СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ ВПЕРЕДИ ФРОНТА ОЧИСТНОЙ ЛАВЫ Российский патент 2016 года по МПК E21C39/00 

Предметом изобретения является способ для измерения относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы, предназначенных для текущего обнаружения и мониторинга опасности горных ударов в районе очистной лавы в подземной шахте.

Известен, из патентного описания PL 207323 В1, способ, в котором используются геофоны стандартной сейсмоакустической сети очистной лавы, установленные в прилегающих к лаве штреках впереди ее фронта, на известном расстоянии от пересечения с этой лавой. Значение коэффициента абсорбции определяют на основе аккумулированной условной энергии сейсмоакустических событий, регистрируемой упомянутыми геофонами в установленных, охватывающих лучше всего один полный рез лавы, промежутках времени, а также принимают расстояние геофонов от пересечения как их расстояние от источника сейсмоакустических импульсов и рассчитывают демпфирование как эффективное значение коэффициента по известным из физики уравнениям, связывающим наблюдаемую энергию с расстоянием от источника и с этим коэффициентом.

Известна также, из патентного описания PL 202149 В1, схема для непрерывного контроля относительных изменений напряжений в горном массиве впереди фронта очистной лавы, которая характеризуется тем, что к интерфейсам регистрирующего компьютера подключены, посредством линий связи, подземные передатчики, оборудованные геофонами, установленными, соответственно, в кровле и боковой стене выработки или в угольном пласте, причем эти передатчики питаются от этих линий искробезопасным током. Для оценки состояния относительных изменений напряжений используются колебания, вызываемые работающим выемочным органом очистного комбайна, определяя изолинии затухания этих колебаний в контролируемом пласте или кровле, а в компьютере производится расчет величины и распределения относительных изменений затухания сейсмической волны, которые приблизительно обратно пропорциональны к относительным изменениям напряжений, что позволяет представить их в виде томографической карты, содержащей изолинии относительных изменений напряжений.

Известна, из патентного описания PL 152339 (В1), схема многоканальной переносной сейсмической аппаратуры, предназначенной для контроля за состоянием горного массива в районе горных выработок, с целью отображения распределения напряжений, пространственного и по времени, а также изучения неоднородности залежи по методу активной сейсмической скоростной томографии. Схема состоит из микропроцессорного блока с внутренней статической памятью со свободным доступом RAM и программируемой памятью EPROM, который соединен посредством сборной системной магистрали с блоком расширенной памяти RAM с батарейной поддержкой, блоком часов реального времени, модулем управления, который возбуждается инерционным реле, а также блоком, управляющим измерениями и многоканальным блоком аналоговых входов, к которым подключены геофонные датчики. При этом блок, управляющий аналоговыми измерениями и блок аналоговых входов соединены друг с другом магистралью готовности. К системной магистрали подключены блок управления с жидкокристаллическим дисплеем и блок последовательной связи, имеющий двусторонний последовательный выход.

Известны также, из публикации "Методы оценки состояния опасности горных ударов для горных выработок в угольных шахтах" (2010 г.), Сборник под редакцией Юзефа Кабеша, изд. Главного института горного дела, гор. Катовице, с. 165-320 [„Metody oceny stanu zagrożenia tapaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego" (2010 г.), Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza, wyd. Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach s.165 - 320], методы сейсмического просвечивания с применением активной сейсмической томографии, а также пассивной сейсмической томографии.

Известны, из патентных описаний CN101762830 (В), CN102279410 (А), интегрированные схемы и способы мониторинга горного массива с использованием сети сейсмических и сейсмоакустических датчиков, соединенных с базовым компьютером посредством сети Ethernet, которые служат для анализа измерительных сигналов, регистрируемых по пространственному способу, а также для локализации источника сейсмического толчка в мониторируемых горных выработках.

Известен также, из патентного описания CN101581789 (А), метод обнаружения нарушений в горном массиве шахты, заключающийся в сейсмическом просвечивании горного массива между прилегающими к лаве штреками, по методу активной томографии. В этом методе применяются трехмерные геофонные измерительные зонды, расположенные в прилегающих к лаве штреках, а в качестве источника упругих волн используется детонация заряда взрывчатого материала в противоположном штреке. Метод заключается в регистрации распределения упругих волн в угольном пласте путем измерения трехмерными геофонными зондами прохождения волн, возбуждаемых в точках взрывания зарядов. На основе анализа этих измерений устанавливается наличие геологических аномалий в горном массиве.

Известен, из публикации патентного описания RU2011112877 (А), способ мониторинга напряженно-деформационного состояния горного массива в ходе выполнения горных работ, который характеризуется тем, что процесс измерения характерных показателей поля упругих волн в горном массиве производится непрерывно вдоль трех осей координат, с применением трехмерных датчиков колебаний, регистрирующих изменения параметров волнового поля, а также количественные изменения напряженно-деформационного состояния, согласно данным непосредственных и отраженных волн различной поляризации. Во время производства горных работ трехмерные датчики колебаний устанавливают по обеим сторонам вдоль подготовительных выработок, где осуществляется мониторинг напряженно-деформационного состояния, а в качестве источника упругих волн используются колебания, возникающие в процессе воздействия рабочего органа комбайна. В свою очередь, в процессе измерения характерных параметров упругих волн в горном массиве используется метод сейсмического просвечивания для локализации напряжений в угольном массиве на опережении эксплуатируемой лавы.

Известны также, из патентных описаний ЕР 1085347 (А2), ЕР 0333363 (А2), RU 2011142893 (А), устройства для искусственного возбуждения сейсмических волн с целью сейсмического просвечивания горного массива. В этих устройствах кинетическая энергия механических ударных элементов образуется пневматической системой.

Известна, в частности из публикации Осет К., Исаков З., Тренчек С. "Рекогносцировка состояния горного массива с помощью современной измерительной аппаратуры PASAT М". Материалы XV юбилейного международного симпозиума Геотехника - Geotechnics 2012, Научные материалы, Гливице - Устронь, 23-26 октября 2012 г. [Oset K., Isakow Z., Trenczek S., „Rozpoznawanie stanu górotworu za pomocą nowoczesnej aparatury pomiarowej PASAT M". Materiały z XV Jubileuszowego Międzynarodowego Sympozjum Geotechnika - Geotechnics 2012, Materiały Naukowe, Gliwice - Ustroń, 23-26 październik 2012 r.], искробезопасная переносная сейсмическая аппаратура, предназначенная для сейсмического просвечивания между выработками и между скважинами, а также для продольного сейсмического профилирования в горных выработках, а также для исследования горного массива в аспекте наличия скрытых резервуаров метана, а также других газов. Аппаратура предназначена для периодически выполняемых сейсмических измерений по методу активной сейсмической томографии, которые позволяют определить размеры зон опасных по пластовым толчкам, путем просвечивания горного массива искусственно возбуждаемой сейсмической волной.

Аппаратура составлена из измерительно-передающих модулей МРТ, соединенных с геофонными зондами, составленными из двух геофонов, ориентированных по прямоугольной схеме отрезком экранированного кабеля для передачи аналоговых данных. Модули снабжены микроконтроллерами с памятью FRAM, точные инструментальные усилители со сменным усилением, 24-битовые компенсационные преобразователи с антиалиасинговым фильтром, а также схемы передачи CAN. Каждый модуль питается от собственной искробезопасной батареи. Модуль MWP управляет конфигурацией и передачей сигналов из модулей МРТ. Он также питается от собственной батареи. Имеет вход со схемой запуска, позволяющей осуществить запуск измерений при инициации с помощью микровзрыва или механической, с помощью удара молотом. Дополнительно имеет интерфейс Bluetooth для коммуникации с модулем PDA, который содержит программное обеспечение, обеспечивающее конфигурацию измерительной сессии, то есть, время измерения, частоту, усиление, а также аквизицию измерительных данных. Эти данные передаются также с помощью интерфейса Bluetooth в компьютер типа ПК, находящийся на поверхности шахты, с целью дальнейшей их обработки. Принципом измерения является возбуждение сейсмической волны с одновременным генерированием сигнала запуска путем замыкания или размыкания токового шлейфа. Этот сигнал, принятый модулем MWP, позволяет синхронизировать все модули МРТ. С этого момента происходит регистрация сейсмической волны. Измерительные данные записываются в модуле PDA. Инструментальное программное обеспечение, на основе зарегистрированных данных, позволяет начертить сейсмограммы, по которым можно определить время возникновения волн отдельного типа, их амплитуду, частоту, а также, например, рассчитать скорость или ускорение колебаний среды.

Установка аппаратуры и выполнение измерений осуществляется с соблюдением сейсмической тишины, что требует остановки лавы на не менее чем одну добычную смену.

Выполняемые до настоящего времени единичные измерения во время сейсмического просвечивания, с большими временными интервалами, не позволяют осуществлять текущее мониторирование изменений напряженного состояния впереди фронта очистной лавы и производить оценку эффективности выполняемых профилактических работ по разгрузке напряжений. Основным недостатком применяемой до настоящего времени искробезопасной переносной сейсмической аппаратуры является необходимость обеспечения во время выполнения измерений сейсмической тишины, что требует остановки очистной лавы не менее чем на одну добычную смену, с целью установки датчиков, подключения элементов измерительной системы и выполнения измерений с использованием для возбуждения сейсмической волны молота или небольших взрывчатых зарядов, что не всегда возможно и требует непрерывного мониторинга концентрации метана.

Однако, с точки зрения качества и надежности измерения главным недостатком индивидуальной активной сейсмической скоростной томографии, реализуемой при помощи известной переносной сейсмической аппаратуры, является образование "мертвых зон", где информация о возникающих изменениях напряжений горного массива является некомплектной. Первая из них, это зона SX - мертвая для просвечивающих сейсмических лучей в районе очистной лавы, так как обычно не производят взрывания зарядов с выработки лавы. В свою очередь, достоверность индивидуально применяемой пассивной сейсмической томографии зависит от числа и расположения локализуемых сейсмических явлений в лаве. Индивидуальное применение сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, реализуемой с использованием рабочего органа комбайна в качестве источника просвечивающей волны, не дает информации о концентрации напряжений в глубине угольного массива вследствие образования мертвой зоны SX, так как при расположении датчиков в прилегающих к лаве штреках пространство этой зоны не просвечивается сейсмическими лучами.

Целью изобретения является разработка способа, реализующего измерения относительных изменений концентрации напряжений, возникающих в угольном пласте впереди фронта очистной лавы шахты. Это позволит производить текущие измерения изменений напряжений во время эксплуатации очистной лавы при одновременном увеличении объема идентификации состояния концентрации напряжений, а также точности измерения относительных изменений напряжений, с целью быстрого и более эффективного применения мер по профилактике горных ударов.

В способе измерения относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы управляюще-регистрирующий сервер регистрирует измерительный сигналы колебаний из установленных в прилегающих к лаве штреках трехмерных геофонных измерительных зондов, пространственно ориентированных синхронно во всех измерительных каналах и в синхронизированном временном интервале, а также в тесной корреляции с сигналами, информирующими о режиме работы и местоположению очистного комбайна в выработке лавы. На этой основе, во взаимодействии с преобразующим сервером, локализует он сейсмические явления, а также, после завершения комбайном каждого реза, производит анализ относительных изменений напряжений в угольном массиве впереди фронта очистной лавы по методу сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания с использованием зарегистрированных значений энергии волны, возбуждаемой рабочим органом очистного комбайна. Затем, после завершения реза, во время стоянки очистного комбайна, производится активная сейсмическая томография, скоростная или амплитудная, путем просвечивания горного массива между прилегающими к лаве штреками при помощи сейсмических волн, вызванных срабатыванием импульсных возбудителей колебаний, дистанционно запускаемых с поверхности шахты посредством преобразующего сервера. После этого производится анализ напряжений по методу пассивной сейсмической скоростной и/или амплитудной томографии, с использованием в качестве источника просвечивающей сейсмической волны толчков, вызываемых горной разработкой, а затем периодически, лучше всего несколько раз в течение добычной смены, составляется усредненная кумулированная томографическая карта концентрации относительных изменений напряжений и, лучше всего, составляет карты для отдельных видов томографии. Анализ относительных изменений напряжений по методу активной томографии путем просвечивания горного массива между пролегающим к лаве штреками с помощью искусственно возбуждаемой измерительной сейсмической волны, вызванной срабатыванием импульсных возбудителей колебаний, выполняется автоматически в состоянии, когда очистной комбайн закончил рез и рабочий орган прекратил отбойку. Если же очистной комбайн возобновит отбойку во время выполнения томографии, она прекращается до момента обнаружения завершения следующего реза, остановки очистного комбайна и отключения его рабочего органа. При этом дискретизация сигналов из трехмерных геофонных измерительных зондов, а также их преобразование из аналогового сигнала в цифровой сигнал производится синхронно с эталонным тактом часов с заданной частотой дискретизации сигналов, причем лучше всего, если внутреннее время местного концентратора измерительных данных синхронизируется, лучше всего, с помощью протокола IEEE 1588 РТР от модуля глобального спутникового позиционирования посредством управляюще-регистрирующего сервера. Усредненную кумулированную томографическую карту концентрации относительных изменений напряжений и/или карты из отдельных видов томографии визуализируют на панели визуализации кумулированной томографии и дополнительно на панели визуализации активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, на панели активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, а также на панели визуализации пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии. Дистанционный запуск импульсных возбудителей колебаний происходит путем подачи в надпоршневое пространство ударного элемента сжатого рабочего фактора от модуля питания при открывании электропневматического распределителя управляющим сигналом от расположенного на поверхности шахты преобразующего сервера, передаваемого посредством управляюще-регистрирующего сервера, а также модуля цифрового передатчика и приемника. Универсальные модули инициации и измерения колебаний распределяются в зависимости от потребности в боковых стенах, либо в почве или кровле прилегающих к лаве штреков и крепятся к ранее заделанным анкерам и циклически их перемещают по мере подвигания очистной лавы.

Схема для измерения относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы содержит управляюще-регистрирующий сервер, который регистрирует сигналы из трехмерных геофонных измерительных зондов, установленных в прилегающих к лаве штреках, датчик местоположения очистного комбайна, информирующий о режиме работы и местоположении очистного комбайна в выработке лавы, а также преобразующий сервер, локализующий сейсмические явления и управляющий с поверхности шахты импульсными возбудителями колебаний. Схема оборудована не менее чем шестью универсальными модулями инициации и измерения колебаний, расположенными в одном из прилегающих к лаве штреков и не менее, чем шестью модулями для измерения колебаний, расположенными в противоположном прилегающим к лаве штреке, или же оборудована не менее чем двенадцатью универсальными модулями инициации и измерения колебаний, расположенными по шесть в каждом из прилегающих к лаве штреке, соединенными искробезопасными линиями цифровой связи с местным концентратором измерительных данных, который в свою очередь соединен с искробезопасным буферным блоком питания, а также, посредством световодной сети ETHERNET с управляюще-регистрирующим сервером, соединенным с шахтной диспетчерской системой, с модулем глобального спутникового позиционирования, с модулем определителя внутреннего времени, а также с преобразующим сервером. Шахтная диспетчерская система управляется посредством схемы контроля местоположения и режима работы комбайна с комбайном, который оборудован датчиком местоположения очистного комбайна. Универсальный модуль инициации и измерения колебаний оборудован импульсным возбудителем колебаний, а также трехмерным измерительным зондом и механически укреплен на анкере, заделанном в боковой стене или почве либо кровле прилегающей к лаве выработки, причем трехмерный геофонный измерительный зонд соединен с модулем цифрового передатчика и приемника.

Импульсный возбудитель колебаний оборудован электропневматическим распределительным устройством, блок управления которого соединен с модулем цифрового передатчика и приемника, а к надпоршневому пространству ударного элемента, оборудованного подпоршневой нажимной пружиной, подведен выход электропневматического распределителя, к входу которого по проводу подается пневматический рабочий фактор, лучше всего в виде сжатого азота. Модуль для измерения колебаний содержит трехмерный измерительный зонд, который механически укреплен на анкере, заделанном, в зависимости от потребности, в боковой стене либо в почве или кровле прилегающей к лаве выработки, причем трехмерный геофонный измерительный зонд соединен с модулем цифрового передатчика и приемника. Преобразующий сервер соединен с панелью кумулированной томографии и, лучше всего, с панелью визуализации активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, панелью визуализации активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, а также с панелью пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии.

Путем комплексного использования в изобретении одновременно трех методов сейсмической томографии, одной из которых является активная сейсмическая скоростная или амплитудная, заключающаяся в сейсмическом просвечивании угольного массива между штреками при помощи искусственно возбуждаемой сейсмической волны FS в подземной части шахты Е импульсом, управляемым с поверхности шахты D с помощью импульсных возбудителей колебаний 18. Вторым, одновременно применяемым методом, является активная сейсмическая амплитудная томография ослабления-затухания, использующая сейсмическое просвечивание района очистной лавы сейсмической волной FK, возбуждаемой рабочим органом очистного комбайна 15 с одновременной корреляцией этих измерений с сигналами, информирующими о режиме работы и местоположений очистного комбайна 15 в выработке лавы В. Третий метод пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии в качестве источника использует сейсмическую волну, возбуждаемую толчками, вызываемыми горной разработкой.

Благодаря применению описанного выше нового комплексного способа определения относительных изменений скорости и затухания сейсмических волн и косвенно, как приблизительно прямо пропорциональных скорости и обратно пропорциональных затуханию относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы, составляются усредненные кумулированные томографические карты относительных изменений напряжений, причем многократно в течение каждой добычной смены без необходимости прекращения эксплуатации очистной лавы и при устранении ограничений, вытекающих из каждого из этих методов, применяемого отдельно. Изобретение обеспечивает возможность текущего наблюдения изменений скорости сейсмической волны, отображающей места концентрации роста напряжений путем регистрации роста скорости или деструкции горного массива в зонах со сниженной скоростью сейсмической волны, а также устраняет имеющуюся в методе просвечивания района лавы волной, возбуждаемой рабочим органом очистного комбайна 15, мертвую зону SX в виде треугольника, путем текущего сейсмического просвечивания, выполняемого между прилегающими к лаве штреками А при помощи управляемых с поверхности импульсных возбудителей колебаний 18.

Кроме того, применение новых универсальных модулей инициации и измерения колебаний 1, устанавливаемых на боковых стенах прилегающих к лаве штреков А и укрепляемых на ранее заделанных анкерах 20, а также их перемещение по мере подвигания очистной лавы, позволяет свободно программировать способ выполнения измерений и дистанционно управлять измерениями по методу активной сейсмической томографии, использующей просвечивание горного массива между прилегающими к лаве штреками А при помощи искусственно возбуждаемых сейсмических волн FS. Способ и схема, являющиеся предметом изобретения, реализуют текущие измерения во время нормальной работы комплекса лавы и позволяют непрерывно мониторировать изменения концентрации напряжений, что имеет существенное значение для безопасности шахтных бригад, так как обеспечивает возможность быстрой эвакуации людей в случае возникновения опасности горных ударов, а также позволяет применять опережающие меры по профилактической борьбе с опасностью горных ударов.

Предмет изобретения показан, в примерном исполнении, на чертежах: Фиг. 1 - представлена блок-схема измерительной схемы с универсальными модулями инициации и измерения в обоих прилегающих к лаве штреках; Фиг.2 - представлена блок-схема универсального модуля инициации и измерения колебаний; Фиг. 3 - представлена блок-схема измерительной схемы с универсальными модулями инициации и измерения, расположенными в одном из прилегающих к лаве штреков; Фиг.4 - представлена блок-схема модуля для измерения колебаний.

Пример I

Являющийся предметом изобретения способ заключается в текущем выполнении измерений и анализов путем применения нового сейсмического просвечивания, с применением активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии и активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, с использованием для этой цели механических, управляемых с поверхности шахты, импульсных возбудителей колебаний 18, инициирующих искусственно возбуждаемую сейсмическую волну FS, а также сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, заключающейся в анализе сейсмических волн FK, возбуждаемых рабочим органом комбайна 15, местоположение которого в очистной лаве регистрируется схемой контроля и местоположения и режима работы очистного комбайна 17. Кроме того, осуществляется определение изменений напряжений по методу пассивной сейсмической томографии с использованием локализованных преобразующим сервером 10 выявленных в районе контролируемой очистной лавы толчков W1, W2…Wi в качестве источника просвечивающей волны. При этом эффективность использования этого метода зависит от сейсмической активности и распределения толчков в районе мониторируемой очистной лавы.

Универсальные модули инициации и измерения колебаний 1 располагают в боковых стенах обоих прилегающих к лаве штреков А или, в зависимости от актуальных потребностей, только в одном из прилегающих к лаве штреков А, в то время как в противоположном прилегающим к лаве штреке размещают модули для измерения колебаний 28. Модули инициации и измерения колебаний 1 и модули для измерения колебаний 28 перемещают по мере подвигания очистной лавы. Анализ относительных изменений напряжений по методу активной сейсмической томографии путем просвечивания горного массива между прилегающими к лаве штреками А при помощи измерительной сейсмической волны, вызванной срабатыванием импульсных возбудителей колебаний 18, выполняется автоматически тогда, когда очистной комбайн 15 закончит рез, а рабочий орган завершит отбойку. Если же очистной комбайн 15 возобновит выемку во время выполнения активной сейсмической томографии с применением импульсных возбудителей колебаний 18, томография прекращается до момента обнаружения очередной остановки очистного комбайна 15. Лучи сейсмической волны FK, генерируемые рабочим органом очистного комбайна 15, многократно просвечивают угольный массив С впереди фронта очистной лавы и обеспечивают возможность выполнения сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания для этого пространства. Возникающая в этом методе мертвая зона SX в виде треугольника, в которой сейсмические лучи не в состоянии просвечивать пласт или кровлю, отдаленных от фронта лавы, анализируется дополнительно путем выполнения измерений по методу активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, где анализируются сейсмические волны FS, генерируемые из прилегающих к лаве штреков, вызываемые управляемыми с поверхности шахты импульсными возбудителями колебаний 18. В свою очередь, возникающая мертвая зона SY при применении активной импульсной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, инициируемой искусственной сейсмической волной FS, анализируется дополнительно путем выполнения сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания лучами сейсмической волны FK, генерируемой рабочим органом очистного комбайна 15. Дискретизация сигналов из трехмерных геофонных измерительных зондов 19 и их преобразование модулем 21 из аналогового в цифровой сигнал происходит синхронно с эталонным тактом часов, с частотой дискретизации сигналов лучше всего 10 кГц. Внутреннее время местного концентратора измерительных данных 3 синхронизируется с помощью протокола IEEE 1588 РТР от спутниковых часов 8, посредством управляюще-регистрирующего сервера 6. Зарегистрированные регистрирующим сервером 6 цифровые данные, переданные трехмерными геофонными измерительными зондами 19, а также непрерывная запись и селекционированные записи толчков дополняются информацией по местоположению комбайна, передаваемой схемой контроля местоположения и режима работы очистного комбайна 17, входящей в состав шахтной диспетчерской системы 7. Управляюще-регистрирующий сервер 6 передает данные в преобразующий сервер 10, который анализирует зарегистрированные данные, производит расчет и визуализирует: карты активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания на панели визуализации активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания 11, карты активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии на панели визуализации активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии 12, карты пассивной сейсмической томографии на панели визуализации пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии 13, а также карты кумулированной сейсмической томографии на панели визуализации кумулированной сейсмической томографии 14. Каждый универсальный модуль инициации и измерения колебаний 1, представленный на чертеже (Фиг. 2), закреплен на анкере 20, жестко заделанном в горном массиве - боковая стена, кровля или почва. Модуль инициации и измерения колебаний 1 содержит импульсный возбудитель колебаний 18, интегрированный с трехмерным геофонным измерительным зондом 19, аналоговый выходной сигнал которого передается на вход модуля цифрового передатчика и приемника 21, откуда в виде цифрового сигнала посредством искробезопасной линии питания и цифровой связи 2 передается в местный концентратор измерительных данных 3 и далее, посредством световодной сети ETHERNET 5 к управляюще-регистрирующему серверу 6. Модуль цифрового передатчика и приемника 21 принимает и передает к исполнительному элементу электропневматического распределителя 22 управляющий сигнал 27, который подается преобразующим сервером системы 10, с целью вызвать периодически одноразовое срабатывание, последовательное по времени, импульсных возбудителей колебаний 18, инициирующих искусственно возбуждаемые сейсмические волны FS. Срабатывание импульсных возбудителей колебаний 18 реализуется путем подачи в надпоршневое пространство ударного элемента 23 импульсного возбудителя колебаний 18 импульсной порции рабочего фактора 25 под давлением от модуля питания 26, которая вызывает удар ударного элемента 23 по анкеру 20. Момент возбуждения искусственно возбуждаемой сейсмической волны FS импульсным возбудителем колебаний 18 идентифицируется трехмерным геофонным измерительным зондом 19. Модуль питания 26 рабочим пневматическим фактором из баллона со сжатым азотом подлежит периодической замене после падения давления в системе ниже допускаемого значения. В свою очередь, неправильное срабатывание импульсного возбудителя колебаний 18 идентифицируется трехмерным геофонным измерительным зондом 19, регистрирующим колебания в момент возбуждения колебаний.

Пример II

Схема для измерения относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы (Фиг. 1) состоит из шестнадцати универсальных модулей инициации и измерения 1, расположенных симметрично через каждые 15 метров в прилегающих к лаве штреках А длиной более 120 м. Универсальные модули инициации и измерения колебаний 1 соединены искробезопасными линиями цифровой связи 2 с местным концентратором измерительных данных 3, который соединен с искробезопасным буферным блоком питания 4, а также посредством световодной сети ETHERNET 5 с управляюще-регистрирующим сервером 6, расположенным на поверхности шахты D. В свою очередь, управляюще-регистрирующий сервер 6 соединен с шахтной диспетчерской системой 7, с модулем глобального спутникового позиционирования 8, модулем определителя внутреннего времени 9, а также с преобразующим сервером, к которому подключена панель визуализации активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания 11, панель визуализации активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии 12, панель визуализации пассивной сейсмической сейсмической скоростной или амплитудной томографии 13, а также панель визуализации кумулированной томографии 14. При этом шахтная диспетчерская система 7 соединена с комбайном 15, который оборудован, в частности, датчиком местоположения очистного комбайна, передающим данные о положении комбайна в схему контроля местоположения и режима работы комбайна 17, являющуюся одним из блоков шахтной диспетчерской системы 7. Каждый из универсальных модулей инициации и измерения колебаний 1 (Фиг. 2) оборудован импульсным возбудителем колебаний 18, а также трехмерным геофонным измерительным зондом 19 и механически укреплен на анкере 20, заделанном, в зависимости от потребностей, в боковой стене, почве или кровле прилегающих к лаве штреков А. Трехмерный геофонный измерительный зонд 19 соединен с модулем цифрового передатчика и приемника 21, в котором вход и выход цифровой связи соединены искробезопасной линией цифровой связи 2 с цифровым приемником этого канала местного концентратора измерительных данных 3, питаемого от местного искробезопасного буферного блока питания 4. Импульсный возбудитель колебаний 18 оборудован электропневматическим распределителем 22, блок управления которого соединен с модулем цифрового передатчика и приемника 21. В надпоршневое пространство ударного элемента 23 импульсного возбудителя колебаний 18, оборудованного подпоршневой нажимной пружиной 24, подается из выхода электропневматического распределителя 22 сжатый азот. На вход электропневматического распределителя 22 питающим проводом 25 подается из модуля питания 26 пневматический рабочий фактор в виде сжатого азота, запас которого находится в переносном баллоне с редуктором.

Пример III

Схема для измерения относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы (Фиг. 3) состоит из восьми универсальных модулей инициации и измерения колебаний 1, расположенных в одном из прилегающих к лаве штреков А и восьми модулей для измерения колебаний 28, расположенных в противоположном прилегающим к лаве штреке А. Универсальные модули инициации и измерения колебаний 1, а также модули для измерения колебаний 28 соединены по такой же схемной конфигурации, которая описана во втором примере реализации. Модуль для измерения колебаний 28 (Фиг. 4) состоит из трехмерного геофонного измерительного зонда 19, механически укрепленного на анкере 20, заделанном, в зависимости от потребностей в боковой стене, почве или кровле прилегающей к лаве выработке А, причем трехмерный геофонный измерительный зонд 19 соединен с модулем цифрового передатчика и приемника 21.

Список обозначений:

1 - универсальный модуль инициации и измерения колебаний,

2 - искробезопасная линия цифровой связи,

3 - местный концентратор измерительных данных,

4 - местный искробезопасный буферный блок питания,

5 - световодная сеть ETHERNET,

6 - управляюще-регистрирующий сервер,

7 - шахтная диспетчерская система,

8 - модуль глобального спутникового позиционирования,

9 - модуль определителя внутреннего времени,

10 - преобразующий сервер,

11 - панель визуализации активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, инициируемой сейсмической волной FK,

12 - панель визуализации активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, инициируемой искусственной сейсмической волной FS,

13 - панель визуализации пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, инициируемой сейсмической волной FP,

14 - панель визуализации кумулированной томографии,

15 - очистной комбайн,

16 - датчик местоположения очистного комбайна,

17 - схема контроля местоположения и режима работы очистного комбайна,

18 - импульсный возбудитель колебаний,

19 - трехмерный геофонный измерительный зонд,

20 - анкер,

21 - модуль цифрового передатчика и приемника,

22 - электропневматический распределитель,

23 - ударный элемент,

24 - нажимная пружина,

25 - рабочий фактор,

26 - модуль питания,

27 - управляющий сигнал,

28 - модуль для измерения колебаний,

А - прилегающие к лаве штреки,

В - выработка лавы,

С - угольный массив (впереди фронта очистной лавы),

D - поверхность шахты,

Е - подземная часть шахты,

FS - искусственно возбуждаемая сейсмическая волна (импульсным возбудителем колебаний из прилегающего к лаве штрека),

FK - сейсмическая волна, возбуждаемая рабочим органом очистного комбайна,

FP - сейсмическая волна, возбуждаемая толчками, вызванными горной разработкой,

W1, W2…Wi - толчки, регистрируемые в районе контролируемой очистной лавы,

SX - мертвая зона активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания FK,

SY - мертвая зона активной импульсной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, инициируемой искусственной сейсмической волной FS,

Способ заключается в том, что управляюще-регистрирующий сервер регистрирует измерительные сигналы колебаний из установленных в прилегающих к лаве штреках трехмерных геофонных измерительных зондов, синхронно пространственно ориентированных во всех измерительных каналах и в синхронизированном временном интервале, а также в тесной корреляции с сигналами, информирующими о режиме работы и местоположении очистного комбайна в выработке лавы и на этой основе, при взаимодействии с преобразующим сервером, локализует сейсмические явления. После окончания очистным комбайном каждого реза производится анализ относительных изменений напряжений в угольном массиве впереди фронта очистной лавы по методу сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания, с использованием зарегистрированной энергии волны. После окончания реза, когда очистной комбайн неподвижен, осуществляется активная сейсмическая скоростная или амплитудная томография путем просвечивания горного массива между прилегающими к лаве штреками с помощью сейсмических волн, вызываемых срабатыванием дистанционно запускаемых с поверхности шахты, посредством преобразующего сервера импульсных возбудителей колебаний. Производится анализ напряжений по методу пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, с использованием в качестве источника колебаний просвечивающей сейсмической волны толчков, вызываемых горной разработкой. Затем периодически составляется усредненная томографическая карта концентрации относительных изменений напряжений, и составляют карты отдельных видов томографии. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения относительных изменений концентрации напряжений впереди фронта очистной лавы, заключающийся в определении относительных изменений концентрации напряжений в горном массиве по методам пассивной и/или активной сейсмической томографии с использованием измерений колебаний установленных в прилегающих к лаве штреках трехмерных геофонных измерительных зондов, отличающийся тем, что управляюще-регистрирующий сервер (6) регистрирует измерительные сигналы колебаний из установленных в прилегающих к лаве штреках (А) трехмерных геофонных измерительных зондов (19), пространственно ориентированных синхронно во всех измерительных каналах и в синхронизированном временном интервале, а также в тесной корреляции с сигналами, информирующими о режиме работы и местоположении очистного комбайна (15) в выработке лавы (В) и на той основе, при взаимодействии с преобразующим сервером (10) локализует сейсмические явления, а также после окончания каждого реза очистным комбайном (15) производит анализ относительных изменений напряжений в угольном массиве (С) впереди фронта очистной лавы по методу сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания с использованием зарегистрированной энергии волны (FK), возбуждаемой рабочим органом комбайна (15), а после окончания реза, во время стоянки очистного комбайна (15), выполняет активную сейсмическую скоростную или амплитудную томографию путем просвечивания горного массива между прилегающими к лаве штреками (А) при помощи сейсмических волн (FS), вызываемых срабатыванием дистанционно запускаемыми с поверхности шахты, посредством преобразующего сервера (10) импульсных возбудителей колебаний (18), после чего производит анализ напряжений по методу пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии с использованием в качестве источника просвечивающей сейсмической волны (FP) толчков, вызываемых горной разработкой, а затем периодически, лучше всего несколько раз в течение добычной смены и, лучше всего, составляет усредненную томографическую карту концентрации относительных изменений напряжений и составляет карты отдельных видов томографии.

2. Способ, согласно п. 1 формулы изобретения, отличающийся тем, что анализ относительных изменений напряжений по методу активной сейсмической томографии путем просвечивания горного массива между прилегающими к лаве штреками (А) при помощи искусственно возбуждаемой сейсмической волны (FS), вызываемой срабатыванием импульсных возбудителей колебаний (18), выполняется автоматически, когда очистной комбайн (15) закончил рез и его рабочий орган закончил отбойку, в свою очередь, если очистной комбайн (15) возобновит отбойку во время выполнения томографии, тогда томография прекращается до времени обнаружения окончания следующего реза и остановки очистного комбайна (15), а также отключения его рабочего органа.

3. Способ, согласно п. 1 формулы изобретения, отличающийся тем, что дискретизация сигналов из трехмерных геофонных измерительных зондов (19), а также их преобразование из аналогового сигнала в цифровой сигнал происходит синхронно с эталонным тактом часов с заданной частотой дискретизации сигналов, причем лучше всего внутреннее время местного концентратора измерительных данных (3) синхронизируется, лучше всего, с помощью протокола IEEE 1588 РТР от модуля глобального спутникового позиционирования (8) посредством управляюще-регистрирующего сервера (6).

4. Способ, согласно п. 1 формулы изобретения, отличающийся тем, что результирующая усредненная кумулированная томографическая карта изменений концентрации напряжений визуализируется на панели визуализации кумулированной сейсмической томографии (14) и/или карты для отдельных видов томографии дополнительно визуализируются на панели визуализации активной сейсмической амплитудной томографии ослабления-затухания (11), на панели визуализации активной сейсмической скоростной или амплитудной томографии (12), а также на панели визуализации пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии (13).

5. Способ, согласно п. 1 формулы изобретения, формулы изобретения, отличающийся тем, что дистанционный запуск импульсных возбудителей колебаний (18) происходит путем подачи в надпоршневое пространство ударного элемента (23) сжатого рабочего фактора из модуля питания (26) после открывания электропневматического распределителя (22) управляющим сигналом (27) от расположенного на поверхности шахты преобразующего сервера (10), передаваемым посредством управляюще-регистрирующего сервера (6), а также модуля цифрового передатчика и приемника (21).

6. Способ, согласно любому из пп. 1-5, формулы изобретения, отличающийся тем, что универсальные модули инициации и измерения колебаний (1) устанавливают, в зависимости от потребности, в боковых стенах, или в почве, или в кровле прилегающих к лаве штреков (А), крепят на ранее заделанных анкерах (20) и циклически перемещают по мере подвигания очистной лавы.