PL202149B1

PL202149B1 - System for continuous monitoring of relative changes in stresses occurring before the longwall

Info

Publication number: PL202149B1
Application number: PL367850A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Isakow
Original assignee: Ct Elektryfikacji I Automatyza
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2009-06-30
Also published as: PL367850A1

Abstract

1. Uk lad ci ag lej kontroli wzgl ednych zmian na- pr eze n przed frontem górniczej sciany wydobyw- czej, wykorzystuj acy pracuj acy organ urabiaj acy kombajnu scianowego jako zród lo drga n wymu- szonych oraz geofony zainstalowane w chodni- kach na wybiegu sciany, znamienny tym, ze do wej sciowych specjalistycznych interfejsów reje- struj aco-zasilaj acych OC1...OCn komputera reje- struj acego STP pod laczone s a poprzez linie transmisyjne LT1...LTn do lowe nadajniki NSG1...NSGn z w laczonymi do ich wej sc geofo- nami: GV zamontowanymi pionowo w stropie przy scianowego wyrobiska chodnikowego oraz GH zamontowanymi poziomo w ociosie/pok ladzie tego wyrobiska, przy czym komputer STP po la- czony jest szeregowo poprzez lacze swiat lowo- dowe LS oraz serwer SRW z komputerem prze- twarzaj acym PC a do wej scia komputera PC pod- laczony jest równie z poprzez interfejs przetwarza- j acy GK blok identyfikacji PK po lo zenia kombajnu w scianie wydobywczej. PL PL1. A system of continuous control of the relative changes in the pressure in front of the mining wall, using the working mining head of the longwall shearer as a source of forced vibrations and geophones installed in chutes on the catwalk walls, characterized in that they are connected to the input specialized recording and supply interfaces OC1 ... OCn of the STP recording computer via LT1 ... LTn transmission lines to the main NSG1 ... NSGn transmitters to their entrances with geophones: GV mounted vertically in the ceiling next to the wall heading excavation and GH mounted horizontally in the side wall / deck of this excavation, where the STP computer is connected in series through the LSL ice light and SRW server With a PC processing computer, the PC input is also connected to the PC input via the GK processing interface, identification block PK of the shearer's position in the mining wall. PL PL

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ ciągłej kontroli względnych zmian naprężeń przed frontem górniczej ściany wydobywczej umożliwiający monitorowanie rozkładu względnych zmian naprężeń górotworu w rejonie tej ściany związanych z bieżącą eksploatacją. Tego rodzaju monitorowanie ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa pracy w ścianie wydobywczej i umożliwia zastosowanie optymalnej profilaktyki tąpaniowej.The subject of the invention is a system for continuous monitoring of relative changes in stresses in front of a mining longwall, which enables the monitoring of the distribution of relative changes in the stresses of the rock mass in the area of this longwall related to the current operation. This type of monitoring is of great importance for the safety of work in the longwall and enables the use of optimal rock burst prophylaxis.

Dotychczas znane są i szeroko stosowane w kopalniach układy i systemy umożliwiające wnioskowanie o stanie naprężeń w górotworze w sposób pośredni a mianowicie poprzez rejestrację zjawisk sejsmoakustycznych będących wtórnym efektem takich naprężeń. Przykładem takiego rozwiązania jest układ stacjonarnej aparatury sejsmoakustycznej według polskiego opisu patentowego nr 154 141. Tego typu układy oprócz tego, że nie monitorują bezpośrednio stanu naprężeń a jedynie zjawiska wtórne, których występowanie nie zawsze jest tożsame z takimi stanami mają również tę wadę, że nie zapewniają możliwości lokalizowania przestrzennego rozkładu naprężeń. Celem uzyskania takich możliwości stosuje się niekiedy metody polegające na wzbudzaniu zjawisk mikrosejsmicznych ręcznie przy użyciu młotów lub efektywniej poprzez odpalanie ładunków pirotechnicznych a następnie pomiarze czasu propagacji tych zjawisk rejestrowanych przez odpowiednio rozlokowane geofony jak to przykładowo rozwiązano w przypadku polskiego wynalazku nr 136 282 p.t. Sposób i układ do badania warstw geologicznych podziemnych wyrobisk górniczych a zwłaszcza rozkładu naprężeń w pokładach wydobywczych. Podstawową wadą takich rozwiązań jest konieczność każdorazowego sztucznego wzbudzania drgań mikrosejsmicznych co jest pracochłonne, często niebezpieczne dla obsługi i nie nadaje się do monitorowania naprężeń w dostatecznie długim okresie czasu.So far, there are known and widely used in mines systems and systems that enable inference about the state of stresses in the rock mass indirectly, namely through registration of seismoacoustic phenomena being a secondary effect of such stresses. An example of such a solution is the system of stationary seismic-acoustic apparatus according to Polish patent description No. 154 141. These types of systems, apart from the fact that they do not directly monitor the stress state, but only secondary phenomena, the occurrence of which are not always identical to such states, also have the disadvantage that they do not ensure the possibility of locating the spatial distribution of stresses. In order to obtain such possibilities, sometimes methods are used that involve inducing microseismic phenomena manually with the use of hammers or, more effectively, by firing pyrotechnic charges and then measuring the propagation time of these phenomena recorded by appropriately located geophones, as was solved, for example, in the case of the Polish invention No. 136 282 p.t. Method and system for examining geological layers of underground mining excavations, especially stress distribution in mining seams. The main disadvantage of such solutions is the necessity to artificially induce micro-seismic vibrations each time, which is laborious, often dangerous for the operator and is not suitable for monitoring stresses in a sufficiently long period of time.

Inne znane obecnie pod nazwą Rock Vision i stosowane rozwiązanie opracowane przez firmę NSA Engineering z USA w dużym stopniu eliminuje tę wadę poprzez wykorzystanie do celów monitoringu naprężeń sygnałów mikrosejsmicznych wzbudzonych za pośrednictwem organu urabiającego kombajnu węglowego. Rozwiązanie to charakteryzuje się jednak dość istotnymi niedogodnościami funkcjonalnymi i użytkowymi. Rejestracja i analiza sygnałów z geofonów nie odbywa się bezpośrednio w punkcie decyzyjnym t.j. na powierzchni kopalni tylko na dole. Dane do analizy gromadzone są na dysku komputera rejestrującego a następnie dysk ten transportuje się na powierzchnię do analizy co w oczywisty sposób opóź nia proces decyzyjny w zakresie profilaktyki tą paniowej. Aparatura ta nadaje się jedynie do kopalń niezagrożonych metanowo co zwłaszcza w polskich warunkach marginalizuje jej zastosowanie. Ponadto zakres pomiarów naprężeń jest ograniczony gdyż do analizy wykorzystuje się jedynie geofony zainstalowane w stropie chodników przyścianowych.Another solution currently known as Rock Vision and the applied solution developed by NSA Engineering from the USA largely eliminates this disadvantage by using microseismic signals excited by the mining head of a coal miner for the purpose of stress monitoring. However, this solution is characterized by quite significant functional and utility disadvantages. The recording and analysis of signals from geophones does not take place directly at the decision point, i.e. on the surface of the mine only at the bottom. Data for analysis are collected on the recording computer disk and then the disk is transported to the surface for analysis, which obviously delays the decision-making process in the field of prophylaxis of this lady. This equipment is only suitable for mines that are not methane-endangered, which, especially in Polish conditions, marginalizes their use. Moreover, the scope of stress measurements is limited as only geophones installed in the roof of longwall galleries are used for the analysis.

Układ według wynalazku eliminuje wszystkie wyżej wymienione niedogodności związane z ciągłą kontrolą naprężeń przed frontem ściany a ponadto rozszerza bazę czujnikową decydującą o wiarygodności tych pomiarów.The system according to the invention eliminates all the above-mentioned disadvantages related to the continuous control of stresses in front of the wall front and, moreover, extends the sensor base which determines the reliability of these measurements.

W układzie według wynalazku do wejściowych specjalistycznych interfejsów rejestrująco-zasilających komputera rejestrującego podłączone są poprzez linie transmisyjne dołowe nadajniki z włączonymi do ich wejść dwoma geofonami z których jeden jest zamocowany pionowo w stropie wyrobiska chodnikowego drugi zaś poziomo w ociosie/pokładzie tego wyrobiska. Nadajniki z geofonami pionowym i poziomym montowane są symetrycznie po obu stronach ściany w chodnikach przygotowawczych w stałych i znanych odległościach od siebie. Komputer rejestrujący połączony jest poprzez łącze światłowodowe oraz serwer z komputerem przetwarzającym, przy czym dodatkowo do wejścia komputera przetwarzającego poprzez interfejs przetwarzający podłączony jest blok identyfikacji położenia kombajnu w ścianie wydobywczej. Z kolei w nadajniku dołowym wyjście cyfrowego modułu nadawczego połączone jest poprzez przetwornik napięć zasilających do drugiego końca linii transmisyjnej zaś wejście tego modułu połączone jest z wyjściem konwertera analogowo-cyfrowego. Do jednego z wejść konwertera analogowo-cyfrowego podłączone są szeregowo w kolejności: wzmacniacz, filtr dolnoprzepustowy i geofon zamocowany w stropie zaś do drugiego wejścia w kolejności: drugi wzmacniacz, drugi filtr dolnoprzepustowy i geofon zamontowany w ociosie/pokładzie.In the system according to the invention, underground transmitters with two geophones connected to their inputs are connected to the input specialized recording and power interfaces of the recording computer, one of which is mounted vertically in the roof of the heading, and the other horizontally in the side / deck of this excavation. Transmitters with vertical and horizontal geophones are mounted symmetrically on both sides of the wall in the preparatory galleries at constant and known distances from each other. The recording computer is connected via optical fiber link and the server with the processing computer, and additionally to the input of the processing computer through the processing interface the identification block of the shearer's position in the longwall is connected. In turn, in the underground transmitter, the output of the digital transmitting module is connected via the supply voltage converter to the other end of the transmission line, and the input of this module is connected to the output of the analog-to-digital converter. One of the inputs of the analog-to-digital converter is connected in series with: the amplifier, the low-pass filter and the geophone installed in the ceiling, and to the second input in the following order: the second amplifier, the second low-pass filter and the geophone installed in the side wall / deck.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładowym wykonaniu na rysunku gdzie fig. 1 ilustruje schemat blokowy układu.The subject of the invention has been presented in an exemplary embodiment in the drawing, where Fig. 1 illustrates a block diagram of the system.

Układ ciągłej kontroli zmian naprężeń przed frontem górniczej ściany wydobywczej składa się z komputera rejestrują cego STP z specjalistycznymi interfejsami OC1...OCn, które odbierają cyfrowe sygnały telemetryczne z linii transmisyjnych LT1...LTn przekazywane z dołowych nadajników NSG1...NSGn a jednocześnie przekazują do tych nadajników iskrobezpieczny prąd służący do ichThe system of continuous control of stress changes in front of the mining longwall consists of a STP recording computer with specialized OC1 ... OCn interfaces that receive digital telemetry signals from LT1 ... LTn transmission lines transmitted from underground NSG1 ... NSGn transmitters and at the same time transmit intrinsically safe current to these transmitters

PL 202 149 B1 zasilania. Komputer STP połączony jest poprzez łącze światłowodowe LS oraz serwer SRW z komputerem przetwarzającym PC. W każdym nadajniku NSG znajduje się dwuwejściowy konwerter analogowo-cyfrowy A/C, którego wyjście połączone jest z wejściem cyfrowego modułu nadawczego CPU. Z kolei wyjś cie modułu CPU połączone jest poprzez przetwornik ZN napięć zasilających z linią transmisyjną LT. Do jednego z wejść konwertera analogowo-cyfrowego A/C podłączone są szeregowo: geofon GV zamocowany pionowo w stropie wyrobiska, filtr dolnoprzepustowy FD1 i wzmacniacz W1, zaś do drugiego wejścia tego konwertera geofon GH zamontowany w ociosie/pokładzie wyrobiska, filtr dolnoprzepustowy FD2 i wzmacniacz W2. Komputer PC posiada interfejs CK do którego podłączony jest blok PK identyfikacji położenia kombajnu w ścianie.PL 202 149 B1. The STP computer is connected via the LS fiber optic link and the SRW server with the processing PC. Each NSG transmitter has a two-input A / C analog-to-digital converter, the output of which is connected to the input of the digital transmitting module of the CPU. In turn, the output of the CPU module is connected via the ZN converter of supply voltages with the LT transmission line. One of the inputs of the A / C converter is connected in series with: geophone GV mounted vertically in the roof of the excavation, low-pass filter FD1 and amplifier W1, and to the other input of this converter, geophone GH installed in the side / deck of the excavation, low-pass filter FD2 and amplifier W2. The PC has a CK interface to which the PK block for identifying the shearer's position in the wall is connected.

Funkcjonowanie układu według wynalazku polega na tym, że drgania wzbudzone przez wrębiający się w caliznę węglową organ urabiający kombajnu są przetwarzane na sygnały elektryczne przez geofony GV zainstalowane pionowo w stropie wyrobiska jak i przez geofony GH zainstalowane poziomo w ociosie/pokładzie wyrobiska a następnie po przetworzeniu w nadajnikach NSG1...NSGn z użyciem konwerterów analogowo-cyfrowych A/C oraz modułu nadawczego CPU do odpowiedniej postaci cyfrowej dogodnej dla transmisji przekazywane są poprzez linie transmisyjne LT1...LTn do interfejsów OC1...OCn komputera rejestrującego STP. Równocześnie do interfejsu CK tego komputera przetwarzającego PC przekazywane są sygnały identyfikacji położenia kombajnu z bloku PK. W komputerze PC na podstawie analizy energii zarejestrowanych sygna ł ów pochodzących z geofonów podłączonych do poszczególnych nadajników NSG, przy uwzględnieniu aktualnego położenia kombajnu dokonuje się z użyciem specjalistycznego oprogramowania obliczanie wielkości i rozkładu współczynników tłumienia fali sejsmicznej w górotworze (pokład i strop) i wynikowe przedstawienie aktualnego ich stanu w bardzo dogodnej dla interpretacji i diagnozy formie tomograficznej (izolinie) na ekranie komputera. Małe wartości tłumienia identyfikują miejsca o zwiększonych naprężeniach zaciśnięte. Duże wartości tłumienia identyfikują miejsca o zmniejszonej wartości naprężeń lub rozluźnione.The functioning of the system according to the invention is based on the fact that the vibrations induced by the cutting head of the roadheader cutting into the coal body are converted into electrical signals by GV geophones installed vertically in the roof of the excavation and by GH geophones installed horizontally in the side of the excavation side / deck, and then processed into NSG1 ... NSGn transmitters with the use of A / C analog-to-digital converters and a CPU transmitting module to the appropriate digital form convenient for transmission are transmitted through the LT1 ... LTn transmission lines to the OC1 ... OCn interfaces of the STP recording computer. At the same time, the shearer position identification signals from the PK block are transmitted to the CK interface of this processing PC. On the basis of the analysis of the energy of the recorded signals from the geophones connected to individual NSG transmitters, in the PC computer, taking into account the current position of the shearer, the calculation of the size and distribution of the damping coefficients of the seismic wave in the rock mass (deck and roof) and the resulting presentation of the current their condition in a tomographic form (isolines) very convenient for interpretation and diagnosis on a computer screen. Low damping values identify pinched areas of increased stress. High damping values identify areas of reduced stress or loose.

Algorytmy obliczeń oparte sana znanych geofizycznych zależnościach wiążących energię i tłumienie propagacji drgań w górotworze z wielkością występujących w nim naprężeń.Calculation algorithms based on known geophysical relationships linking energy and damping of vibration propagation in the rock mass with the amount of stresses occurring in it.

Zastosowanie geofonów zarówno w stropie jak i ociosie/pokładzie znacznie zwiększa pole obserwacji naprężeń. Sygnały z tych geofonów są przefiltrowane w filtrach dolnoprzepustowych FD1, FD2, wzmocnione w wzmacniaczach W1, W2 i przetworzone w konwerterze A/C do postaci cyfrowej co zapewnia wysoką dynamikę ich zapisu oraz niską wrażliwość na szumy transmisyjne których poziom w kopalnianych warunkach jest przeważnie wysoki. Specjalistyczne interfejsy OC1 ...OCn oprócz wstępnej obróbki sygnałów zapewniają przekazywanie do nadajników NSG1...NSGn iskrobezpiecznych prądów służących do ich zasilania co jest bardzo dogodne i istotne w przypadku kopalń zagrożonych metanem. Przetworniki ZN w każdym z nadajników umożliwiają uzyskanie pożądanych napięć zasilających poszczególne bloki funkcjonalne nadajników oraz umożliwiają szeregową transmisję cyfrową wyników rejestracji po linii zasilającej.The use of geophones both in the roof and the side wall / deck significantly increases the stress observation field. Signals from these geophones are filtered in low-pass filters FD1, FD2, amplified in amplifiers W1, W2 and converted in an A / D converter to digital form, which ensures high dynamics of their recording and low sensitivity to transmission noise, the level of which is usually high in mine conditions. Specialized OC1 ... OCn interfaces, in addition to pre-processing of signals, ensure the transmission of intrinsically safe currents to NSG1 ... NSGn transmitters, which are used to supply them, which is very convenient and important in the case of mines endangered with methane. The ZN converters in each of the transmitters enable to obtain the desired supply voltages for individual functional blocks of the transmitters and enable serial digital transmission of the recording results along the supply line.

Tak skonfigurowany układ ciągłej kontroli względnych zmian naprężeń przed frontem górniczej ściany wydobywczej metodą pośrednią poprzez kontrolę względnych zmian tłumienia drgań sprężystych umożliwia w świetle wyżej wymienionych właściwości szeroki zakres ciągłego monitoringu stanu naprężeń w górotworze interesujących z punktu widzenia profilaktyki tąpaniowej jak i ekonomiki procesu technologicznego, przykładowo optymalizacji doboru obudowy ścianowej lub też energii elektrycznej pobieranej przez maszyny urabiające. Przede wszystkim jednak funkcjonując w pełni automatycznie w czasie rzeczywistym układ według wynalazku umożliwia szybką reakcję w razie wystąpienia zagrożeń tąpaniowych.Such a configuration of the system of continuous control of the relative changes of stresses in front of the mining longwall by the indirect method by controlling the relative changes of elastic vibration damping allows, in the light of the above-mentioned properties, a wide range of continuous monitoring of the state of stresses in the rock mass, interesting from the point of view of rock burst prevention and the economics of the technological process, e.g. optimization selection of a longwall casing or electric energy consumed by mining machines. Above all, however, operating fully automatically in real time, the system according to the invention enables a quick reaction in the event of rock burst hazards.

Claims

1. A system of continuous control of the relative changes in stresses in front of the mining longwall, using the working mining head of the longwall shearer as a source of forced vibrations and geophones installed in the wall walkways, characterized by the fact that to the input of specialized recording and supply interfaces OC1 ... OCn of the computer of the STP registrant are connected via LT1 ... LTn transmission lines, underground transmitters NSG1 ... NSGn with geophones connected to their inputs: GV mounted vertically in the roof of the longwall heading excavation and GH mounted horizontally in the side / deck of this excavation, with the STP computer connected to is serially through the fiber optic link LS and the SRW server from cell4

The PK identification block of the shearer position in the longwall is also connected to the input of the PC via the GK processing interface.

2. The system according to claim 1, characterized in that in the underground transmitter NSG, the output of the digital transmitting module CPU is connected via the ZN converter of supply voltages to the LT transmission line, and the input of the CPU module is connected to the output of the analog-to-digital converter A / C, with one of the inputs of this converter connected are in series in the following order: amplifier W1, low-pass filter FD1 and geophone GV, and to the second input of the converter are connected in series: amplifier W2, low-pass filter FD2 and geophone GH.