PL230218B1 - Sposób i układ do pomiaru względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej przeznaczony do bieżącego wykrywania i monitoringu zagrożenia tąpaniami w rejonie ściany wydobywczej w kopalni głębinowej.

Znany jest z opisu patentowego PL207323 B1 sposób, w którym wykorzystuje się geofony standardowej sieci sejsmoakustycznej ściany wydobywczej, zainstalowane w chodnikach przyścianowych przed jej frontem, w znanych odległościach od skrzyżowania z tą ścianą. Wartość współczynnika absorpcji wyznacza się na podstawie skumulowanej energii umownej zdarzeń sejsmoakustycznych rejestrowanej przez wspomniane geofony w ustalonych, korzystnie obejmujących jeden pełny skraw ściany, odcinkach czasu oraz przyjmuje odległość geofonów od skrzyżowania jako ich odległość od źródła sejsmoakustycznych impulsów i oblicza tłumienie jako efektywną wartość współczynnika według znanych z fizyki równań wiążących obserwowaną energię fal z odległościami od źródła i z tym współczynnikiem.

Znany jest też z opisu patentowego PL202149 B1 układ do ciągłej kontroli względnych zmian naprężeń w górotworze przed frontem górniczej ściany wydobywczej, który charakteryzuje się tym, że do interfejsów komputera rejestrującego przyłączone są za pośrednictwem linii transmisyjnych nadajniki dołowe wyposażone w geofony zainstalowane odpowiednio w stropie oraz ociosie lub pokładzie wyrobiska, przy czym nadajniki te są zasilane z tych linii w sposób iskrobezpieczny. Do oszacowywania stanu względnych naprężeń wykorzystuje się drgania wytwarzane przez pracujący element urabiający kombajnu ścianowego określając izolinie tłumienia tych drgań w kontrolowanym pokładzie lub stropie, a w komputerze dokonuje się obliczenia wielkości i rozkładu względnych zmian tłumienia fali sejsmicznej w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalnych do względnych zmian naprężeń, co umożliwia przedstawienie ich w postaci mapy tomograficznej zawierającej izolinie względnych zmian naprężeń.

Znany jest z opisu patentowego PL152339 (B1) układ wielokanałowej przenośnej aparatury sejsmicznej przeznaczonej do kontroli stanu górotworu w rejonie wyrobisk górniczych w celu określenia rozkładu naprężeń w czasie i w przestrzeni oraz rozpoznania niejednorodności złoża metodą aktywnej prędkościowej tomografii sejsmicznej. Układ składa się z mikroprocesowego bloku z wewnętrzną pamięcią statyczną o dostępie swobodnym RAM i programowalną pamięcią EPROM, który połączony jest za pośrednictwem zbiorczej systemowej magistrali z blokiem rozszerzonej pamięci RAM z podtrzymaniem bateryjnym, blokiem zegara czasu rzeczywistego, modułem sterującym, który pobudzany jest bezwładnościowym przekaźnikiem oraz blokiem sterującym pomiarami i wielokanałowym blokiem wejść analogowych, do których przyłączone są geofonowe czujniki. Przy czym, blok sterujący pomiarami analogowymi i blok wejść analogowych są połączone ze sobą wewnętrzną magistralą gotowości. Natomiast do systemu magistrali są przyłączone blok sterujący z ciekłokrystalicznym wskaźnikiem i blok transmisji szeregowej, który posiada dwukierunkowe szeregowe wyjście.

Znane są też metody prześwietlania sejsmicznego z zastosowaniem aktywnej tomografii sejsmicznej oraz pasywnej tomografii sejsmicznej z publikacji pod tytułem „Metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego (2010 r.). Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza, wyd. przez Główny Instytut Górnictwa w Katowicach s.165-320.

Znane są z opisów patentowych CN101762830 (B), CN102279410 (A) zintegrowane układy i sposoby monitorowania górotworu poprzez sieć czujników sejsmicznych i sejsmoakustycznych połączonych z bazowym komputerem poprzez sieć Ethernet, które służą do analizowania sygnałów pomiarowych rejestrowanych w układzie przestrzennym oraz do lokalizacji źródła wstrząsu sejsmicznego w monitorowanych wyrobiskach górniczych.

Znana jest też z opisu patentowego CN101581789 (A) metoda wykrywania zaburzeń w górotworze kopalni polegająca na prześwietlaniu sejsmicznym górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi metodą aktywnej tomografii. W metodzie tej stosowane są trójskładowe sondy geofonowe pomiarowe usytuowane w chodnikach przyścianowych, a jako źródło fal sprężystych służy detonacja ładunku materiału wybuchowego w przeciwległym chodniku. Metoda polega na rejestracji przez trójskładowe sondy geofonowe przebiegu fal sprężystych w pokładzie węgla, wzbudzanych w punktach strzałowych. Na podstawie analizy tych rejestracji dokonuje się ustaleń dotyczących anomalii geologicznych występujących w górotworze.

Znany jest z publikacji opisu patentowego RU2011112877 (A) sposób monitorowania stanu naprężenia i deformacji masywu górniczego w trakcie przeprowadzania prac górniczych, który charakteryzuje się tym, że proces pomiaru cech charakterystycznych pola fal sprężystych w górotworze jest wykonywany nieustannie wzdłuż trzech osi współrzędnych, z użyciem trójskładowych czujników drgań

PL 230 218 Β1 rejestrujących zmiany parametrów pola falowego oraz ilościowe zmiany stanu naprężenia i deformacji według danych z bezpośrednich i odbitych fal o różnej polaryzacji. W trakcie wykonywania prac górniczych trójskładowe czujniki drgań rozmieszcza się z dwóch stron wzdłuż wyrobisk przygotowawczych, gdzie dokonuje się monitoringu stanu naprężenia i deformacji, a jako źródło fal sprężystych wykorzystuje się drgania powstające w trakcie oddziaływania części roboczej kombajnu. Z kolei w procesie pomiaru cech charakterystycznych fal sprężystych w górotworze wykorzystuje się metodę prześwietlania sejsmicznego do lokalizacji naprężeń w caliźnie węglowej na wybiegu eksploatowanej ściany.

Znane są też z opisów patentowych EP1085347 (A2), EP0333363 (A2), RU2011142893 (A), urządzenia do sztucznego wzbudzania fal sejsmicznych w celu prześwietlania sejsmicznego górotworu. W urządzeniach tych energia kinetyczna mechanicznych elementów udarowych wyzwalana jest medium pneumatycznym.

Znana jest między innymi z publikacji K.OSET, Z.ISAKOW, S.TRENCZEK, „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, iskrobezpieczna przenośna aparatura sejsmiczna przeznaczona do prześwietlania sejsmicznego pomiędzy wyrobiskami i pomiędzy otworami, a także do profilowania sejsmicznego podłużnego w wyrobiskach górniczych, do sondowania sejsmicznego oraz do badania górotworu na okoliczność występowania utajonych zbiorników metanu, a także innych gazów. Aparatura przeznaczona jest do okresowo wykonywanych pomiarów sejsmicznych metodą aktywnej tomografii sejsmicznej, które umożliwiają określenie zasięgu stref zagrożonych wstrząsami pokładowymi poprzez prześwietlanie górotworu sztucznie wzbudzaną falą sejsmiczną. Aparatura złożona jest z modułów pomiarowotransmisyjnych MPT połączonych odcinkiem kabla ekranowanego (do analogowej transmisji danych) z sondami geofonowymi zbudowanymi z dwóch geofonów, zorientowanych w układzie prostokątnym w płaszczyźnie poziomej. Moduły te wyposażone są w mikrokontrolery z pamięcią FRAM, precyzyjne wzmacniacze instrumentalne ze zmiennym wzmocnieniem, 24-bitowe przetworniki kompensacyjne z filtrem antyaliasingowym oraz układy transmisji CAN. Każdy moduł zasilany jest z własnej iskrobezpiecznej baterii. Moduł MWP zarządza konfiguracją i transmisją sygnałów z modułów MPT. Jest również zasilany z własnej baterii. Posiada wejście wyzwalające, umożliwiające start pomiarów przy inicjacji za pomocą mikrowybuchu lub mechanicznej, za pomocą udaru młotem. Dodatkowo posiada interfejs Bluetooth do komunikacji z modułem PDA, który zawiera oprogramowanie zapewniające konfigurację sesji pomiarowej tj. czasy pomiarów, częstotliwości, wzmocnienia oraz akwizycję danych pomiarowych. Dane te przesyłane są również za pomocą interfejsu Bluetooth do komputera klasy PC znajdującego się na powierzchni kopalni w celu dalszej ich obróbki. Zasadą pomiaru jest wzbudzenie fali sejsmicznej z jednoczesnym wygenerowaniem sygnału wyzwolenia za pomocą zwarcia lub rozwarcia pętli prądowej. Sygnał ten odebrany przez moduł MWP pozwala na synchronizację wszystkich modułów MPT. Od tego momentu następuje rejestracja fali sejsmicznej. Dane pomiarowe zapisywane są w module PDA. Oprogramowanie narzędziowe w oparciu o zarejestrowane dane, pozwala na wykreślenie sejsmogramów, z których można wyznaczyć czasy wystąpienia fal poszczególnego typu, ich amplitudę, częstotliwość oraz np. wyliczyć prędkość lub przyspieszenie drgań ośrodka. Zabudowanie aparatury i wykonanie pomiarów realizowane jest w ciszy sejsmicznej, co wymaga unieruchomienia ściany na co najmniej jedną zmianę wydobywczą.

Znany jest też z opisu patentowego PL 119054 sposób i urządzenie do lokalizacji uskoków w pokładzie węgla, który stanowi jedną z metod, która umożliwia lokalizację uskoków w pokładzie węgla w trakcie prac przygotowawczych poprzedzających uruchomienie ściany eksploatacyjnej w celu podjęcia decyzji o przystąpieniu lub rezygnacji z jej eksploatacji ze względów ekonomicznych lub względów bezpieczeństwa. Istotą wynalazku w kategorii sposobu jest wykrywanie uskoków z wykorzystaniem odbić fali kanałowej z zastosowaniem do tego celu fal wzbudzanych odpalanymi ładunkami wybuchowymi oraz rejestrację odbitych wzbudzonych fal od uskoku lub chodników przygotowawczych za pomocą detektorów z wyjściem elektrycznym. Z kolei ujawniona istota wynalazku w kategorii urządzenia jest bardzo ogólna i zawiera źródła fal sejsmicznych (inicjowanych materiałami wybuchowymi), zespół detektorów tych fal i procesor sygnałów elektrycznych sprzężony z układem dekompresji sygnałów oraz urządzenie do wytwarzania hologramu pokładu na podstawie sygnałów uzyskanych po dekompresji.

Znane ze stanu techniki dotychczas doraźne pomiary prześwietlania sejsmicznego, w dużych odstępach czasowych, nie umożliwiają bieżącego monitorowania stanu naprężeń i deformacji przed frontem ściany wydobywczej i dokonywania oceny skuteczności prowadzonych odprężających prac pro

PL 230 218 Β1 filaktycznych. Zasadniczą wadą dotychczas stosowanych iskrobezpiecznych przenośnych aparatur sejsmicznych jest konieczność dokonywania pomiarów w ciszy sejsmicznej, co wymaga unieruchomienia ściany wydobywczej na co najmniej jedną zmianę wydobywczą w celu zamontowania czujników, podłączenia elementów systemu pomiarowego i dokonania pomiarów z wykorzystaniem do wzbudzania fali sejsmicznej młota lub małych ładunków wybuchowych, co nie zawsze jest możliwe i wymaga ciągłego monitorowania stężenia metanu.

Jednak z punku widzenia jakości i niezawodności pomiaru zasadniczą wadą indywidualnej prędkościowej aktywnej tomografii sejsmicznej realizowanej przy pomocy znanych przenośnych aparatur sejsmicznych jest pojawienie się „martwych stref gdzie informacja o występujących zmianach naprężeń górotworu jest niekompletna. Pierwsza z nich to martwa strefa SY dla promieni sejsmicznych w rejonie frontu ściany wydobywczej, ponieważ zazwyczaj nie wykonuje się odpalania ładunków wybuchowych z wyrobiska ścianowego. Z kolei wiarygodność stosowanej indywidualnie tomografii pasywnej jest uzależniona od liczby i rozmieszczenia lokalizowanych zjawisk sejsmicznych w ścianie. Natomiast indywidualne stosowanie tomografii osłabieniowo-tłumieniowej realizowanej z użyciem głowicy urabiającej kombajnu jako źródła fali prześwietlającej nie daje informacji o koncentracji naprężeń w głębi calizny węglowej przed frontem ściany poprzez powstanie strefy martwej SX, ponieważ przy rozmieszczeniu czujników w chodnikach przyścianowych obszar tej strefy nie jest prześwietlany przez promienie sejsmiczne.

Celem wynalazku jest sposób i układ realizujący pomiar względnych zmian koncentracji naprężeń występujących w pokładzie węgla przed frontem ściany wydobywczej kopalni głębinowej. Pozwoli to na bieżący pomiar zmian naprężeń w trakcie eksploatacji ściany wydobywczej przy jednoczesnym zwiększeniu zakresu identyfikacji stanu koncentracji naprężeń oraz dokładności pomiaru względnych zmian naprężeń dla umożliwienia podjęcia szybkiej i skuteczniejszej profilaktyki tąpaniowej.

W sposobie pomiaru względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej za pomocą serwera rejestrująco-sterującego rejestruje się sygnały pomiarowe drgań z zainstalowanych w chodnikach przyścianowych trójskładowych geofonowych sond pomiarowych zorientowanych przestrzennie synchronicznie we wszystkich kanałach pomiarowych i w synchronizowanym inten/vale czasowym oraz w ścisłej korelacji z sygnałami informującymi o trybie pracy i o położeniu kombajnu ścianowego w wyrobisku ścianowym i na tej podstawie przy współpracy z serwerem przetwarzającym lokalizuje się zjawiska sejsmiczne oraz po zakończeniu każdego skrawu przez kombajn ścianowy dokonuje się analizy względnych zmian naprężeń w caliźnie węglowej przed frontem ściany wydobywczej metodą tomografii osłabieniowo-tłumieniowej z wykorzystaniem zarejestrowanych energii fali wzbudzanej organem urabiającym kombajnu ścianowego. Z kolei po zakończeniu skrawu podczas postoju kombajnu ścianowego, dokonuje się aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej poprzez prześwietlanie górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi przy pomocy fal sejsmicznych (wywołanych zadziałaniem zdalnie wyzwalanych z powierzchni kopalni poprzez serwer przetwarzający impulsowych wzbudników drgań. Po czym dokonuje się analizy naprężeń metodą tomografii pasywnej prędkościowej i/lub tłumieniowej z wykorzystaniem jako źródła prześwietlającej fali sejsmicznej wstrząsów indukowanych eksploatacją górniczą, a następnie okresowo korzystnie kilka razy na zmianę wydobywczą sporządza się uśrednioną skumulowaną mapę tomograficzną koncentracji względnych zmian naprężeń i korzystnie sporządza mapy z poszczególnych tomografii. Przy czym analizę względnych zmian naprężeń metodą tomografii aktywnej poprzez prześwietlenie górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi przy pomocy sztucznie wzbudzanej pomiarowej fali sejsmicznej wywołanej zadziałaniem impulsowych wzbudników drgań, wykonuje się automatycznie w stanie gdy kombajn ścianowy zakończył skraw i jego głowica urabiająca zakończyła urabianie. Z kolei gdy kombajn ścianowy wznawia urabianie w trakcie wykonywania tomografii przerywa się prześwietlanie i analizę do czasu rozpoznania zakończenia kolejnego skrawu i zatrzymania się kombajnu ścianowego oraz wyłączenia jego głowicy urabiającej.

Natomiast próbkowanie sygnałów z trójskładowych geofonowych sond pomiarowych oraz ich przetwarzanie z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy wykonuje się synchronicznie z taktem wzorcowym zegara z zadaną częstotliwością próbkowania sygnałów, przy czym czas wewnętrzny lokalnego koncentratora danych pomiarowych synchronizuje się najkorzystniej za pomocą protokołu IEEE 1588 PTP z modułu globalnego pozycjonowania satelitarnego za pośrednictwem serwera rejestrująco-sterującego. Wypadkową uśrednioną skumulowaną mapę tomograficzną koncentracji względnych zmian naprężeń i/lub mapy z poszczególnych tomografii wizualizuje się na panelu wizualizacji tomografii skumulowanej i dodatkowo na panelu wizualizacji aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej, na panelu wizualizacji aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej oraz na panelu wizualizacji pasywnej

PL 230 218 Β1 tomografii prędkościowej lub tłumieniowej. Przy czym impulsowe wzbudniki drgań wyzwala się zdalnie przez doprowadzenie do części nadtłokowej elementu udarowego sprężonego medium z modułu zasilającego poprzez otwarcie rozdzielacza elektropneumatycznego sygnałem sterującym z usytuowanego na powierzchni kopalni serwera przetwarzającego przekazywanym za pośrednictwem serwera rejestrująco-sterującego oraz modułu nadajnika i odbiornika cyfrowego, a moduły inicjacji i pomiaru drgań rozmieszcza się w zależności od potrzeb w ociosach lub w spągu albo w stropie chodników przyścianowych i mocuje do wcześniej zamontowanych kotew oraz przemieszcza się cyklicznie w miarę postępu ściany wydobywczej.

Układ do pomiaru względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej ma, co najmniej sześć uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań usytuowanych w jednym z chodników przyścianowych i co najmniej sześć modułów do pomiaru drgań usytuowanych w przeciwległym chodniku przyścianowym lub co najmniej sześć uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań usytuowanych w każdym z chodników przyścianowych, które połączone są iskrobezpiecznymi liniami transmisji cyfrowej z lokalnym koncentratorem danych pomiarowych, który z kolei połączony jest z iskrobezpiecznym zasilaczem buforowym oraz poprzez światłowodową sieć ETHERNET z serwerem rejestrująco-sterującym połączonym z kopalnianym system dyspozytorskim, z modułem globalnego pozycjonowania satelitarnego, za pośrednictwem modułu wyznacznika czasu wewnętrznego oraz z serwerem przetwarzającym. Przy czym serwer przetwarzający, połączony jest z panelem tomografii skumulowanej i korzystnie z panelem wizualizacji aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej, panelem wizualizacji aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej oraz z panelem wizualizacji tomografii pasywnej prędkościowej lub tłumieniowej.

Poprzez kompleksowe wykorzystanie w wynalazku jednocześnie trzech metod tomografii sejsmicznej, z których jedna to aktywna tomografia prędkościowa lub tłumieniowa polegająca na prześwietleniu sejsmicznym calizny węglowej pomiędzy chodnikami przy pomocy sztucznie wzbudzanej fali sejsmicznej FS w podziemnej części kopalni E impulsem sterowanym z powierzchni kopalni D przy pomocy impulsowych wzbudników drgań 18. Druga równocześnie stosowana metoda to aktywna tomografia osłabieniowo-tłumieniowa wykorzystująca prześwietlanie sejsmiczne rejonu ściany wydobywczej falą sejsmiczną FK wzbudzaną głowicą urabiającą kombajnu ścianowego 15 z jednoczesną korelacją tych pomiarów z sygnałami informującymi o trybie pracy i o położeniu kombajnu ścianowego 15 w wyrobisku ścianowym B. Natomiast trzecia metoda pasywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej wykorzystuje jako źródło falę sejsmiczną FP wzbudzaną przez wstrząsy indukowane eksploatacją górniczą.

Dzięki zastosowaniu wyżej wymienionego nowego kompleksowego sposobu wyznaczania względnych zmian prędkości i tłumienia fal sejsmicznych i pośrednio jako w przybliżeniu wprost proporcjonalnych do prędkości i odwrotnie proporcjonalnych do tłumienia względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej sporządzane są uśrednione skumulowane mapy tomograficzne względnych zmian naprężeń i to wielokrotnie w czasie każdej zmiany wydobywczej bez konieczności zatrzymywania eksploatacji ściany wydobywczej i przy wyeliminowaniu ograniczeń wynikających z każdej z tych metod stosowanych oddzielnie. Wynalazek umożliwia bieżącą obserwację zmian prędkości fali sejsmicznej obrazującej miejsca koncentracji wzrostu naprężeń poprzez rejestrację wzrostu prędkości fali sejsmicznej lub destrukcji górotworu w strefach o zmniejszonej prędkości fali sejsmicznej oraz eliminuje występującą w metodzie prześwietlania rejonu ściany falą wzbudzaną głowicą urabiającą kombajnu ścianowego 15 strefę martwą SX w postaci trójkąta przez bieżące prześwietlanie sejsmiczne wykonywane pomiędzy chodnikami przyścianowymi A przy pomocy sterowanych z powierzchni impulsowych wzbudników drgań 18.

Ponadto zastosowanie nowych uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań 1 rozmieszczanych w ociosach chodników przyścianowych A i mocowanych do wcześniej zamontowanych kotew 20 oraz ich przemieszczanie w miarę postępu ściany wydobywczej, umożliwia w sposób swobodny odpowiednie programowanie sposobu wykonywania pomiarów i zdalne sterowanie pomiarami metodą aktywnej tomografii sejsmicznej, wykorzystującej prześwietlanie górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi A przy pomocy sztucznie wzbudzanych fal sejsmicznych FS. Sposób i układ według wynalazku realizuje bieżące pomiary w trakcie normalnej pracy kompleksu ścianowego i pozwala na ciągle monitorowanie zmian koncentracji naprężeń, co ma zasadnicze znaczenie dla bezpieczeństwa załóg górniczych, ponieważ umożliwia szybką ewakuację załogi w przypadku wystąpienia zagrożenia tąpaniami oraz umożliwia stosowanie wyprzedzającego profilaktycznego zwalczania zagrożenia tąpaniami.

PL 230 218 Β1

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku gdzie Fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu pomiarowego z uniwersalnymi modułami inicjacji i pomiaru w obydwu chodnikach przyścianowych, Fig. 2 przedstawia schemat blokowy uniwersalnego modułu inicjacji i pomiaru drgań, Fig. 3 przedstawia schemat blokowy układu pomiarowego z uniwersalnymi modułami inicjacji i pomiaru usytuowanymi w jednym z chodników przyścianowych, Fig. 4 przedstawia schemat blokowy modułu do pomiaru drgań.

Przykład I

Sposób według wynalazku polega na bieżącym wykonywaniu pomiarów i analiz poprzez zastosowanie nowego skumulowanego prześwietlania sejsmicznego z zastosowaniem aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej i aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej z wykorzystaniem do tego celu mechanicznych sterowanych z powierzchni kopalni impulsowych wzbudników drgań 18 inicjujących sztucznie wzbudzaną falę sejsmiczną FS oraz tomografii osłabieniowo-tłumieniowej polegającej na analizie fal sejsmicznych FK wzbudzanych przez organ urabiający kombajnu 15, którego położenie w ścianie wydobywczej rejestruje się porzez układ kontroli położenia i pracy kombajnu ścianowego 17. Ponadto wykonuje się rozpoznanie zmian naprężeń metodą tomografii pasywnej z wykorzystaniem zlokalizowanych przez serwer przetwarzający 10 w rejonie kontrolowanej ściany wydobywczej wstrząsów W1, W2...Wi jako źródła fali prześwietlającej. Przy czym, efektywne wykorzystanie tej metody uzależnione jest od aktywności sejsmicznej i rozkładu wstrząsów w rejonie monitorowanej ściany wydobywczej.

Uniwersalne moduły inicjacji i pomiaru drgań 1 rozmieszcza się w ociosach obydwu chodników przyścianowych A lub w zależności od aktualnych potrzeb jedynie w jednym z chodników przyścianowych A, natomiast w przeciwległym chodniku przyścianowym A rozmieszcza się moduły do pomiaru drgań 28. Moduły inicjacji i pomiaru drgań 1 oraz moduły do pomiaru drgań 28 przemieszcza się w miarę postępu ściany wydobywczej. Analizę względnych zmian naprężeń metodą tomografii aktywnej poprzez prześwietlenie górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi A przy pomocy pomiarowej fali sejsmicznej wywołanej zadziałaniem impulsowych wzbudników drgań 18 wykonuje się, automatycznie w stanie, gdy kombajn ścianowy 15 zakończył skraw, a organ urabiający zakończył urabianie. Z kolei gdy, kombajn ścianowy 15 wznowi urabianie w trakcie wykonywania aktywnej tomografii z wykorzystaniem impulsowych wzbudników drgań 18 jest ona przerywana do czasu rozpoznania kolejnego zatrzymania kombajnu ścianowego 15. Promienie fali sejsmicznej FK generowane głowicą urabiającą kombajnu ścianowego 15 wielokrotnie prześwietlają caliznę węglową C przed frontem ściany wydobywczej i umożliwiają wykonanie tomografii osłabieniowo-tłumieniowej tego obszaru. Występująca w tej metodzie strefa martwa SX w postaci trójkąta, w której promienie sejsmiczne nie mogą prześwietlić pokładu lub stropu oddalonego od frontu ściany, analizowana jest uzupełniająco poprzez wykonywanie pomiarów aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej, w której analizowane są fale sejsmiczne FS generowane z chodników przyścianowych A wyzwalane sterowanymi z powierzchni kopalni impulsowymi wzbudnikami drgań 18. Z kolei występująca strefa martwa SY przy zastosowaniu aktywnej impulsowej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej inicjowanej sztuczną falą sejsmiczną FS uzupełniania się wykonaniem tomografii osłabieniowo-tłumieniowej promieniami fali sejsmicznej FK generowanej głowicą urabiającą kombajnu ścianowego 15. Próbkowanie sygnałów z trójskładowych geofonowych sond pomiarowych 19 oraz ich przetwarzanie z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy przez moduł 21 odbywa się synchronicznie z taktem wzorcowym zegara z częstotliwością próbkowania sygnałów korzystnie 10 kHz. Czas wewnętrzny lokalnego koncentratora danych pomiarowych 3 synchronizuje się za pomocą protokołu IEEE 1588 PTP z modułu globalnego pozycjonowania satelitarnego 8 za pośrednictwem serwera rejestrująco-sterującego 6. Zarejestrowane dane cyfrowe w serwerze rejestrująco-sterującym 6 przesłane z trójskładowych geofonowych sond pomiarowych 19 oraz ciągły zapis i wyselekcjonowane zapisy wstrząsów uzupełniane są o informacje o położeniu kombajnu przesyłane przez układ położenia i pracy kombajnu ścianowego 17 wchodzący w skład kopalnianego systemu dyspozytorskiego 7. Serwer rejestrująco-sterujący 6 przekazuje dane do serwera przetwarzającego 10, który analizuje zarejestrowane dane, wylicza i wizualizuje: mapy tomografii aktywnej osłabieniowo-tłumieniowej na panelu wizualizacji aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej 11, mapy tomografii aktywnej prędkościowej lub tłumieniowej na panelu wizualizacji aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej 12, mapy tomografii pasywnej na panelu wizualizacji tomografii pasywnej prędkościowej lub tłumieniowej 13 oraz mapy tomografii skumulowanej na panelu wizualizacji tomografii skumulowanej 14. Każdy uniwersalny moduł inicjacji i pomiaru drgań 1 przedstawiony (Fig. 2) przytwierdzony jest do kotwi 20 osadzonej sztywno w górotworze - ocios strop lub spąg. Moduł inicjacji i pomiaru drgań 1 zawiera impulsowy wzbudnik drgań 18 zintegrowany z trójskładową geofonową sondą pomiarową 19, której

PL 230 218 Β1 analogowe sygnały wyjściowe przesyłane są do wejścia modułu nadajnika i odbiornika cyfrowego 21, z którego w postaci cyfrowej za pośrednictwem iskrobezpiecznej zasilającej linii transmisji cyfrowej 2 transmitowane są do lokalnego koncentratora danych pomiarowych 3 i dalej poprzez światłowodową sieć ETHERNET 5 do serwera sterująco-rejestrującego 6. Moduł nadajnika i odbiornika cyfrowego 21 odbiera i przekazuje sygnał sterujący 27, do elementu wykonawczego rozdzielacza elektropneumatycznego 22, który wysyłany jest przez serwer przetwarzający 10 systemu w celu spowodowania okresowo jednorazowego zadziałania kolejno w czasie impulsowych wzbudników drgań 18 inicjujących sztucznie wzbudzane fale sejsmiczne FS. Zadziałanie impulsowych wzbudników drgań 18 uruchamia się poprzez dostarczenie do części nadtłokowej elementu udarowego 23 impulsowego wzbudnika drgań 18 impulsowej porcji medium 25 pod ciśnieniem z modułu zasilającego 26, które powoduje uderzenie elementu udarowego 23 o kotew 20. Chwila pobudzenia sztucznie wzbudzanej fali sejsmicznej FS impulsowym wzbudnikiem drgań 18, identyfikowana jest przez trójskładową geofonową sondę pomiarową 19. Moduł zasilający 26 w medium pneumatyczne z butli ze sprężonym azotem wymieniane jest okresowo po spadku ciśnienia w instalacji poniżej dopuszczalnej wartości. Z kolei nieprawidłowe zadziałanie impulsowego wzbudnika drgań 18 identyfikowane jest przez trójskładową geofonową sondę pomiarową 19 rejestrującą drgania w chwili wzbudzenia drgań.

Przykład II

Układ według wynalazku (Fig. 1) składa się z szesnastu uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań 1 usytuowanych symetrycznie co 15 metrów w chodnikach przyścianowych A o długości powyżej 120 m. Uniwersalne moduły inicjacji i pomiaru drgań 1 połączone są iskrobezpiecznymi liniami transmisji cyfrowej 2 z lokalnym koncentratorem danych pomiarowych 3, który połączony jest z iskrobezpiecznym zasilaczem buforowym 4 oraz poprzez światłowodową sieć ETHERNET 5 z serwerem rejestrująco-sterującym 6 usytuowanym na powierzchni kopalni D. Z kolei serwer rejestrującosterujący 6 połączony jest z kopalnianym system dyspozytorskim 7, z modułem globalnego pozycjonowania satelitarnego 8, poprzez moduł wyznacznika czasu wewnętrznego 9 oraz z serwerem przetwarzającym 10, do którego podłączone są panel wizualizacji aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej 11, panel wizualizacji aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej 12, panel wizualizacji tomografii pasywnej prędkościowej lub tłumieniowej 13 oraz panel wizualizacji tomografii skumulowanej 14. Przy czym, kopalniany system dyspozytorski 7 połączony jest z kombajnem 15, który wyposażony jest między innymi w czujnik położenia kombajnu ścianowego 16 przekazujący dane o pozycji kombajnu do układu kontroli położenia i pracy kombajnu 17 stanowiącego jeden z podzespołów kopalnianego systemu dyspozytorskiego 7. Każdy z uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań 1 (Fig. 2) wyposażony jest w impulsowy wzbudnik drgań 18 oraz w trójskładową geofonową sondę pomiarową 19 i przytwierdzony jest mechanicznie do kotwi 20 osadzonych w zależności od potrzeb w ociosach lub w spągu albo w stropie chodników przyścianowych A. Trójskładową geofonowa sonda pomiarowa 19 połączona jest z modułem nadajnika i odbiornika cyfrowego 21, którego wejście i wyjście transmisji cyfrowej połączone jest iskrobezpieczną zasilającą linią transm isji cyfrowej 2 z odbiornikiem cyfrowym kanału lokalnego koncentratora danych pomiarowych 3 zasilanego z lokalnego iskrobezpiecznego zasilacza buforowanego 4. Z kolei impulsowy wzbudnik drgań 18 wyposażony jest w rozdzielacz elektropneumatyczny 22, którego zespół sterujący połączony jest z modułem nadajnika i odbiornika cyfrowego 21. Do części nadtłokowej elementu udarowego 23 impulsowego wzbudnika drgań 18 wyposażonego w podtłokową sprężynę naciskową 24 doprowadzony jest z wylotu rozdzielacza elektropneumatycznego 22 sprężony azot. Z kolei do wlotu rozdzielacza elektropneumatycznego 22, podłączone jest przewodem doprowadzającym pneumatyczne medium 25 z modułu zasilającego 26 w postaci sprężonego azotu zmagazynowanego w przenośnej ciśnieniowej butli z reduktorem.

Przykład III

Układ według wynalazku (Fig. 3) składa się z ośmiu uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań 1 usytuowanych w jednym z chodników przyścianowych A i ośmiu modułów do pomiaru drgań 28 usytuowanych w przeciwległym chodniku przyścianowym A. Uniwersalne moduły inicjacji i pomiaru drgań 1 oraz moduły do pomiaru drgań 28 połączone są w takiej samej konfiguracji układowej opisanej w drugim przykładzie realizacji. Z kolei moduł do pomiaru drgań 28 (Fig. 4) składa się z trójskładowej sondy pomiarowej 19 przytwierdzonej mechanicznie do kotwi 20 osadzonej w zależności od potrzeb w ociosie, spągu lub stropie wyrobiska przyścianowego A, przy czym trójskładową geofonową sonda pomiarowa 19 połączona jest z modułem nadajnika i odbiornika cyfrowego 21.

Claims (7)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej polegający na określaniu względnych zmian koncentracji naprężeń w górotworze metodami pasywnej i/lub aktywnej tomografii sejsmicznej z wykorzystaniem pomiarów drgań z zainstalowanych w chodnikach przyścianowych trójskładowych geofonowych sond pomiarowych, znamienny tym, że za pomocą serwera rejestrująco-sterującego (6) rejestruje się sygnały pomiarowe drgań z zainstalowanych w chodnikach przyścianowych (A) trójskładowych geofonowych sond pomiarowych (19) zorientowanych przestrzennie synchronicznie we wszystkich kanałach pomiarowych i w synchronizowanym interwale czasowym oraz w ścisłej korelacji z sygnałami informującymi o trybie pracy i o położeniu kombajnu ścianowego (15) w wyrobisku ścianowym (B) i na tej podstawie przy współpracy z serwerem przetwarzającym (10) lokalizuje się zjawiska sejsmiczne oraz po zakończeniu każdego skrawu przez kombajn ścianowy (15) dokonuje się analizy względnych zmian naprężeń w caliźnie węglowej (C) przed frontem ściany wydobywczej metodą tomografii osłabieniowo-tłumieniowej z wykorzystaniem zarejestrowanych energii fali (FK) wzbudzanej organem urabiającym kombajnu ścianowego (15), a po zakończeniu skrawu podczas postoju kombajnu ścianowego (15) dokonuje się aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej poprzez prześwietlanie górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi (A) przy pomocy fal sejsmicznych (FS) wywołanych zadziałaniem zdalnie wyzwalanych z powierzchni kopalni poprzez serwer przetwarzający (10) impulsowych wzbudników drgań (18), po czym dokonuje się analizy naprężeń metodą tomografii pasywnej prędkościowej i/lub tłumieniowej z wykorzystaniem jako źródła prześwietlającej fali sejsmicznej (FP) wstrząsów indukowanych eksploatacją górniczą, a następnie okresowo korzystnie kilka razy na zmianę wydobywczą sporządza się uśrednioną skumulowaną mapę tomograficzną koncentracji względnych zmian naprężeń i korzystnie sporządza mapy z poszczególnych tomografii.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że analizę względnych zmian naprężeń metodą tomografii aktywnej poprzez prześwietlenie górotworu pomiędzy chodnikami przyścianowymi (A) przy pomocy sztucznie wzbudzanej pomiarowej fali sejsmicznej (FS) wywołanej zadziałaniem impulsowych wzbudników drgań (18), wykonuje się automatycznie wstanie gdy kombajn ścianowy (15) zakończył skraw i jego głowica urabiająca zakończyła urabianie, z kolei gdy kombajn ścianowy (15) wznawia urabianie w trakcie wykonywania tomografii przerywa się prześwietlanie i analizę do czasu rozpoznania zakończenia kolejnego skrawu i zatrzymania się kombajnu ścianowego (15) oraz wyłączenia jego głowicy urabiającej.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że próbkowanie sygnałów z trójskładowych geofonowych sond pomiarowych (19) oraz ich przetwarzanie z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy wykonuje się synchronicznie w modułach (21) z taktem wzorcowym zegara z zadaną częstotliwością próbkowania sygnałów, przy czym czas wewnętrzny lokalnego koncentratora danych pomiarowych (3) synchronizuje się za pośrednictwem serwera rejestrująco-sterującego (6), najkorzystniej za pomocą protokołu IEEE 1588 PTP z modułu wyznacznika czasu wewnętrznego (9) i współpracującego z nim modułu globalnego pozycjonowania satelitarnego (8).

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że wypadkową uśrednioną skumulowaną mapę tomograficzną koncentracji względnych zmian naprężeń i/lub mapy z poszczególnych tomografii wizualizuje się na panelu wizualizacji tomografii skumulowanej (14) i dodatkowo na panelu wizualizacji aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej (11), na panelu wizualizacji aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej (12) oraz na panelu wizualizacji pasywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej (13).

5. Sposób według dowolnego spośród zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że impulsowe wzbudniki drgań (18) wyzwala się zdalnie przez doprowadzenie do części nadtłokowej elementu udarowego (23) sprężonego medium z modułu zasilającego (26) poprzez otwarcie rozdzielacza elektropneumatycznego (22) sygnałem sterującym (27) z usytuowanego na powierzchni kopalni serwera przetwarzającego (10) przekazywanym za pośrednictwem serwera rejestrująco-sterującego (6), lokalnego koncentratora danych pomiarowych (3) oraz modułu nadajnika i odbiornika cyfrowego (21).

6. Sposób według dowolnego spośród zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że uniwersale moduły inicjacji i pomiaru drgań (1) rozmieszcza się w zależności od potrzeb w ociosach lub w spągu

PL 230 218 Β1 albo w stropie chodników przyścianowych (A) i mocuje do wcześniej zamontowanych kotew (20) oraz przemieszcza się cyklicznie w miarę postępu ściany wydobywczej.

7. Układ do pomiaru względnych zmian koncentracji naprężeń przed frontem ściany wydobywczej zawierający trójskładowe sondy pomiarowe, serwer rejestrująco-sterujący, czujnik położenia kombajnu ścianowego, serwer przetwarzania lokalizujący zjawiska sejsmiczne, znamienny tym, że ma co najmniej sześć uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań (1) usytuowanych w jednym z chodników przyścianowych (A) i co najmniej sześć modułów do pomiaru drgań (28) usytuowanych w przeciwległym chodniku przyścianowym (A) lub co najmniej sześć uniwersalnych modułów inicjacji i pomiaru drgań (1) usytuowanych w każdym z chodników przyścianowych (A), które połączone są iskrobezpiecznymi liniami transmisji cyfrowej (2) z lokalnym koncentratorem danych pomiarowych (3), który z kolei połączony jest z iskrobezpiecznym zasilaczem buforowym (4) oraz poprzez światłowodową sieć ETHERNET (5) z serwerem rejestrująco-sterującym (6) połączonym z kopalnianym system dyspozytorskim (7), z modułem globalnego pozycjonowania satelitarnego (8), poprzez moduł wyznacznika czasu wewnętrznego (9) oraz z serwerem przetwarzającym (10), do którego połączony jest panel tomografii skumulowanej (14), i korzystnie panel wizualizacji aktywnej tomografii osłabieniowo-tłumieniowej (11), panel wizualizacji aktywnej tomografii prędkościowej lub tłumieniowej (12) oraz panel wizualizacji tomografii pasywnej prędkościowej lub tłumieniowej (13).