CS198392B1 - Zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických napěťově přetvářných stavů v horském masivu - Google Patents

Description

Vynález řeší zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických napěťově přetvářných stavů v horském masivu měřením teplotních změn hornin ve všech oborech hornické činnosti, tj. při těžbě uhlí, rud i dalších nerostů a v obdobných oblastech, ve kterých napěťově přetvářné stavy horského masivu vyvolané libovolnými příčinami mohou nabýt kritických hodnot, jak tomu je při sledování stability staveb, stabilitě skalních stěn, při ražení tunelů, při stavbě hrází apod.

Kritické napěťové přetvářné stavy horského masivu se v současné době sledují seismoakustickými metodami, radioizotopovými metodami, konvergenčními stojkami, metodou vrtných testů, tensometrickými metodami a některými dalšími, méně obvyklými metodami. Žádná z těchto metod není založena na využití tepelně mechanických vlastností hornin. Některé metody lze realizovat pouze v jistých časových intervalech a nezajišťují proto průběžné sledování stavu horského masivu, jako metody radioizotopové, expansní tensometrie a metoda vrtných testů, jiné metody jsou časově, technicky i ekonomicky tak náročné, že nejsou použitelné jako metody provozní. Žádná z používaných metod neřeší problém signalizace kritických napěťově přetvářných stavů dostatečně spolehlivě a zjišťování a signalizace kritických napěťově přetvářných stavů horského masivu se v současné době považuje za otevřený problém.

Uvedené nevýhody řeší zařízení podle vynálezu, jehož podstatou je, že zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických napěťově přetvářných stavů v horském masivu sestává z teplotního ěidla pro snímání teploty horského masivu a je připojeno přes zesilovač, jehož výstup je dále zapojen přes modulátor a demodulátor, jehož výstup je připojen jednak na vstup bloku vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty, jednak na vstup derivátem pro získání časové derivace elektrického signálu odpovídajícího teplotám, jednak na první vstup komparátoru pro kladné změny teploty, jednak na první vstup komparátoru pro záporné změny teploty a jednak na vstup registračního měřicího přístroje, přičemž první výstup bloku vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty je spojen s řídicím vstupem prvního spínače a druhý výstup bloku vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty je spojen s řídicím vstupem druhého spínače, kde vstupy prvního a druhého spínače jsou spojeny s výstupem derivátoru pro získání časové derivace elektrického signálu odpovídajícího teplotám, zatímco výstup prvního spínače je spojen přes nelineární člen pro kladné změny teploty s druhým vstupem komparátoru pro kladné změny teploty, přičemž výstup druhého spínače je spojen přes nelineární člen pro záporné změny teploty s druhým vstupem komparátoru pro záporné změny teploty, kde výstup komparátoru pro kladné změny teploty je spojen s jedním vstupem bloku logického součtu a výstup komparátoru pro záporné změny teploty je spojen s druhým vstupem bloku logického součtu, jehož výstup je spojen s blokem signalizačního zařízení.

Zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických stavů v horském masivu podle vynálezu využívá skutečnosti, vyplývající ze základních termodynamických a dalších fyzikálních zákonů, že každá napěťově přetvářná změna v horninách je provázena bezprostředně změnami teplotními, které lze zjistit v každém bodě, ve kterém dochází ke změně tensoru napjatosti. Tyto teplotní změny mohou být kladné i záporné. Při jednoosém stavu napjatosti odpovídá obvykle tlaku zvýšení teploty a rostoucímu tahu snížení teploty. Vztah mezi změnami napjatosti, přetvořením a teplotou není lineární a závisí na druhu horniny a na rychlosti napěťových a přetvářných změn. Tyto charakteristické vlastnosti hornin je nutno předem znát, aby bylo možno stanovit kritické teplotní změny odpovídající kritickým stavům, při kterých dojde k porušení celistvosti a k možným rizikům z toho plynoucím. Charakteristické tepelně mechanické vlastnosti hornin lze stanovit alespoň částečně laboratorními zkouškami horninových vzorků odpovídajících oblasti nasazení signalizačního zařízení. Zařízení pro signalizaci kritických stavů, může mít větší počet teplotních čidel, která umožňují vytvoření obrazu o prostorovém průběhu napěťově přetvářných změn v horském masivu. Teplotní čidla jsou obvykle umístěna a tepelně izolována ve zvláštních vrtech. Vyhodnocovací část zařízení pro zjišťování a signalizaci je obvykle elektronická. Vyhodnocovací zařízení je založeno na srovnání velikosti naměřených teplotních změn s jejich maximálně přípustnými hodnotami, které jsou závislé na rychlosti změny teplot a na tepelně mechanických vlastnostech hornin ve sledovaném prostředí. Maximálně přípustné hodnoty teplotních změn hornin lze v prvním přiblížení získat vyhodnocením laboratorních měření vlastností horninových vzorků ze sledované oblasti. Potřebné korekce je nutno provést na základě vyhodnocení naměřených hodnot v terénu.

Zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických stavů podle vynálezu umožňuje sledovat malé i velké hodnoty napěťově přetvářných změn. Teplotní ěidla jsouve srovnání s jinými metodami levná, lehká a snadno přemístitelná, lze jich proto nasadit větší počet a tím zpřesnit obraz o stavu napjatosti horského masivu. Čidla mohou být provedena jako jiskrově bezpečná, což je důležité např. v místech nebezpečných výbuchem metanu. Vzhledem k velmi špatné tepelné a teplotní vodivosti hornin není čidlo ovlivněno jinými teplotními zdroji, popřípadě jsou tyto vlivy malé, pomalé a lze je eliminovat. Např. seismoakustická metoda je ovlivněna v dolech hlukem dobývacích strojů apod. Změny teploty snímané čidlem jsou funkcí napěťově přetvářných změn pouze v nejbližším okolí čidla, což je podstatný rozdíl od seismoakustické metody, která zachycuje akustickou aktivitu úměrnou mechanickým změnám v těžko definovatelné oblasti. Změny teploty horniny jsou tak rychlé, jak rychlé jsou změny mechanického napětí v daném bodě horninového masivu. Použitím čidel s malou časovou konstantou lze tyto rychlé změny vyhodnotit, což je obtížné nebo nemožné u jiných metod, i když právě tyto rychlé změny mohou být podstatné z hlediska ohrožení. Zařízení podle vynálezu umožňuje kontinuální sledování změn stavu horského masivu a je vhodné pro široké nasazení.

Na připojeném výkresu je znázorněn příklad blokového schématu zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických stavů v horském masivu, které sestává z teplotního čidla 1 pro snímání teploty horského masivu a je připojeno přes zesilovač 2, jehož výstup je dále zapojen přes modulátor 3 a demodulátor 4, jehož výstup je připojen jednak na vstup bloku 5. Vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty, jednak na vstup derivátoru 6 pro získání časové derivace elektrického signálu odpovídajícího teplotám, jednak na první vstup komparátoru 9 pro kladné změny teploty, jednak na první vstup komparátoru 10 pro záporné změny teploty a jednak na vstup registračního měřicího přístroje 15, přičemž první výstup bloku 5 vyhodnoceni kladného a záporného přísrůstku teploty je spojen s řídicím vstupem prvního spínače 13 a druhý výstup bloku 5 vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty je spojen s řídicím vstupem druhého spínače 14, kde vstupy prvního a druhého spínače 13,14 jsou spojeny s výstupem derivátoru 6 pro získání časové derivace elektrického signálu odpovídajícího teplotám, zatímco výstup prvního spínače 13 je spojen přes nelineární člen 7 pro kladné změny teploty s druhým vstupem komparátoru 9 pro kladné změny teploty, přičemž výstup druhého spínače 14 je spojen přes nelineární clen 8 pro záporné změny teploty s druhým vstupem komparátoru 10 pro záporné změny teploty, kde výstup komparátoru 9 pro kladné změny teploty je spojen s jedním vstupem bloku 11 logického součtu a výstup komparátoru 10 pro záporné změny teploty je spojen s druhým vstupem bloku 11 logického součtu, jehož výstup je spojen s blokem signalizačního zařízení 12.

V horském masivu je ve vrtu umístěno teplotní čidlo 1 pro snímání teploty horského masivu a je tepelně izolováno od vnějšího prostředí. Zesilovač 2 je výhodně umístěn s modulátorem 3 ve společné skříni v blízkosti teplotního čidla 1. Modulátor 3 je spojen stíněným vodičem s demodulátorem 4, který je umístěn v povrchových objektech dolu. Spolu s demodulátorem 4 je ve společné skříni umístěna zbývající elektronika. Signalizační zařízení 12 (optické, akustické apod.) je umístěno v místě se stálou službou.

Teplotní čidlo 1 převádí změny teploty, vyvolané napěťově přetvářnými změnami v horském masivu, na elektrický signál. Časová konstanta teplotního ěidla je menší než 1 s. Elektrický signál je zesílen zesilovačem 2 a po zesílení je veden do modulátoru

3. Modulátor 3 pracuje na principu frekvenční modulace. Cílem frekvenční modulace je úpravna elektrického signálu do vhodného tvaru pro přenos na větší vzdálenosti tak, jak to vyžadují provozní podmínky. V demodulátoru 4 je signál převeden do analogového tvaru. Kladným a záporným změnám teploty vzhledem ke vztažné teplotě - ustálené teplotě horského masivu - odpovídá kladný a záporný elektrický signál po demodulaci. Kladný a záporný signál se vyhodnotí v bloku 5, který otevírá buď spínač 13 pro kladný signál, nebo spínač 14 pro záporný signál. Funkce dalších částí zařízení, tj. bloku 7, 8, 9, 10, 11 je koncipována na základě skutečnosti, že každé rychlosti zatěžování —- odpovídá určitá hodnotit pevnosti βρ; dt hodnotám je úměrná rychlost teplotních

Clu dT hodnota změny zatížení je úměrná změn dt změnám teploty ZlT a tím výstupnímu elektrickému signálu za blokem 4. Dovolené změny namáhání i závislosti teplotních změn na změnách zatížení jsou odlišné pro tlaková a tahová namáhání, jimž odpovídá kladná nebo záporná změna elektrického signálu. Přiřazení dovolených zatížení k příslušným signálům pro tah a tlak zajišťují nelineární členy 7 a 8 pro kladné a záporné teploty. Výstupní signál z demodulátoru 4 je proto derivován podle času v derivátoru 6 je veden spínači 13 a 14 k nelineárním členům 7 a 8. V nelineárním členu 7 pro kladné změny teploty je přiřazena vstupnímu signálu z derivátoru 6 určitá hodnota elektrického signálu na výstupu, odpovídající dovolenému tlakovému namáhání pro danou rychlost změny, obdobně přiřazuje nelineární člen 8 pro záporné změny teploty hodnotu elektrického signálu na výstupu, odpovídající dovolenému tahovému namáhání pro danou rychlost změny, odlišnou, než odpovídá tlakovým změnám. Nelineární členy 7 a 8 jsou realizovány diodami a odpory (princip diodových generátorů funkcí), které aproximují funkční závislost přímkovými úseky. Vlastní funkce pro oba druhy namáhání se zjišťují v prvním přiblížení laboratorně na horninových vzorcích ze sledované oblasti, korekce se provádí na základě terénních pozorování. V nej jednodušším případě je na výstupu nelineárních členů 7 a 8 konstantní elektrický signál, odpovídající dovolenému namáhání v tlaku a tahu. Elektrické signály odpovídající dovoleným namáháním v tlaku a tahu se porovnávají v komparátorech 9 a 10 s elektrickým signálem, úměrným teplotním změnám a tím také změnám namáhání. V případě překročení dovolených tlakových nebo tahových hodnot dojde k vybavení jednoho z komparátorů 9 nebo 10. Logický součet 11 pak dá pokyn k potřebné signalizaci bloku signalizačního zařízení 12. Pro kontrolu lze sledovat analogový signál z demodulátoru 4 na registračním měřicím přístroji 15. Ve vhodném měřítku dává záznam informací o časovém průběhu hodnot teplotních změn a tím i změn napěťově přetvářných.

Claims (3)

1. Zařízení pro zjišťování a signalizaci kritických napěťově přetvářných stavů v horském masivu, vyznačené tím, že výstup z teplotního čidla (1) pro snímání teploty horského masivu je připojen přes zesilovač (2), jehož výstup je dále zapojen přes modulátor (3) a demodulátor (4), jehož výstup je připojen jednak na vstup bloku (5) vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty, jednak na vstup derivátoru (6) pro získání časové derivace elektrického signálu odpovídajícího teplotám, jednak na první vstup komparátoru (9) pro kladné změny teploty, jednak na první vstup komparátoru (10) pro záporné změny teploty a jednak na vstup registračního měřicího přístroje (15), přiěemž první výstup bloku (5) vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty je spojen s řídicím vstupem prvního spínače (13) a druhý výstup bloku (5) vyhodnocení kladného a záporného přírůstku teploty je spojen s řídicím vstupem druhého spínače (14), kde vstupy prvního a druhého spínače (13, 14) jsou spojeny s výstupem derivátoru (6) pro získání časové derivace elektrického signálu odpovídajícího

VYNÁLEZU teplotám, zatímco výstup prvního spínače (13) je spojen přes nelineární člen (7) pro kladné změny teploty s druhým vstupem komparátoru (9) pro kladné změny teploty, přičemž výstup druhého spínače (14) je spojen přes nelineární člen (8) pro záporné změny teploty s druhým vstupem komparátoru (10) pro záporné změny teploty, kde výstup komparátoru (9) pro kladné změny teploty je spojen s jedním vstupem bloku (11) logického součtu a výstup komparátoru (10) pro záporné změny teploty je spojen s druhým vstupem bloku (11) logického součtu, jehož výstup je spojen s blokem signalizačního zařízení (12).

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že teplotní čidlo (1) pro snímání teploty horského masivu je tvořeno teplotně závislým odporem, který je v tepelném kontaktu s horninou.

3. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že teplotní čidlo (1) pro snímání teploty horského masivu je tvořeno prvkem citlivým na infračervené záření.