PL201953B1 - Sposób i system rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi, zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą - Google Patents

Abstract

1. Sposób rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi, zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą, wykorzystujący czujniki akcelerometryczne lub prędkościowe do pomiaru drgań oraz czujniki do pomiaru deformacji powierzchni, z których przekazuje się informacje do centralnej jednostki kontroli zagrożeń, znamienny tym, że sygnały z czujników do rejestracji drgań przekazuje się za pośrednictwem transmisji przewodowej do lokalnych koncentratorów informacji, gdzie uzupełnia się je o informacje uzyskiwane z odbiorników globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, koduje cyfrowo a następnie przekazuje za pośrednictwem transmisji przewodowej lub radiowej do centralnej jednostki kontroli zagrożeń, do której przekazuje się dodatkowo przewodowo lub radiowo dane z lokalnych referencyjnych stacji wchodzących w skład sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania umożliwiając precyzyjne dowiązanie programowe stacji referencyjnych systemu rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi do geodezyjnych permanentnych stacji sieci globalnego pozycjonowania, a ponadto do centralnej jednostki przekazuje się sygnały informujące o zaistniałych w kopalniach zjawiskach związanych z drganiami górotworu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i system rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi, zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą, który umożliwia monitorowanie i prognozowanie oddziaływania wstrząsów oraz osiadania powierzchni ziemi na terenach przemysłowych. Głównym celem stosowania tego typu sposobów i systemów jest zminimalizowanie strat w infrastrukturze zabudowy obszarów przemysłowych oraz zmniejszenie skutków społecznych degradacji środowiska naturalnego będących następstwem podziemnej eksploatacji górniczej lub też na przykład wynikających z sąsiedztwa dużych ciągów komunikacyjnych.

Przedmiotowy problem ma dużą wagę społeczną, ponieważ dotyczy żywotnych interesów często dużej liczby mieszkańców rejonów gdzie jest obecnie lub była prowadzona działalność górnicza (dotyczy to zarówno górnictwa głębinowego jak i odkrywkowego) narażonych codziennie na uszczerbek mienia lub nawet zdrowia z powodu szkodliwego oddziaływania na infrastrukturę zabudowy wstrząsów i deformacji powierzchni wywołanych prowadzoną lub też zaniechaną w nieodległym czasie eksploatacją górniczą lub też intensywnym ruchem pojazdów poruszających się w dużych ciągach komunikacyjnych.

Dotychczasowe rozwiązania urządzeń i systemów rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi jak na przykład aparatury typu WORS firmy JAKE, ARP firmy EMAG lub AMAX firmy GIG nie rozwiązują problemu takiej rejestracji w sposób dostatecznie funkcjonalny i kompleksowy.

W istnieją cych rozwiązaniach nie jest możliwe automatyczne rejestrowanie w czasie rzeczywistym zjawisk występujących na powierzchni ziemi w korelacji z zaistniałymi i zarejestrowanymi przez kopalniane systemy rejestracyjne wstrząsami górotworu. Aktualna struktura stosowanych aparatur uniemożliwia zbudowanie bardziej złożonej sieci pomiarowej, w której poszczególne elementy byłyby z sobą powiązane. Aparatury te nie posiadają zasilania buforowanego i synchronizacji czasowej umożliwiającej m.in. korelację zjawisk. Powoduje to, że mogą one mylnie rejestrować różnorodne drgania wywołane np. działalnością pracujących w sąsiedztwie ludzi. Stosowana często przy wykorzystywaniu tych aparatur procedura okresowego zbierania danych za pośrednictwem dyskietek jest wysoce kłopotliwa i opóźnia analizę danych.

Brakiem kompleksowości i niewystarczającą funkcjonalnością charakteryzują się również zbliżone w przedmiotowej materii wynalazki jak np. polski wynalazek. PL 169137 p.t.: „Sposób określania maksymalnej wielkości składowej amplitudy drgań cząstek gruntu i budowli inżynierskich wywołanych urabianiem skał materiałem wybuchowym” lub brytyjski wynalazek GB 2317907 p.t.: „A system for monitoring an earth and/or rock body includes a plurality of sensors spaced on a surface of the body”. Oba te wynalazki dotyczą wybiórczej rejestracji albo tylko drgań albo tylko deformacji i przy tym bez powiązania z zjawiskami przyczynowymi.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że sygnały z akcelerometrycznych lub prędkościowych czujników drgań przekazuje się za pośrednictwem transmisji przewodowej do lokalnych koncentratorów informacji, gdzie uzupełnia się je o informacje uzyskiwane z odbiorników globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, koduje cyfrowo a następnie przekazuje za pośrednictwem transmisji przewodowej lub radiowej do centralnej jednostki kontroli zagrożeń, do której przekazuje się również przewodowo lub radiowo dane z referencyjnych stacji wchodzących w skład sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania umożliwiające precyzyjne programowe dowiązanie stacji referencyjnych systemu rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi do sieci globalnej, a ponadto do jednostki centralnej przekazuje się sygnały informujące o zaistniałych w kopalniach zjawiskach związanych z drganiami górotworu.

W systemie według wynalazku do jednostki centralnej kontroli zagrożeń podłączone są torami transmisyjnymi przewodowymi lub radiowymi obiektowe zestawy pomiarowe drgań powierzchni ziemi a innymi torami transmisyjnymi przewodowymi lub radiowymi dodatkowe zestawy pomiarowe: drgań i deformacji powierzchni, deformacji powierzchni, deformacji punktów referencyjnych oraz mobilnych pomiarów deformacji powierzchni. Ponadto do jednostki centralnej podłączone są torami transmisyjnymi przewodowymi lub radiowymi kopalniane rejestratory wstrząsów a innym torem przewodowym lub radiowym lokalne stacje referencyjne sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania.

Korzystnie w obiektowym zestawie pomiarowym do pomiaru drgań znajduje się lokalny koncentrator informacji, do którego są podłączone: tor transmisyjny do jednostki centralnej poprzez modem transmisji, trójskładowe akcelerometryczne lub prędkościowe czujniki drgań, prosty odbiornik globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania oraz blok zasilania buforowego.

PL 201 953 B1

Korzystnie w obiektowym zestawie do pomiaru drgań i deformacji powierzchni znajduje się lokalny koncentrator informacji połączony z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym czujnikiem deformacji powierzchni globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji tor transmisyjny do jednostki centralnej kontroli zagrożeń, prosty odbiornik globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu oraz blok zasilania buforowego.

Korzystnie w obiektowym zestawie do pomiaru deformacji powierzchni znajduje się lokalny koncentrator informacji połączony torami informacyjnymi z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym czujnikiem deformacji powierzchni globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji tor transmisyjny do jednostki centralnej oraz blok zasilania buforowego.

Korzystnie w obiektowym zestawie referencyjnym do pomiaru deformacji powierzchni znajduje się lokalny koncentrator informacji połączony z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym czujnikiem deformacji powierzchni globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji tor transmisyjny do jednostki centralnej oraz blok zasilania buforowego.

Korzystnie w obiektowym zestawie referencyjnym do mobilnych pomiarów deformacji powierzchni znajduje się lokalny koncentrator informacji połączony z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym mobilnym czujnikiem deformacji do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji tor transmisyjny do jednostki centralnej oaz blok zasilania buforowego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu rejestracji drgań i deformacji powierzchni.

System według wynalazku obejmuje w zależności od potrzeb jednostkę centralną kontroli zagrożeń JCKZ oraz jeden lub kilkanaście obiektowych zestawów pomiarowych ZP D(i) do pomiaru drgań powierzchni ziemi, jeden lub kilkanaście obiektowych zestawów pomiarowych ZP D/O(j) do pomiaru drgań i deformacji powierzchni, jeden lub kilkanaście obiektowych referencyjnych zestawów pomiarowych ZP O(k) do pomiaru deformacji, jeden lub kilka obiektowych referencyjnych zestawów pomiarowych ZP R(l) deformacji, jeden lub kilka mobilnych zestawów pomiarowych MZ P(o) deformacji oraz jeden lub kilka kopalnianych rejestratorów wstrząsów KR(m). Do jednostki centralnej JCKZ podłączone są: torem transmisyjnym T1(i) przewodowym lub radiowym obiektowy zestaw pomiarowy ZP D(i) do pomiaru drgań powierzchni, torami transmisyjnymi T2(j,k,I) przewodowymi lub radiowymi obiektowe zestawy pomiarowe: ZP D/O(j) do pomiaru drgań i deformacji powierzchni, ZP O(k) do pomiaru deformacji, ZP R(l) do pomiaru deformacji punktów referencyjnych torem transmisyjnym T3(m) przewodowym lub radiowym kopalniane rejestratory wstrząsów KR(m), zaś torem T4(n) przewodowym lub radiowym lokalne stacje referencyjne LSG sieci globalnego systemu GPS.

W obiektowym zestawie pomiarowym ZP D(i) lokalny koncentrator informacji LKD(i) połączony jest z torem transmisyjnym T1(i) poprzez modem transmisji z jednostką centralną JCKZ a ponadto podłączone są do niego: trójskładowe akcelerometryczne lub prędkościowe czujniki drgań C(i), prosty odbiornik satelitarnego systemu wzorcowania czasu GPS-T(i) oraz blok UPS(i) zasilania buforowego.

W obiektowym zestawie pomiarowym ZP D/O(j) lokalny koncentrator informacji LKD/O(j) połączony jest torem transmisyjnym T2(j) poprzez modem transmisji z jednostką centralną JCKZ a ponadto podłączone są do niego: czujniki C(j) pomiaru przyspieszeń lub prędkości drgań, precyzyjny jedno lub dwuczęstotliwościowy czujnik GPS-1_2F(j) deformacji powierzchni, prosty odbiornik globalnego satelitarnego systemu wzorcowania GPS-T(j) oraz blok UPS(j) zasilania buforowego.

W obiektowym zestawie do pomiaru deformacji powierzchni ZP O(k) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKO(k) połączony z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym czujnikiem deformacji powierzchni GPS-1_2F(k), do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji MODT(k) tor transmisyjny T2(k) do jednostki centralnej oraz blok zasilania buforowego UPS(k).

W obiektowym zestawie referencyjnym do pomiaru deformacji powierzchni ZP R(l) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKR(l) połączony z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym czujnikiem deformacji powierzchni GPS-1_2F(I), do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji MODT(l) tor transmisyjny T2(l) do jednostki centralnej oraz blok zasilania buforowego UPS(l).

W obiektowym mobilnym zestawie referencyjnym do pomiaru deformacji powierzchni MZP O(o) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKM(o) połączony z precyzyjnym jedno lub dwuczęstotliwościowym mobilnym czujnikiem GPS-1_2F(o) deformacji powierzchni przystosowany do ustawiania

PL 201 953 B1 na zabetonowanych reperach, do którego podłączone są ponadto: poprzez modem transmisji MODT(o) tor transmisyjny T5(o) do jednostki centralnej oraz blok zasilania buforowego UPS(o).

Sposób rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą polega na tym, że do jednostki centralnej kontroli zagrożeń przekazuje się drogą przewodową lub radiową informacje z siedmiu niezależnych źródeł: lokalnych koncentratorów informacji gromadzących dane z akcelerometrycznych czujników przyspieszeń drgań (wstrząsów), lokalnych koncentratorów informacji gromadzących dane z czujników drgań i deformacji powierzchni, lokalnych koncentratorów informacji gromadzących dane z jednoczęstotliwościowych czujników deformacji, lokalnych koncentratorów informacji gromadzących dane z dwuczęstotliwościowych czujników referencyjnych deformacji, z mobilnych koncentratorów danych gromadzących dane z mobilnych czujników deformacji, lokalnej permanentnej sieci odbiorników GPS dowiązanej do sieci europejskiej EREF dostarczającej niezbędnych danych do udokładnienia w postprocessingu wyników pomiarów deformacji powierzchni oraz z kopalnianego rejestratora wstrzą sów. W lokalnych koncentratorach informacji rejestrują cych drgania oraz jednocześnie drgania i osiadanie synchronizację czasu rejestracji zapewniono poprzez pobieranie danych z prostych odbiorników GPS. W jednostce centralnej na podstawie takiej szerokiej bazy danych możliwa jest dokładna przyczynowa analiza i prognozowanie zjawisk mających wpływ na degradację infrastruktury zabudowy a wynikających z eksploatacji górniczej lub ruchu pojazdów samochodowych lub też z innych przyczyn. Synchronizacja czasowa zjawisk na powierzchni możliwa dzięki zastosowaniu globalnego wzorca czasowego maksymalnie ułatwia analizę przyczynowo-skutkową z dużym zminimalizowaniem przyczyn ubocznych. Z kolei wykorzystanie globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania oraz mechanizmów udokładniania danych w postprocessingu z wykorzystaniem czujników referencyjnych dowiązywanych do stanowisk permanentnej lokalnej i europejskiej sieci umożliwia uzyskanie wymaganej dokładności i obiektywizuje dane uzyskiwane z czujników deformacji powierzchni. Kodowanie cyfrowe informacji przesyłanych z koncentratorów zapewnia odpowiednią niewrażliwość na zniekształcenia transmisyjne.

W systemie wedł ug wynalazku do jednostki centralnej kontroli zagroż e ń JCKZ torem transmisyjnym T1(i) przewodowym lub radiowym przekazywane są informacje z obiektowych zestawów pomiarowych ZP D(i) do pomiaru drgań powierzchni, torami transmisyjnymi T2(j,k,l) przewodowymi lub radiowymi informacje z obiektowego zestawu pomiarowego: ZP D/O(j) do pomiaru deformacji, ZP O(k) do pomiaru przyśpieszeń drgań i deformacji, ZP R(l) do pomiaru deformacji stanowisk referencyjnych. Torem transmisyjnym T3(m) przewodowym lub radiowym do jednostki centralnej JCKZ wprowadzane są informacje z kopalnianych rejestratorów wstrząsów a torem transmisyjnym T4(n) (Internet) informacje z najbliższych stanowisk lokalnych permanentnych sieci geodezyjnych niezbędne do udokładniania w całym systemie wyników pomiaru deformacji. Wyniki ciągłego pomiaru z akcelerometrycznych lub prędkościowych trójskładowych czujników C(i) i C(j) lokowane są w koncentratorach informacji LKD(i) i LKD/O(j). Na bieżąco dokonywana jest detekcja i kwalifikacja sygnałów na podstawie której wykrywa się zjawiska sejsmiczne. Zbuforowane dane przekazuje się w postaci cyfrowej za pomocą modemów torem transmisyjnym T1(i) lub torami T2(j,k,l) do jednostki centralnej JCKZ z inicjatywy koncentratorów pomiarowych lub na polecenie tej jednostki. Czas rzeczywisty w koncentratorach ustalany jest przy pomocy odbiorników GPS-T(i) i GPS-T(j) globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania. Uzyskanie dokładnej synchronizacji czasowej umożliwia precyzyjne prowadzenie osi czasu dla zapamiętywania i korelacji zjawisk. Bloki UPS zasilania buforowego umożliwiają w lokalnych zestawach pomiarowych bezprzerwowe, niezależne od ewentualnych awarii sieci zasilającej funkcjonowanie systemu. W zestawach pomiarowych do kontroli drgań i osiadania, osiadania punktów pomiarowych, osiadania punktów referencyjnych do lokalnych koncentratorów informacji dostarczane są informacje z rozmieszczonych w terenie precyzyjnych czujników do pomiaru deformacji powierzchni (odbiorników jedno lub dwuczęstotliwościowych GPS-1_2F globalnego systemu pozycjonowania). Zaprezentowana struktura systemu i sposób pozyskiwania danych umożliwia przy wykorzystaniu dodatkowo metod postprocessingu maksymalnie dokładną kontrolę deformacji powierzchni wywołanej nierównomiernym osiadaniem gruntu.

Informacje przekazane z zestawów pomiarowych ZP D(i), ZP D/O(j), ZP O(k) i MZP O(l) do jednostki centralnej JCKZ są w tej jednostce porównywane na bieżąco z informacjami z kopalnianych rejestratorów wstrząsów KR(m). Umożliwia to precyzyjną korelację i selekcję zjawisk oraz wnioskowanie, co do zaistniałych jak i przewidywanych procesów wywołujących degradację infrastruktury na powierzchni ziemi wynikających z różnych przyczyn, w tym zwłaszcza z powodu eksploatacji górniPL 201 953 B1 czej. Tak skonfigurowany system oprócz dużej funkcjonalności odznacza się ponadto elastycznością w sensie możliwości realizacji dalszych funkcji w przedmiotowym zakresie rejestracji i predykcji.

Claims (7)

1. Sposób rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi, zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą, wykorzystujący czujniki akcelerometryczne lub prędkościowe do pomiaru drgań oraz czujniki do pomiaru deformacji powierzchni, z których przekazuje się informacje do centralnej jednostki kontroli zagrożeń, znamienny tym, że sygnały z czujników do rejestracji drgań przekazuje się za pośrednictwem transmisji przewodowej do lokalnych koncentratorów informacji, gdzie uzupełnia się je o informacje uzyskiwane z odbiorników globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, koduje cyfrowo a następnie przekazuje za pośrednictwem transmisji przewodowej lub radiowej do centralnej jednostki kontroli zagrożeń, do której przekazuje się dodatkowo przewodowo lub radiowo dane z lokalnych referencyjnych stacji wchodzących w skład sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania umożliwiając precyzyjne dowiązanie programowe stacji referencyjnych systemu rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi do geodezyjnych permanentnych stacji sieci globalnego pozycjonowania, a ponadto do centralnej jednostki przekazuje się sygnały informujące o zaistniałych w kopalniach zjawiskach związanych z drganiami górotworu.

2. System rejestracji drgań i deformacji powierzchni, zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą składający się z jednostki centralnej kontroli zagrożeń i czujników akcelerometrycznych lub prędkościowych do pomiaru drgań oraz czujników deformacji powierzchni, znamienny tym, że do jednostki centralnej kontroli zagrożeń JCKZ podłączone są torem transmisyjnym T1(i) przewodowym lub radiowym obiektowe zestawy pomiarowe ZP D(i) drgań powierzchni ziemi, torami transmisyjnymi T2(j,k,l) przewodowymi lub radiowymi obiektowe zestawy pomiarowe: ZP D/O(j) drgań i deformacji powierzchni, ZP O(k) deformacji powierzchni, ZP R(l) deformacji punktów referencyjnych natomiast torem T5(o) zestawu pomiarowego MZP O(o) do mobilnych pomiarów deformacji powierzchni a ponadto do jednostki centralnej JCKZ podłączone są torami transmisyjnymi T3(m) przewodowymi lub radiowymi kopalniane rejestratory wstrząsów KR(m) oraz torem T4(n) przewodowym lub radiowym lokalne geodezyjne permanentne stacje referencyjne LSG sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania.

3. System według zastrz. 2, znamienny tym, że w obiektowym zestawie pomiarowym ZP D(i) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKD(i) do którego podłączone są: tor transmisyjny T1(i) poprzez modem transmisji MODT(i), trójskładowe akcelerometryczne lub prędkościowe czujniki drgań C(i), prosty odbiornik GPS-T(i) globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania oraz blok UPS(i) zasilania buforowego.

4. System według zastrz. 2, znamienny tym, że w obiektowym zestawie pomiarowym ZP D/O(j) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKD/O(j) połączony z jedno lub dwuczęstotliwościowym precyzyjnym czujnikiem deformacji powierzchni GPS-1_2F globalnego systemu pozycjonowania do którego podłączone są ponadto: tor transmisyjny T2(j) poprzez modem transmisji MODT(j), prosty odbiornik GPS-T(j) globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu oraz blok UPS(j) zasilania buforowego.

5. System według zastrz. 2, znamienny tym, że w obiektowym zestawie pomiarowym ZP O(k) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKO(k) połączony z jedno lub dwuczęstotliwościowym precyzyjnym czujnikiem deformacji powierzchni GPS-1_2F(k) globalnego systemu pozycjonowania do którego podłączone są ponadto: tor transmisyjny T2(k) poprzez modem transmisji MODT(k), oraz blok UPS(k) zasilania buforowego.

6. System według zastrz. 2, znamienny tym, że w obiektowym zestawie ZP R(l) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKR(I) połączony z jedno lub dwuczęstotliwościowymi precyzyjnymi czujnikami deformacji powierzchni GPS-1_2F(I) globalnego systemu pozycjonowania do którego podłączone są ponadto: tor transmisyjny T2(l) poprzez modem transmisji MODT(l), oraz blok UPS(l) zasilania buforowego.

7. System według zastrz. 2, znamienny tym, że w obiektowym zestawie MZP O(o) znajduje się lokalny koncentrator informacji LKM(o) połączony z mobilnym jedno lub dwuczęstotliwościowym precyzyjnym czujnikiem deformacji powierzchni GPS-1_2F(o) globalnego systemu pozycjonowania do którego podłączone są ponadto: tor transmisyjny T5(o) poprzez modem transmisji MODT(o), oraz blok UPS(o) zasilania buforowego.