Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

ров кусков горной породы при обрушении, т. е. звуковой сигнал дальше места разрыва не пройдет. Кроме того, труб в местонахождении шахтера вообще может не быть, Таким образом надежность способа низка.

Цель изобретения - повышение точности и надежности определения местонахождения шахтеров, попавших в завал.

Указанная цель достигается тем, что сиг- налы принимают с помощью двух групп сей- смоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измеряют отдельно для каждого треугольника задержки времени ti, 12, ta при- хода сейсмоакустических сигналов к сейс- моприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги р- и р на местонахождения источника сигнала по формулам

р 30п(1 10s, п -нечетное,

(р .- (1 - ) -100, п - четное,

наименьшая задержка времени гдеменьшая задержка времени

п - порядковый номер тридцатиградус- ного сектора, в котором находится пеленг (р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов; и определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, для чего центр одного треугольника принимают за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют углы между пе- лентами и осью абсцисс по формулам

а 1 ум -30°,

а 2 210°- р 2,

определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоа- кустических сигналов по формуле L sin 0.2

ои

где L - расстояние между центрами треугольников, и определяют координаты по формулам

Xi-S -sin(90°- ai), Yi S cos(90° - a 0,

2i S tg p ,

где /3 arccos

I sin (60° +95) Кроме того, длина сторон равностороннего треугольника определяется из условий скорости распространения упругих волн в горном массиве, расстояние от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического сигнала - с учетом коэффициента затухания акустиче5

10 15 0

5 0 5

0

5

0

5

ского сигнала в данном массиве и характеристик применяемых сейсмоприемников.

Основой данного изобретения является новая теорема, заключающаяся в том, что если некоторая прямая, совпадающая первоначально с одной из биссектрис равностороннего треугольника ABC, вращается в плоскости треугольника против часовой стрелки вокруг его центра 0, то проекции сторон треугольника на эту прямую изменяются по закону синуса.

На фиг. 1 представлен чертеж, поясняющий суть этой теоремы. ABC - равносторонний треугольник со стороной I, AD - биссектриса угла A, UV - прямая, первоначально совпадающая с биссектрисой AD, р - угол между AD и UV, Si, 82, 5з - проекции сторон треугольника ABC на прямую UV, которые равны

Si I sin(60° + f ), 82 I, sin p , 83 I sin(60° - p ).

В предложенном техническом решении измеряются не проекции сторон треугольника, а задержки времени ti, t2, ta прихода сейсмоакустического сигнала в вершины равностороннего треугольника, Если обозначить буквой V скорость распространения сейсмоакустического сигнала, то в общем случае

t S/V где S - путь, пройденный сигналом;

t - время прохождения пути,

На фиг. 2 представлен чертеж, поясняющий переход от закона изменения линейных проекций сторон равностороннего треугольника на прямую, вращающуюся вокруг центра треугольника к закону изменения задержек времени в зависимости от направления прихода сейсмоакустического сигнала к равностороннему треугольнику ABC, в вершинах которого установлены сей- смоприемники. Здесь п и ta - задержки времени прихода сигнала ксейсмоприемникам относительно сейсмоприемника, принимающего сигнал первым, a t2 - задержка времени между временем прихода сигнала ко второму и последнему сейсмоприемникам. О - центр равностороннего треугольника, р - угол между направлением прихода сигнала и началом отсчета, N - направление прихода сейсмоакустического сигнала, AD - биссектриса начала отсчета, Ti , Т2 , тз зарегистрированное текущее время прихода сейсмосигнала к сейсмоприемникам в вершинах треугольника ABC, Т I/V - время,

В соответствии с данными определениями можно записать:

ti T3-Ti T.sin(60°+ p )

t2 Гз - Т2 Т- Sin p

t3 Т2 - Т1 Т Sin(60° - р )

Если учесть, что сейсмосигнал к равностороннему треугольнику может приходить в плоскости с любого направления, то по аналогии с вращающейся прямой формулы для задержек времени будут

ti (60° + p ), t2 y sin p , t3

-sin(60°- p ).

Если задержки времени каким-либо методом измерены, то согласно фиг. 2 угол ip определяется однозначно

ti

-60° + arcsin , (р arcsin

Т

t2

Т

р 60°-arcsin Y ,

где Т I/V - время, в течение которого сейсмоакустический сигнал пройдет путь, равный длине стороны равностороннего треугольника, которая определяется по экспериментальной формуле

1/100 V/f,

где V - скорость распространения сейсмоа- кустических импульсов в массиве горных пород, который выбран для установки сейс- моприемников;

f- частота следования электрических импульсов, служащих для измерения задержек времени. Частота электрических импульсов f определяется, исходя из точности, которую требуется получить при вычислении пелен- говых значений шахтера, создающего источник САИ в завале.

Если, например, требуется определить азимут шахтера с точностью не хуже 0,5°, то сначала обращаемся к математической таблице вычисленных синусов и вблизи нулевой точки определяем

А sinO,5° - sinO° 0,0087 - 0,000 0,0087,

а затем по экспериментальной формуле вычисляем частоту f в кГц

2 2

f - 00087 230 кГц В предложенном техническом решении пеленг шахтера для каждого равностороннего треугольника определяется по алгоритму 1 ( arcsint2/Ti р 60° - arcsin(ti - t2)/T I при ti Ъ t2 p 120°-arcsinti/T i (pn 60° + arcsin(t2 - ti)/T l при t2 ti (f 120° + arcsinti/T (Ј 180°-arcsin(t3-ti)/T npnts p 240° - arcsints/T i p-- 180° + arcsin(ti - гз)/Т1 при п ta p 240° + arcslnt3/T I

# 300° - arcsin(t2 - ts)/T при t2 ts

36b°-arcsint2/Ti

p 300° + arcsin(t3 -t2)/T l при хз t2

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Если | p- p 0,5°,

то (p ( p + ф}11

В противном случае принимают центр равностороннего треугольника за цент окружности, разбивают эту окружность, начиная от биссектрисы начала отсчета, на 12 секторов по 30° каждый и определяют, в каком секторе находится прямая направления (пеленг) на источник САИ. Если сектор п представлен нечетным числом, то пеленг определяется по экспериментальной формуле:

р 30п(1 )+ 10 а , а если п представлен четным числом, то р (1 )-10а, наименьшая задержка гдеменьшая задержка

Различные значения р и оказываются в том случае, если угол места /3 неравен нулю, т. е. источник САИ не находится в плоскости равностороннего треугольника ABC,

В предложенном способе измеряются две задержки времени независимо от направления прихода САИ. Так в соответствии с фиг. 2 при направлении N измеряются задержки TI и t2, a ts не измеряется, но из фиг. 2 следует, что ts ti - t2, т. е. может быть вычислена, если измерены две другие задержки времени, В предложенном алгоритме I разность ti -12 для данного направления N используется, но уже не как измеренная величина задержки, а как вычисленная задержка времени. Таким образом, в алгоритме I для каждого случая в диапазоне 0° - 360° одна из задержек времени вычисляется.

После определения уточнения азимутов f 1 и р2 для каждого треугольника образуют треугольник OiA02 из прямой СчОа и двух азимутальных прямых на САИ, пересекающихся в точке А, вычисляют углы между этими прямыми и прямой Oi02 по формулам

«1 рз-30°, а 2 210°- р А принимают оси прямоугольной системы координат с центром От, совмещая плоскость координат YX с плоскостью этого треугольника, а ось абсцисс X с СИ02.вычисляют сторону треугольника СНА по формуле Сч 02 sin «2

OiA

sin a

а затем вычисляют координаты Xi и YI (абсциссу и ординату) по формулам

Xi OiA- sin(90°- ai),

YI OiA cos(90 - «1).

После этого определяют задержку Ti для уточненного пеленга по формуле

Ti T/sin (f,

врут соответствующие задержки ti и Ti и пределяют угол места /3 по формуле

(3 arccosti/Ti

: затем определяют аппликату шахтера по Формуле

Zi-OiA-tg/S .

На фиг. 3 представлен график, поясня- эщий изменение задержек и взаимосвязь ежду пеленгами ti, 12, хз - задержки; первичный пеленг, р вторичный пеленг; о-уточненный пеленг.

На фиг. 4 представлен чертеж, поясня- ощий нахождение угла места /. Р - горизонтальная плоскость; Q - вертикальная плоскость; А, В и С - вершины равностороннего треугольника; р - уточненный пе- тенг источника сигнала (шахтера), t - измеренная задержка времени, в соответствии с фиг. 2 t будет равно ti, Ti - задержка времени для уточненного пеленга; N - направление прихода сигнала.

На фиг, 5 показан горизонтальный разрез выработки, включающий нижний горизонт выработки 1, верхний горизонт выработки 2, завал штрека 3, шахтер (источник САИ) 4, сейсмопреобразователи первой группы (треугольника) 5 и второй группы 6, центры первой группы сейсмопреобразователей 7 и второй группы 8, пеленг на шахтера 4 первой группы сейсмопреобразователей 9 и второй группы 10.

Способ реализуется следующими операциями. Измеряют скорость распространения САИ в горном массиве, задают частоту тактовых электрических импульсов, с помощью которых измеряют задержки времени, определяют длину стороны I равностороннего треугольника по формуле 1/100 V/f, размечают на плоскости горного массива на расстоянии не более 300 м от предполагаемого местонахождения шахтера два разнесённых в пространстве равносторонних треугольника, измеряют расстояние между центрами треугольников, ориентируют треугольники в одной плоскости, устанавливают сейсмопреобразователи в вершинах треугольников, принимают САИ, создаваемые шахтером, измеряют обособленно в вершинах каждого треугольника задержки времени с помощью тактовых электрических импульсов, вводят задержки в память вычислителя, принимают за начало отсчета пеленга шахтера одноименные биссектрисы треугольников и ведут его против часовой стрелки, задержки времени прихода сигнала в вершины каждого треугольника в зависимости от направления (пеленга) описывают формулами

и

ti I/V sin(60° + р );t2 l/V-sinp ; t3 /V-sin(60°- p }.

Пеленг р для каждого треугольника ( р 1

-дляпервогои (р 2-длявторого)определяют по алгоритму , если условие I р - р 0,5° выполняется, то р 1 и (р г определены верно и с точностью до 0,5°, а если не выполняются, то анализируют задержки с помощью алгоритма II и определяют номер п тридцатиградусного сектора, в котором размещен пеленг (р для каждого треугольника ( р

- для первого и р i - для второго), п 1 при ti т.2, t3 5: т.2

П 2 при t1 t2, t2 t3

n 3 при t2 ti, ti ta n 4 при т.2 ti, t3 ti n 5 при ts 5: ti, t2 2: ti

П 6 при t3 ti, t1 t2

П 7 ПрИТ1 t3,

n 8 при ti t3, t2 t3

n 9 при t2 ts, ti t3

n 10 при t2 2: t3, t3 ti

П 11 ПРИТ.З t2,

n 12 при t2 ts, ti t2 Уточняют пеленг для каждого треугольника по экспериментальным формулам

р /n-2k-i 30() +10а/ tp /n-2k

(1 -e us)-10a,

наименьшая задержка времени

меньшая задержка времени строят треугольник на основании L 7-8 и двух пеленгах на источник, пересекающихся в точке 4, вычисляют углы а- р 1 - 30°, о:2 2100- р2 принимают оси прямоугольной системы координат с центром 7, совмещая ось абсцисс X с основанием треугольника L вычисляют сторону треугольника

L sin аг

sin «1

определяют максимальную задержку для пеленга р 1, первого треугольника по одной из формул

Ti l/V- sin(60°+ p );T2 l/Vsin p-, Тз l/Vsin(60°- p ) используют соответствующие задержки времени, например ti и It и определяют угол места уЗ по формуле

/ arccosti/Ti,

а затем определяют местонахождение (пространственные координаты) шахтера, т, е. абсциссу, ординату и аппликату

Xi S sin(90°- см),

Yi S cos(90° - «1),

Zi S i tg /3

На фиг. 6 представлена схема устройства, реализующего способ, где показаны схемы измерения задержек времени прихода сигналов в разные каналы приема, сейсмоп10

15

20

25

30 где а

35

40

45

50

55

реобразователи 5 и 6, усилители 11.1-11.2, компараторы 12.1-12.2, триггеры 13.1-13.2, счетчики импульсов 14,1-14.2, схемы совпадения 15.1-15.2, генератор тактовых импульсов 16, коммутаторный блок 17, вычислительный блок 18. Устройство для определения координат шахтера при завале в шахте снабжено вычислительным блоком и двумя схемами измерения временных задержек, каждая из которых содержит схему совпадения и три параллельные цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные сейсмопреобразовате- ли через усилитель с компаратором, триггер и счетчик импульсов, при этом выходы триггеров соединены с входами схемы совпадения, выход которой соединен с вторыми входами триггеров и вычислительным блоком, подключенным через коммутаторный блок к счетчикам, подключенными к генератору тактовых импульсов.

Способ может быть осуществлен следующим образом.

Сейсмоакустические импульсы, создаваемые шахтером, принимаются сейсмоп- риемниками 5, 6. Импульс сначала достигает ближнего к источнику сейсмопри- емника, включенного, например, в группу 5, преобразуется в электрический сигнал и усиливается в усилителе 11.1. Если величина сигнала превосходит заданный уровень, он проходит через компаратор 12.1 на вход триггера 13.1. Триггер опрокидывается и дает разрешение счетчику 14.1 вести счет импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов 16 и поступает сигнал на вход схемы совпадения 15.1. Через некоторое время сигнал от источника (шахтера) достигает следующего сейсмоприемника 5, включенного в другую цепочку той же схемы. При этом как и в предыдущем случае срабатывают аналогичные элементы и в результате счетчик 14.1 начинает считать импульсы, вырабатываемые генератором тактовых импульсов 16. С приходом САИ от шахтера к третьему сейсмоприемнику 5, включенному в цепочку той же схемы соответственно срабатывают все элементы этой цепочки, включая триггер 13.1. При этом на входе схемы совпадения 15.1 одновременно будут присутствовать три сигнала, она срабатывает и возвратит все три триггера 13.1 в исходное состояние, а вычислительный блок 18 через коммутаторный блок 17 считает показания счетчиков этой схемы. После этого схема будет готова к приему следующего САИ, а вычислительный блок 18, поданным счетчиков 14.1 схемы, вычисляет пеленг шахтера. Через некоторый промежуток времени или одновременно САИ от

шахтера достигнет сейсмоприемников б другой схемы. При этом в аналогичной последовательности сработают параллельные цепочки и элементы схемы, а вычислитель- ныйблок 18 по данным счетчиков 14.2 схемы вычисляет еще один пеленг р г по тем же алгоритмам, но с новыми задержками времени. Затем в блоке 18 вычисляются углы а-. и «2, угол места /3 и координаты шахтера

XL Yi nZi.

Вычислительным блоком 18 может служить, например, микроЭВМ Электроника МС-1103, предназначенная для широкого применения в системах контроля.

Длина стороны I равносторонних треугольников лежит в пределах 0,2-2,0 м, а расстояние между центрами треугольника от 1 до 100 м,

Преимущество предложенного способа

заключается в том, что он позволяет определять пространственные координаты шахтеров, попавших в завал, и других аварий в шахтах.

Формула изобретения

1. Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал, включающий создание сейсмоакустических сигналов в месте аварии, их прием и определение по ним местонахождения шахтеров, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и надежности определения, сигналы принимают с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измеряют отдельно для каждого треугольника задержки времени ti, t2, ta прихода сейсмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам

для каждого треугольника определяют пеленги р и f 2 на местонахождение источника сигнала по формулам

р 30п(1 )+ 10(7, п -нечетное, р (1 )-10a, n - четное,

наименьшая задержка времени д меньшая задержка времени п - порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов,

и определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, для чего центр одного треугольника принимают за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формуле «1 р 1-30°,

«2 210°- р 2,

определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоа- кустических сигналов по формуле

S L- sin a2/sina 1,

где L - расстояние между центрами треугольников, и определяют координаты по формулам

Xi S sin(90° - en), Yi S cos(90° - a 1), Z-S.-tg/S,

ti -V

0

где в arccos-

rI -sin (60° )

2. Способ поп. 1, отличающийся тем, что длина стороны I равностороннего треугольника определяется из условий скорости V распространения упругих волн в горном массиве, а расстояние S от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического сигнала - с учетом коэффициента затухания акустического сигнала в данном массиве и характеристик применяемых сейсмоприем- ников.

Г

л

Использование: определение местонахождения шахтеров, попавших в завал. Сущность: создание сейсмоакустических сигналов в месте аварии, их прием с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измерении отдельно для каждого треугольника задержки времени ti, t2, t3 Изобретение относится к горной промышленности, в частности предназначено для определения местонахождения шахтеров, попавших в заеа,; (обрушение, затопление выработок). Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту является способ, замючающийся в том, что шахтеры создают туковые (акустические) сигналы (импульсы, путем ударов твердым предметом по возцухо- или зодопроводяприхода сейсмоакустических сигналов к сей- смоприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги р и pi на местонахождение источника сигнала по формулам р 30п(1 ° )+ Юа , п - нечетное, р - (1 - Д-Юе1, п- четное, где а - наименьшая задержка времени, (меньшая задержка времени), п-порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов, определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формулам: а $01-30°, ац 210°-(pi , определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустических сигналов по формуле S L sin 02 /sin a , где L - расстояние между центрами треугольников, и определяют координаты по формулам xi S sin(90° - а. ), yi S cos(90° - а ), z S tg / , где/ , arccos ti V/I - sin(60° + p ).2 г. п. ф-лы, 6 ил. щим трубам, передают импульсы из места завала, а горноспасатели слушают (принимают) звуковые сигналы от трубопровода и определяют местонахождение шахтеров. Недостатками прототипа являются низкая точность определения местонахождения шахтера (источник звука), так как система труб представляет собой сложные лабиринт, в связи с этим даже направление или источник звука определить тельно, трубы могут иметь разрывы от удаел С XI 00 о о ю со