив ударної дії. Критерієм переходу процесу від коливального руху до хвилевого служать умови квазістаціонарності: - коливальний рух, - хвилевий, де - характерні лінійні розміри системи; - швидкість розповсюдження збурення; - час його помітної зміни (час удару). На основі вимірювань швидкостей пружних хвиль в породних масивах та матеріалах кріплень, часу удару для реальних розмірів деревяних, бетонних та металевих конструкцій і кріплень зруйнований масив і кріплення можна віднести до систем з зосередженими, а суцільний - до систем з розподіленими параметрами.

Класичне акустичне поле для нормальних хвиль в таких системах має вигляд:

(1)

де - зміщення, функція координат і часу; - амплітуда, у загальному вигляді комплексна величина; - циклічна частота; - час; - координати; - швидкість пружних хвиль; - номер моди; - довжина хвилі; - ширина хвилеводу. Рівняння, що відрізняються номером n, описують збурення, які не змінюють свого вигляду при розповсюдженні в шарі, причому

,

де - критична довжина хвилі з номером , їй відповідає критична частота

.

На довжинах хвиль у шарі можна збудити будь-яку з мод. Найбільшу довжину хвилі має мода з . Коли , а , шар перетворюється на резонатор і між межовими площинами утворюється стояча хвиля, амплітуда якої вздовж шару постійна. Для системи з розподіленими параметрами із збільшенням відстані від точки збудження коливань вздовж осі шару хвиля експоненціально згасає. Закриття тріщин, відшарувань в масиві, пустот між кріпленням та масивом однозначно переводить однорідну нормальну хвилю в неоднорідну, експоненціально згасаючу. В зв'язку з цим можна зробити важливий висновок для методики контролю плоскопаралельних структур за умови однобічного доступу до масиву гірських порід, а саме: із збільшенням бази віброакустичного (ударнохвилевого) контролю на поверхні масиву переважно фіксуються тільки стоячі хвилі, резонаторами для яких є поверхні виробки та зміни літології порід або відшарувань.

Установлено, що розвиток коливального процесу в точці блокового елемента масиву, віддаленої від точки збудження, зазнає почергової зміни в часі трьох послідовних стадій (вступу поздовжньої хвилі, переважання нормальних резонансних хвиль і стадії коливань згину), тому доцільно послідовно аналізувати сигнал акустичного відгуку окремо в цих стадіях.

Третій розділ присвячений обгрунтуванню нових методів автоматизованої цифрової обробки віброакустичних сигналів на основі ідентифікації блокових елементів як об'єктів автоматизованого контролю та управління. Оскільки: а) згасаючий аперіодичний сигнал можна подати як суперпозицію добутків періодичних сигналів на одиничні прямокутні імпульси ; б) перетворення Фур'є є лінійним; в) перетворення Фур'є добутку двох функцій дорівнює згортці їх перетворень; д) для кожного _го прямокутного імпульсу:

,

то маємо:

, (2)

де - момент часу, який відповідає середині _го прямокутного імпульсу, - його тривалість; , , - відповідно прямі перетворення Фур'є імпульсу, добутку періодичної складової на імпульс та періодичної складової. Таким чином, спектр вихідного аперіодичного сигналу однозначно пов'язаний із спектрами уявних періодичних коливань , що підтверджено моделюванням і обробкою експериментальних даних. При цьому контрольований сигнал апроксимується не півхвилями синусоїд, а ділянками кривих, які мають по п'ять гармонічних складових, що дає більш високу точність наближення.

Запропоновані методи орієнтовані на цифрову обробку сигналів за допомогою мікропроцесорних засобів з бітовою системою команд. Тому для спектрального аналізу кожної з виділених періодичних складових раціонально використовувати 12 поточних ординат. При цьому функція задається рівнем постійної складової та коефіцієнтами , ; , , які обчислюються за формулами:

(3)

,

де проміжні змінні ; ; ; ; ; ; розраховуються за такою схемою обчислень:

;

;

. (4)

Величини, які входять до кінцевих формул (3), виділені напівжирним шрифтом. В квадратних дужках приведені розрядності абсолютних величин проміжних змінних при використанні 8-, 10- та 12-розрядних вхідних даних. Максимальна розрядність цілочислових змінних становить 15 біт, що дозволяє робити проміжні обчислення над двобайтними операндами з використанням старшого 16-го розряду як знакового.

Для апробації запропонованих методів автоматизованої обробки поточної технологічної інформації в режимі реального часу, оцінки їх точності та інформативності розроблено програмну модель, яка реалізує алгоритми спектрального аналізу для мікроконтролерів у середовищі Mathcad 7 Professional на персональній ЕОМ. Результати моделювання автоматично видаються в числовому і графічному вигляді. За допомогою зазначеної моделі оброблені масиви значень тестових сигналів, сигналів ударнохвилевого простукування на різних базах бетонних та гіпсових плит із застосуванням датчиків різного типу та ударників різної маси. Залежно від рівня перешкод, ширину зони нечутливості слід брати від 3 до 15 %, при її зміні відбувається незначне зміщення точок на підсумковій спектрограмі, але відносна похибка обчислення амплітуд не перевищує 20 %.

Розроблена програма Su-Stat, яка дозволяє автоматично обчислювати основні статистичні характеристики одночасно двох масивів випадкових чисел, будувати гістограми розподілу, лінійну та нелінійні (параболічну, гіперболічну, степеневу, експоненціальну) регресійні моделі з оцінкою їх коректності за коефіцієнтами детермінації при дослідженні об'єктів гірничотехнічного профілю. На відміну від раніше відомих, у програмі передбачена можливість вибору методів згладжування. Для відсіву помилкових значень додатково використано спосіб, який базується на порівнянні величини зміни досліджуваного параметра за час кроку вибірки з максимальним значенням модуля темпу його зміни.

Розроблені метод, алгоритм та програма переведення файлів графічних форматів, отриманих методом сканування, у текстові файли. Програма дозволяє здійснювати високоточний спектральний аналіз технологічних сигналів. Перетворення двовимірного масиву , який містить зображення сигналу ( - ціле число від 0 до 255), виконуємо за формулою:

, (5)

де - символ Кронекера (1, якщо , і 0, якщо , і - цілочисельні вирази), - число рядків матриці. У разі необхідності виділення елементів зображення за кольором для перетворення масиву запропоновано вираз

, (6)

де , - граничні значення для елемента зображення.

Дані програми розроблені в оболонці Mathcad 7 Professional.

Четвертий розділ присвячений удосконаленню засобів автоматизації віброакустичного контролю. Розроблено засоби оперативного контролю на основі економічних еквалайзерів та пікових світлодіодних індикаторів, виконаних на мікросхемах з мікропотужним живленням, схеми десятисмугових розділювальних фільтрів на економічних мікросхемах згрупованих операційних підсилювачів, які дали можливість на порядок зменшити енергоспоживання приладів-індикаторів стану покрівлі ИСК_1 та ИСК_1Ш (іскробезпечне виконання), та схему аналого-цифрового блока індикації на основі однокристального мікроконтролера з флеш-пам'яттю Atmel 89C51. Характерна особливість цих засобів - у можливості плавного або дискретного змінення амплітудно-частотних характеристик вимірювального тракту залежно від задачі контролю та типу датчиків.

Визначено мінімально необхідні обчислювальні потужності цифрових засобів автоматизації, обрано формати з фіксованою та плаваючою комою, які дають змогу забезпечити необхідний діапазон та точність подання чисел. Для мікроконтролерів сім'ї MCS_51/251 розроблено асемблерну програму SP12i51 автоматичного спектрального аналізу сигналів методом 12 ординат. Відповідно до конкретних значень коефіцієнтів обчислювальної схеми (6) розроблені алгоритми прискореного множення та визначення молодшого байта різниці величин. Програма складена з використанням макрозасобів, що дозволило скоротити кількість операторів її вихідного тексту, спростити структуру, забезпечити її гнучкість і переналагодженість. Розробка та налагодження програмного забезпечення для приладів на основі мікроконтролерів сімей MCS_51/251 виконані в інтегрованому інструментальному середовищі COMPASS/251 IDE.

З метою визначення метрологічних характеристик функціональних блоків автоматизованих систем і приладів оперативного геофізичного віброударного контролю на базі IBM_сумісної персональної ЕОМ розроблено спеціалізований автоматизований вимірювальний стенд. Оскільки робочі ділянки амплітудно-частотних характеристик таких приладів знаходяться у межах звукового діапазону частот (15-20000 Гц), для введення сигналів до ЕОМ використовується звукова плата загального призначення без погіршення функціональних можливостей стенда. Розроблені та сформовані у вигляді RIFF_файлів послідовності миттєвих значень амплітуд тестових сигналів плаваючих та дискретних частот. За допомогою розробленого вимірювального стенда виконані запис і аналіз на персональній ЕОМ сигналів віброакустичного контролю бетонних та гіпсових плит, тунельного оздоблювання, покрівлі та кріплення гірничих виробок.

У п'ятому розділі наведено результати натурних експериментальних досліджень системи "кріплення-породний масив" за допомогою розроблених методів, алгоритмів та засобів автоматизованого віброакустичного контролю при проведенні гірничих виробок, при контролі стійкості капітальних і підготовчих виробок вугільних, рудних та нерудних шахт, а також кріплення та виробок метрополітену та залізничного тунелю. Розглянуті методичні аспекти контролю. Вибір точок визначається просторовою структурою контрольованого об'єкта, база простукування повинна відповідати геометричним розмірам об'єкта та бажаній глибинності контролю. Вибір бази - ефективний інструмент виділення першої, інформативно значущої резонансної моди. Для оцінки стану кріплення та породного масиву в певному місці, як правило, достатньо зробити виміри на 3-7 арках. Кількість точок вимірювання залежить від перерізу та периметра виробки. У виробках невеликого перерізу досить 3-5 точок, рівномірно розташованих на твірній та на лінії контуру арки, у виробках більшого перерізу здійснюють до 7 вимірювань. Результати аналізуються та інтерпретуються на основі автоматизованої статистичної обробки поточної технологічної інформації.

Висновки

алгоритм віброакустичний автоматичний виробка

Дисертація є завершеною науковою роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача автоматизації віброакустичного контролю системи "кріплення-породний масив" за рахунок обгрунтування методів, розробки алгоритмів та створення програмно-технічних засобів, що має важливе значення для автоматизації контролю технологічних процесів проведення та підтримування гірничих виробок. Основні наукові та практичні результати зводяться до наступного.

1. Виконано ідентифікацію локальних елементів геомеханічних та геотехнічних структур як об'єктів автоматичного контролю в технологічних процесах проведення і підтримування гірничих виробок з урахуванням на основі критерію квазістаціонарності закономірностей виникнення коливальних та хвилевих процесів у системі "кріплення-породний масив".

2. Доведено, що спектр сигналу реакції блокової або плоскопаралельної структури геомеханічного об'єкта на збурюючий вплив є сумою згорток прямих перетворень Фур'є уявних періодичних сигналів і прямокутних імпульсів, що дозволяє автоматизувати її контроль на основі спектрів виділених періодичних складових.

3. Розроблено та обгрунтовано метод автоматичного контролю системи "кріплення-породний масив", який полягає в автоматичній побудові спектрограм у двійковому коді методом дванадцяти ординат шляхом послідовної циклічної обробки сигналу від високих до низьких частот і розбивки на часові інтервали, в межах кожного з яких зміна миттєвого значення відхилення береться за один період уявного незгасаючого коливального процесу. Розроблена асемблерна програма швидкого перетворення Фур'є методом дванадцяти ординат для мікроконтролерів сім'ї MCS_51/251. При обробці 8-, 10- і 12-розрядних даних динамічний діапазон перетворення складає відповідно 48,1; 60,2 і 72,2 дБ. Похибка обчислення коефіцієнтів ряду складає 0,14%. Залежно від типу і тактової частоти мікроконтролера тривалість виконання програми становить 95-491 мкс, а максимальна частота дискретизації сигналу - 126,3 кГц.

4. Відзначено, що різноманітність гірничотехнічних задач оцінки стійкості та гірничо-геологічних умов закладки підземних споруд і виробок обумовлює різнорівневу блокову побудову системи автоматичного контролю з її розділенням на апаратну та програмну частини, а динамічна мінливість стану масиву - необхідність автоматизованої оцінки та виявлення із числа багатьох параметрів взаємозалежних і найбільш швидкозмінних, при цьому типізація елементів контролю істотно спрощує методику вимірювань та відкриває принципову можливість їх найбільш повної автоматизації.

5. Запропоновано функціональну структуру програмного забезпечення автоматичної системи контролю стану виробки та кріплення, яка відрізняється різнорівневим підходом до проблеми автоматизації. Як основні елементи структури розроблені програми автоматичної статистичної і спектральної обробки вихідної геомеханічної та технологічної інформації для персональних ЕОМ. Програма статистичної обробки є складовою частиною галузевого керівного документа.

6. Визначено параметри аналого-цифрових та мікропроцесорних засобів віброакустичного контролю. Виходячи з конкретних параметрів цифрових фільтрів і вимоги забезпечення роботи в режимі реального часу, встановлено мінімально допустимі значення часу кожного з обчислювальних циклів, частоти вибірки та необхідні пропускні спроможності цифрового каналу, вибрано сучасну елементну базу відповідно до цих вимог.

7. Розроблено та створено експериментальні зразки засобів автоматизованого віброакустичного контролю системи "кріплення-породний масив", які відрізняються від відомих кращими ергономічними показниками, меншим енергоспоживанням і розширеними технічними та сервісними можливостями. Проведена апробація експериментальних зразків.

8. На базі персональної ЕОМ створено автоматизований контрольно-вимірювальний комплекс, який дозволяє виконувати якісну та кількісну оцінку параметрів сигналів та частотних характеристик розроблених пристроїв. Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики тракту "відтворення-запис" у діапазоні частот 23,7-17220 Гц не перевищує 2,5 дБ, а в разі використання спеціальних тестових сигналів - 0,5 дБ.

9. Із застосуванням розроблених методів, алгоритмів та засобів виконано контроль системи "кріплення_породний масив" при проведенні та підтримуванні виробок шахт та тунелів. Отримані результати використано для промислового впровадження.

Публікації

1. Яланский А.А. Определение параметров микропроцессорных приборов акустического контроля устойчивости кровли горных выработок //Геотехническая механика: Сб. науч. тр. - 1997. - №3. - С. 124-128.

2. Яланский А.А. Оперативная виброакустическая диагностика машин и механизмов методом спектрального анализа с применением однокристальных микро-ЭВМ // Вибрации в технике и технологиях. - 1998. - №3(7). - С. 74-75.

3. Яланский А.А. Спектральный анализ геофизических сигналов, представленных файлами графических форматов // Геотехническая механика: Сб. науч. тр. - 1998. - №4. - С. 154-158.

4. Воробьев А.А., Яланский А.А. Подготовка методического обеспечения учебного курса "Микроконтроллеры" для студентов электротехнических специальностей: интегрированные инструментальные средства // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск, 1998. - №4. - С. 12-18.

5. Яланский А.А. Исследование процессов горного производства методами математической статистики с помощью персональных ЭВМ // Геотехническая механика: Сб. науч. тр. - 1998. - №5. - С. 156 - 160.

6. Ткачев В.В., Яланский А.А. Реализация быстрого преобразования Фурье методом двенадцати ординат с помощью однокристальных микроконтроллеров // Гірнича електромеханіка та автоматика: Зб. наук. пр. - - 1999. - №3(62). - С. 61 - 67.

7. Ткачев В.В., Яланский А.А. Определение комплексного амплитудно-частотного показателя сигналов геоакустического контроля плоскопараллельных и блоковых структур приконтурного массива горных пород // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск, 2000. - № 9, том. 2. - С. 156-162.

8. Яланский А.А. К вопросу последовательного спектрального анализа с применением цифровой обработки сигналов на базе однокристальных микро-ЭВМ // Тр. междунар. конф. "Современные технологии экономичного и безопасного производства и использования электроэнергии". - Днепропетровск, 1997. - С. 286-289.

9. Ткачев В.В., Яланский А.А. Виброакустические приборы-индикаторы оперативного контроля конструкций, механизмов и электрических машин методом спектрального анализа // Тр. междунар. конф. "Современные технологии экономичного и безопасного использования электроэнергии".-Днепропетровск, 1997. - С. 270 - 273.

10. Яланский А.А. Математическая обработка на ЭВМ сигналов и функциональных зависимостей, представленных в виде графиков и файлов графических форматов // Тр. междунар. конф. "Компьютерные технологии в обучении, научных исследованиях и промышленности". - Днепропетровск, 1998. - № 4. - С. 46-48.

11 . Усаченко Б.М., Яланский А.А. Ввод аналоговых сигналов в микропроцессорных приборах контроля деформирования и разрушения напряженных горных пород // Тр. междунар. конф. "Геотехническая механика освоения недр". - Днепропетровск, 1998. - №8. - С. 112-118.

12. Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь - породный массив" вертикальных стволов: Дополнение к "Пособию по восстановлению крепи и армировки вертикальных стволов. РД.12.18.073_88" / Булат А.Ф., Усаченко Б.М., Яланский А.А. (ст.), Сергиенко В.Н., Паламарчук Т.А., Скипочка С.И., Усаченко В.Б., Яланский А.А., Слащева Е.А., Косков И.Г., Будник А.В., Левит В.В.- Донецк: ООО "Лебедь", 1999. - 42 с.

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані у співавторстві: обґрунтування методів і принципів [4, 6, 7], створення засобів [9, 11] і розробка програм автоматизованої обробки геофізичних сигналів [6, 12].

Размещено на Allbest.ru