Обеспечение безопасности горных работ с использованием волоконно-оптической системы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Обеспечение безопасности горных работ с использованием волоконно-оптической системы

Мехтиев А.Д., Солдатов А.И., Нешина Е.Г., Алькина А.Д., Мади П.Ш.

Мехтиев А.Д. - канд. техн. наук, проф. кафедры «Эксплуатация электрооборудования» Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина, Солдатов А И. - д-р техн. наук, проф. кафедры «Управление инновациями» Томского государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Нешина Е.Г. - магистр, завкафедрой «Энергетические системы», Алькина А.Д. - магистр, старший преподаватель кафедры «Информационные технологии и безопасность», Мади П.Ш. - магистр, старший преподаватель кафедры «Энергетические системы», (КарТУ)

Актуальность создания волоконно-оптической системы мониторинга геотехнического состояния горной выработки является крайне важным вопросом в достижении безопасности проведения горных работ. Особенно это важно для шахт Карагандинского угольного бассейна, так как они относятся к сверхкатегоричным по взрыву газа и пыли. Авторами проведен анализ существующих систем контроля давления кровли горных выработок, а также обосновывается использование оптического волокна. Представлена структурная схема разработанной четырехканальной системы мониторинга, которая может быть расширена в реальных условиях предприятия до нужного количества измерительных каналов. Для контроля горного массива разработан волоконно-оптический датчик, в котором в качестве чувствительного элемента использовалось кварцевое одномодовое оптическое волокно 9/125 мкм.

Важным элементом волоконно-оптической системы мониторинга является разработанный аппаратно-программный комплекс, обрабатывающий дифракционные пятна, путем сравнения с базой данных, к преимуществам которого можно отнести возможность внесения изменений в режиме онлайн, не останавливая процесса управления.

Данная система мониторинга является полностью взрывобезопасной и пригодна для использования в сверхкатегоричных шахтах.

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, система мониторинга, шахта, безопасность, оптическое волокно.

Providing Mining Operations Safety Using a Fiber Optical System. Mekhtiyev A. D. - S. Seifullin Kozakh Agrotechnical University, Nur-Sultan, Kazakhstan Soldatov A. V. - Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russian Federation

Neshina Y. G. - Karaganda Technical University, Karaganda, Kazakhstan Alkina A. D. - Karaganda Technical University, Karaganda, Kazakhstan Madi P. S. - Karaganda Technical University, Karaganda, Kazakhstan

Abstract: The relevance of creating a fiber-optic system for monitoring the geotechnical state of a mine is an extremely important issue in achieving the safety of mining operations. This is especially important for the mines of Karaganda coal basin, since they are in terms of gas and dust explosion. The authors have analyzed the existing systems for monitoring the pressure of the roof of mine workings, as well as substantiated the use of optical fiber. The block diagram of the developed four-channel monitoring system is presented, it can be expanded in the real conditions of the enterprise to the required number of measuring channels. To control the rock mass, a fiber-optic sensor has been developed; a quartz singlemode optical fiber 9/125 pm has been used as a sensitive element in it. An important element of a fiber-optic monitoring system is a developed hardware and software complex that processes diffraction spots by comparing with a database, the advantages of which include the ability to make changes online without stopping the control process. This monitoring system is completely explosion-proof and suitable for use in mines.

Keywords: fiber optic sensor, monitoring system, mine, security, optical fiber.

Введение

Карагандинский угольный бассейн, который на территории бывшего Советского Союза занимал площадь около 4 000 км2, был третьим по величине запаса угля после Донецка и Кемерово. В настоящее время действуют восемь шахт, которые добывают в основном коксующийся уголь для нужд металлургической промышленности. Шахты Карагандинского угольного бассейна слишком категоричны и опасны с точки зрения внезапных выбросов метанового газа и угольной пыли, поэтому в таких условиях возможно применение только специального оборудования для взрывоопасных сред с искробезопасными цепями. Одним из важных аспектов успешной работы сложной системы шахты является безопасность проведения горных работ. В связи с этим для создания волоконно-оптической системы мониторинга с необходимо провести тщательное исследование, чтобы лучше понять геотехническое поведение горных пород и обеспечить более высокую производительность совместно с безопасной рабочей средой для рабочих и механизмов.

Цель исследования

Одним из важных моментов является контроль горного давления на стенки выработок и прогнозирование их внезапного обрушения. Для понимания процесса необходимо вспомнить, что существует три состояния движения слоев кровли в залежи. Во-первых, начальное состояние, это исходное состояние пласта. Во-вторых, резкая кривая деформации с пиковым значением, указывающая на то, что пласты сломаны и разорваны, это означает, что существует большое разделение в их позиции и они подвержены разрушению. В-третьих, платформенная кривая деформации указывает на то, что пласты с одинаковым значением деформации перемещаются, замыкая пространство пустоты после прохождения забоя с механизированной крепью. Положения, деформации и литологии пластов можно представить как различие в состоянии движения пластов очистного забоя и прилегающего к нему пространству [1-2].

Так как традиционные методы контроля горного давления, в значительной степени, основаны на ручных измерениях, невозможно достичь определенной цифровизации производства. Руководство компании АО «АрселорМиттал Темиртау», в чьем подчинении находиться шахта им.Костенко, на базе которой проводились исследования, заинтересована во внедрении современных цифровых информационных систем контроля горного давления и предупреждения о внезапном обрушении горных выработок, так как осуществляет работу по повышению уровня безопасности горных работ.

Были попытки разработать системы контроля различного типа с передачей сигналов по медным контрольным кабелям или радиоэфиру, но не удалось довести данные системы до внедрения по многим причинам, в первую очередь, из-за длинного перечня требований безопасности. Основными требованиями являются: низкая стоимость одной точки контроля квазираспределенной системы мониторинга; вывод информации на поверхность; многокональность системы и ее способность к мультиизмерениям, включая температуру угольных пластов и концентрацию газа метана в атмосфере выработки. Обязательным условием является соблюдение всех требований безопасности. Были варианты использования электронных датчиков контроля смещений и горного давления, которые используются в туннелях, но их применение в условиях сверх категоричной шахты по внезапному выбросу газа и пыли ставится под сомнение, поскольку они используют электрический ток и подвержены помехам от электромагнитных сигналов или могут выйти из строя из-за высоких температур и влажности шахтной атмосферы [3].

Имеется опыт использования волоконно-оптических датчиков (ВОД) для систем мониторинга горного давления на руднике Эль-Тениенте (Чили), основанной на методе оптической рефлектометрии Бриллюэна (BOTDR). Система позволяет измерить деформацию вентиляционного штрека и отслеживать изменение геотехнических параметров. Также есть описание подобной системы измерения напряжений кровли выработки [4]. В литературе описан опыт использования ВОД с предварительным натяжением оптического волокна (ОВ) на арматуре бетонной крепи, дополнительно система измеряет температуру и контролирует выбросы газа. Есть описания ВОД, используемых для обнаружения возгорания угольного пласта, а также факты использования ВОД на угольных шахтах Китая [5-6].

Материалы и методы

Предложенная квази-распределенная система способна с высокой точностью измерять изменение горного давления и смещение пород кровли в условиях взрывоопасной среды. Для ее создания не требуется дорогостоящее оборудование, связанное с использованием спектроанализаторов и рефлектометров, что позволит существенно снизить стоимость волоконно-оптической системы мониторинга (ВОСМ) по сравнению с зарубежными аналогами, что является немаловажным фактором. Предложенная ВОСМ состоит из источника когерентного излучения 1 с длиной волны в пределах 650 нм мощностью 30 мВт, поляризатора и оптического изолятора 2, оптического разветвителя 3, прямого и обратного волокна 4 и 5, ВОД 6, фотоприемника 7, устройства предварительной обработки данных 8, устройства согласования с компьютером, соединительных кабелей 9 и 10, а также персонального компьютера с программным обеспечением 11, шпура с фиксирующим элементом 12 и 13 (рис.1). В лабораторной версии ВОСМ используется видимый диапазон красного света, в будущем возможно перейти на диапазоны 1310 или 1550 нм для увеличения протяженности измерительной системы свыше 30 км. Теоретическая протяженность настоящей направляющей линии ВОСМ составляет 30 км, что вполне достаточно для контроля самых удаленных точек шахты им. Костенко АО «Арселор-Миттал Темиртау». Для снижения помех от источника излучения используется оптический поляризатор и изолятор 2. Оптическое излучение разделяется в равных пропорциях в оптическом разветвителе 3, с его помощью происходит разделение оптической мощности излучения источника в пропорции %. Лабораторный образец ВОСМ имеет 4 канала, но в реальных условиях предприятия может иметь практически неограниченное количество измерительных каналов. В реальных условиях один модуль ВОСМ использует оптический кросс и разветвитель с числом каналов до 64, в качестве направляющей системы применяется стандартный телекоммуникационный одномодовый волоконно-оптический кабель. Для присоединения ВОД используются ответвительные коробки. Все присоединения ВОД выполняется при помощи стандартных универсальных адаптер UPP 2.5 мм и оптических коннекторах типа SC. ВОД подключен при помощи двух оптических волокон прямого и обратного направления движения оптического сигнала 4 и 5 соответственно. ВОД на схеме представлен позицией 6. Направления движения световой волны к ВОД показаны сплошной стрелкой, пунктиром движение световой волны в сторону фотоприемника 7, который фиксирует все изменения интенсивности и формы светового пятна. ВОСМ содержит четыре ВОД и соответственно четыре фотоприёмника на каждый канал. Все четыре фотоприемника подключены в устройство предварительной обработки данных 8. Далее уже электрический сигнал через устройство согласования 9 соединяется через соединительный кабель 10 с компьютером 11. ВОД размещается в шпуре 12, пробуренным в кровле горной выработки. В шпуре располагается фиксирующий элемент 13, к которому прикреплен трос одним концом, вторым концом трос крепится к воздействующему элементу ВОД.

Рис. 1. Структурная схема системы мониторинга: 1 - когерентный источник лазерного излучения, 2 - поляризатор и оптический изолятор, 3 - оптический разветвитель, 4 - прямое волокно, 5 - обратное волокно, 6 - ВОД, 7 - фотоприемник, 8 - устройство предварительной обработки данных, 9 - устройство согласования с компьютером, 10 - соединительный кабель, 11 - персональный компьютер с программным обеспечением, 12 - шпур, 13 - фиксирующий элемент

Конструкция волоконно-оптического датчика показана на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция датчика: 1-оптический ваттметр, 2-источник оптического излучения, 3-оптическое волокно, 4-держатель, 5-стальная пластина, 6-уплотнительный элемент, 7-элемент крепления троса, 8-трос, 9-распор, 10-корпус датчика

К оптическому ваттметру 1 и источнику оптического излучения 2 подсоединяется оптическое волокно 3, помещенное в корпус 10. Волокно проходит между держателем 4 и уплотнительным элементов 6. С помощью держателя 4 уплотнительный элемент 6 соединен со стальной пластиной 5, которая закрепляется с элементом крепления троса 7, к которому присоединен трос 8, с распором 9 на конце. Смещение горной породы в слоях кровли вызывает смещение распора датчика, который, перемещаясь, вызывает микроизгибы ОВ. Все изменения фиксируются системой мониторинга, а программное обеспечение переводит все изменения свойств света в единицы измерения давления. При изменении положения репера изменяются и свойства света, проходящего по ОВ, соответственно датчики будут распределены по кровле выработки в местах установки реперных станций.

Лабораторные исследования ВОД показали, что высокопрочное оптическое волокно не уступает прочности нержавеющей стали, а также обладает высокими характеристиками передачи давления и смещений с достаточно высокой точностью. ВОД, имплантированный в шпур кровли горной выработки, может контролировать состояние пластов горных пород и применяться для контроля движения пластов кровли. Шпур имеет длину от 3 до 7 метров, соответственно можно в одном шпуре размещать до трех ВОД, что пре необходимости повысит точность измерения и контроля на проблемных участках призабойных выработок, находящихся в опасности внезапного обрушения кровли.

Разработка аппаратно-программного комплекса

Аппаратно-программный комплекс разработанной системы способен оценивать изменение интенсивности светового пятна на выходе из волокна при помощи алгоритмов искусственного интеллекта. Формируется библиотека пятен, с помощью которой проводится обучение системы, для реагирования на изменения и оценивания различного рода помех. Встроенная сигнализация имеет разделение по каналам, индикацию от срабатывания и звуковой сигнал. Все тревожные сигналы автоматически записываются и хранятся жёстком диске компьютера до востребования. Аппаратно-программный комплекс способен работать в оптическом диапазоне от 470 до 1625 нм, в эксперименте использовался монохроматический когерентный источник света с длиной волны оптического излучения 650 нм.

Разработанная ВОСМ позволит контролировать горное давление и смещение пород кровли выработки без необходимости выполнения обхода реперных станций маркшейдером. ВОСК строится по блочно -модульной схеме и может быть легко расширена до требуемого количества каналов. Все оборудование размещается в стандартном телекоммуникационном 19 дюймовом шкафе типа 40U (1U=44.45 мм). Там же расположен оптический кросс и источник питания. Компьютер с программным обеспечением и монитором располагается на отдельном столе в удобном для оператора месте. Измерительная часть ВОСМ находится в атмосфере призабойного пространства и связывается с находящимся на поверхности устройством обработки данных посредством волоконно-оптических кабелей. Волоконно-оптическая направляющая система проходит по горизонтальным выработкам шахты и через вертикальный ствол в скважину, выходит на поверхность, где установлен пульт оператора. Соответственно, нет оборудования, использующего электрические сигналы и находящегося во взрывоопасной атмосфере подземных горных выработок. Это является главным условием безопасности проведения горных работ шахты им. Костенко АО «Арселор-Миттал Темиртау», что позволит пройти сертификацию оборудования в будущем и делает возможным внедрение ВОСМ.

На рис. 3 представлен первоначальный проект аппаратно-программного комплекса ВОСК, который способен выполнять измерения геотехнических параметров горной выработки и контролировать внезапные перемещения. В данной версии программа способна контролировать одновременно четыре реперных станции, но в дальнейшем количество каналов будет увеличено до необходимого количества и будет равно количеству реперных станций призабойного пространства в горной выработке. При превышении порогового значения аппаратно-программный комплекс передает предупреждающие сигналы на пульт оператора, тем самым предупреждая об опасности внезапного обрушения кровли горной выработки. Основной проблемой использования одномодового оптического волокна является возникновение значительного числа различного рода помех, вызывающих ложные срабатывания тревоги и искажение полученных данных измерения. Основными причинами возникновения помех является изменение температуры ВОД, что приводит к изменению его коэффициента преломления и фазы распространения оптического сигнала, так же изменяется и интенсивность световой волны, падающей на поверхность фотоприемника. Все сопутствующие проблемы и теоретические выкладки подробно описаны в литературе [7-8]. Если учесть, что предложенная система строится на принципиально новой основе без использования оптического интерферометра и на выходе из оптического волокна наблюдается световое пятно, подчиняющееся закону Гауссовского распределения, то это сильно затрудняет проведение измерений, а также получение адекватных данных. Различные методы измерения физических величин при помощи оптических интерферометров и их использования для контроля геотехнического состояния рассмотрены ранее в статьях [9-11]. В предложенной системе предпринята попытка упростить конструкцию ВОСМ и существенно снизить ее стоимость.

Рис. 3. Внешний вид окна аппаратно-программного комплекса

На рис. 3 (Channel 1 и Channel 2) видны отдельные всплески, которые являются помехами. Аппаратно-программный комплекс способен детерминировать полученные данные и исключить ложные срабатывания ВОСМ. Для контроля формы светового пятна используются возможности искусственного интеллекта. Это позволяет обучать систему, адаптируя ее к любым условиям горного предприятия. Система способна контролировать изменение горного давления и смещение горных пород кровли по изменению уровня дополнительных потерь, изменению интенсивности световой волны, падающей на поверхность фотоприемника, а интеллектуальная обработка изображения пятна позволяет отслеживать изменения интенсивности отдельных пикселей. Аппаратно-программный комплекс способен отслеживать скорость изменения производной интенсивности световой волны во времени. На рис. 4 приведено окно с изображениями световых пятен в спокойном (рис, 4.а) и возмущенном (рис. 4.б и рис. 4.в) состоянии при механическом воздействии на ВОД.

Рис. 4. Окно аппаратно-программного комплекса с изображением световых пятен. а - спокойное состояние системы, б, в - возмущенное состояние системы

Система также может ступенчато изменять свою чувствительность, первоначально она настроена на максимальную чувствительность для контроля начальных смещений и подачи предупредительных сигналов оператору, после чего происходит автоматическое загрубение параметров для точности фиксации смещения и исключения ложного измерения.

Заключение

горный волоконный оптический датчик

Предложенная волоконно-оптическая система мониторинга способна контролировать состояние движения слоев кровли горной выработки угольной шахты. Разработанный аппаратно-программный комплекс показал свою работоспособность. На техническом совете шахты им. Костенко АО «Арселор-Миттал Темиртау» были доложены основные положения, цель и задачи по созданию системы, где представители производства дали положительную оценку идее разработки отечественной ВОСМ. В дальнейшем система мониторинга может осуществлять контроль ряда параметров одновременно: горное давление, температуру, давление воды в подземном водоносном горизонте.

Литература

горный волоконный оптический датчик

1. Kun P. Statistical analysis of coal mine accidents and its countermeasures // China Coal. 2015. Vol. 41. P. 114-118.

2. Whittaker B.N. Appraisal of strata control practice // Min. Eng. 1974. Vol.134. Р. 9-22.

3. Structural health monitoring of underground facilities - Technological issues and challenges / Bhalla S., Yang Y.W., Zhao J., Soh C.K. // Tunnelling and Underground Space Technology. 2005. Vol. 20. Р. 487-500.

4. A Sensor-Type PC Strand with an Embedded FBG Sensor for Monitoring Prestress Forces / Kim S.T., Park Y.-H., Park S.Y. [et. al.] // Sensors. 2015. Vol. 15. Р.1060-1070.

5. Fiber optic sensing system for temperature and gas monitoring in coal waste pile combustion environments / Viveiros D., Ribeiro J., Ferreira J. [et. al.] // International Conference on Optical Fibre Sensors. 2015. № 6934. Р. 345-356.

6. A review of previous studies on the application of optical fiber sensor in geotechnical health monitoring / Pei H.-F., Teng J., Yin J.-H., Chen R. // Measurement. 2014. Vol. 58. Р. 207-214.

7. Буймистрюк Г. Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий // Control engineering Россия. 2013. № 3. С. 34-40.

8. Kumar M. S. Investigation of hardness and surface roughness in end milling glass fibre reinforced polymer composite // Metalurgija. 2019. Vol. 58. Р. 109-112.

9. An innovative approach for gob-side entry retaining in highly gassy fully- mechanized longwall top-coal caving / Zhang Z.Z., Bai J.B., Chen Y., Yan S. // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2015. № 80. Р. 1-10.

10. Физические основы создания датчиков давления на основе изменения коэффициента преломления при микроизгибе оптического волокна / Мехтиев А.Д., Юрченко А.В., Нешина Е.Г. и др. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2020. Т. 63, № 2. С. 129-136.

11. Использование оптического волокна G-652 для контроля горного массива угольных шахт / Мехтиев А.Д., Юрченко А.В., Алькина А.Д., Нешина Е.Г. // Вестник ЮУрГУ. Сер. Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2020. № 20. С. 144-154.

Размещено на Allbest.ru