RU1789019C - Способ определени местонахождени шахтеров, попавших в завал - Google Patents

Abstract

Использование: определение местонахождени  шахтеров, попавших в завал. Сущность: создание сейсмоакустических сигналов в месте аварии, их прием с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измерении отдельно дл  каждого треугольника задержки времени ti, t2, t3 Изобретение относитс  к горной промышленности , в частности предназначено дл  определени  местонахождени  шахтеров , попавших в заеа,; (обрушение, затопление выработок). Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту  вл етс  способ, замючающийс  в том, что шахтеры создают туковые (акустические) сигналы (импульсы, путем ударов твердым предметом по возцухо- или зодопровод прихода сейсмоакустических сигналов к сей- смоприемникам, по этим задержкам дл  каждого треугольника определ ют пеленги р и pi на местонахождение источника сигнала по формулам р 30п(1 ° )+ Юа , п - нечетное, р - (1 - Д-Юе1, п- четное, где а - наименьша  задержка времени , (меньша  задержка времени), п-пор дковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находитс  пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов, определ ют координаты источника сейсмоакустических импульсов в пр моугольной системе координат, ось абсцисс совмещают с линией, соедин ющей центры треугольников, определ ют угол между пеленгами и осью абсцисс по формулам: а $01-30°, ац 210°-(pi , определ ют рассто ние от начала координат до местоположени  источника сейсмоакустических сигналов по формуле S L sin 02 /sin a , где L - рассто ние между центрами треугольников , и определ ют координаты по формулам xi S sin(90° - а. ), yi S cos(90° - а ), z S tg / , где/ , arccos ti V/I - sin(60° + p ).2 г. п. ф-лы, 6 ил. щим трубам, передают импульсы из места завала, а горноспасатели слушают (принимают ) звуковые сигналы от трубопровода и определ ют местонахождение шахтеров. Недостатками прототипа  вл ютс  низка  точность определени  местонахождени  шахтера (источник звука), так как система труб представл ет собой сложные лабиринт, в св зи с этим даже направление или источник звука определить тельно, трубы могут иметь разрывы от удаел С XI 00 о о ю со

Description

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

Цель изобретени  - повышение точности и надежности определени  местонахождени  шахтеров, попавших в завал.

Указанна  цель достигаетс  тем, что сиг- налы принимают с помощью двух групп сей- смоприемников, расположенных в вершинах равностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измер ют отдельно дл  каждого треугольника задержки времени ti, 12, ta при- хода сейсмоакустических сигналов к сейс- моприемникам, по этим задержкам дл  каждого треугольника определ ют пеленги р- и р на местонахождени  источника сигнала по формулам

р 30п(1 10s, п -нечетное,

(р .- (1 - ) -100, п - четное,

наименьша  задержка времени гдеменьша  задержка времени

п - пор дковый номер тридцатиградус- ного сектора, в котором находитс  пеленг (р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов; и определ ют координаты источника сейсмоакустических импульсов в пр моугольной системе координат, дл  чего центр одного треугольника принимают за начало пр моугольной системы координат, ось абсцисс совмещают с линией, соедин ющей центры треугольников, определ ют углы между пе- лентами и осью абсцисс по формулам

а 1 ум -30°,

а 2 210°- р 2,

определ ют рассто ние от начала координат до местоположени  источника сейсмоа- кустических сигналов по формуле L sin 0.2

ои

где L - рассто ние между центрами треугольников , и определ ют координаты по формулам

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

2i S tg p ,

где /3 arccos

I sin (60° +95) Кроме того, длина сторон равностороннего треугольника определ етс  из условий скорости распространени  упругих волн в горном массиве, рассто ние от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического сигнала - с учетом коэффициента затухани  акустиче5

10 15 0

5 0 5

0

5

0

5

ского сигнала в данном массиве и характеристик примен емых сейсмоприемников.

Основой данного изобретени   вл етс  нова  теорема, заключающа с  в том, что если некотора  пр ма , совпадающа  первоначально с одной из биссектрис равностороннего треугольника ABC, вращаетс  в плоскости треугольника против часовой стрелки вокруг его центра 0, то проекции сторон треугольника на эту пр мую измен ютс  по закону синуса.

На фиг. 1 представлен чертеж, по сн ющий суть этой теоремы. ABC - равносторонний треугольник со стороной I, AD - биссектриса угла A, UV - пр ма , первоначально совпадающа  с биссектрисой AD, р - угол между AD и UV, Si, 82, 5з - проекции сторон треугольника ABC на пр мую UV, которые равны

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

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

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

t - врем  прохождени  пути,

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

В соответствии с данными определени ми можно записать:

ti T3-Ti T.sin(60°+ p )

t2 Гз - Т2 Т- Sin p

t3 Т2 - Т1 Т Sin(60° - р )

Если учесть, что сейсмосигнал к равностороннему треугольнику может приходить в плоскости с любого направлени , то по аналогии с вращающейс  пр мой формулы дл  задержек времени будут

ti (60° + p ), t2 y sin p , t3

-sin(60°- p ).

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

ti

-60° + arcsin , (р arcsin

Т

t2

Т

р 60°-arcsin Y ,

где Т I/V - врем , в течение которого сейсмоакустический сигнал пройдет путь, равный длине стороны равностороннего треугольника, котора  определ етс  по экспериментальной формуле

1/100 V/f,

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

f- частота следовани  электрических импульсов , служащих дл  измерени  задержек времени. Частота электрических импульсов f определ етс , исход  из точности, которую требуетс  получить при вычислении пелен- говых значений шахтера, создающего источник САИ в завале.

Если, например, требуетс  определить азимут шахтера с точностью не хуже 0,5°, то сначала обращаемс  к математической таблице вычисленных синусов и вблизи нулевой точки определ ем

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

а затем по экспериментальной формуле вычисл ем частоту f в кГц

2 2

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

# 300° - arcsin(t2 - ts)/T при t2 ts

36b°-arcsint2/Ti

p 300° + arcsin(t3 -t2)/T l при хз t2

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Если | p- p 0,5°,

то (p ( p + ф}11

В противном случае принимают центр равностороннего треугольника за цент окружности , разбивают эту окружность, начина  от биссектрисы начала отсчета, на 12 секторов по 30° каждый и определ ют, в каком секторе находитс  пр ма  направлени  (пеленг) на источник САИ. Если сектор п представлен нечетным числом, то пеленг определ етс  по экспериментальной формуле:

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

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

В предложенном способе измер ютс  две задержки времени независимо от направлени  прихода САИ. Так в соответствии с фиг. 2 при направлении N измер ютс  задержки TI и t2, a ts не измер етс , но из фиг. 2 следует, что ts ti - t2, т. е. может быть вычислена, если измерены две другие задержки времени, В предложенном алгоритме I разность ti -12 дл  данного направлени  N используетс , но уже не как измеренна  величина задержки, а как вычисленна  задержка времени. Таким образом, в алгоритме I дл  каждого случа  в диапазоне 0° - 360° одна из задержек времени вычисл етс .

После определени  уточнени  азимутов f 1 и р2 дл  каждого треугольника образуют треугольник OiA02 из пр мой СчОа и двух азимутальных пр мых на САИ, пересекающихс  в точке А, вычисл ют углы между этими пр мыми и пр мой Oi02 по формулам

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

OiA

sin a

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

Xi OiA- sin(90°- ai),

YI OiA cos(90 - «1).

После этого определ ют задержку Ti дл  уточненного пеленга по формуле

Ti T/sin (f,

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

(3 arccosti/Ti

: затем определ ют аппликату шахтера по Формуле

Zi-OiA-tg/S .

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

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

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

Способ реализуетс  следующими операци ми . Измер ют скорость распространени  САИ в горном массиве, задают частоту тактовых электрических импульсов, с помощью которых измер ют задержки времени, определ ют длину стороны I равностороннего треугольника по формуле 1/100 V/f, размечают на плоскости горного массива на рассто нии не более 300 м от предполагаемого местонахождени  шахтера два разнесённых в пространстве равносторонних треугольника, измер ют рассто ние между центрами треугольников, ориентируют треугольники в одной плоскости , устанавливают сейсмопреобразователи в вершинах треугольников, принимают САИ, создаваемые шахтером, измер ют обособленно в вершинах каждого треугольника задержки времени с помощью тактовых электрических импульсов, ввод т задержки в пам ть вычислител , принимают за начало отсчета пеленга шахтера одноименные биссектрисы треугольников и ведут его против часовой стрелки, задержки времени прихода сигнала в вершины каждого треугольника в зависимости от направлени  (пеленга) описывают формулами

и

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

Пеленг р дл  каждого треугольника ( р 1

-дл первогои (р 2-дл второго)определ ют по алгоритму , если условие I р - р 0,5° выполн етс , то р 1 и (р г определены верно и с точностью до 0,5°, а если не выполн ютс , то анализируют задержки с помощью алгоритма II и определ ют номер п тридцатиградусного сектора, в котором размещен пеленг (р дл  каждого треугольника ( р

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

П 2 при t1 t2, t2 t3

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

П 6 при t3 ti, t1 t2

П 7 ПрИТ1 t3,

n 8 при ti t3, t2 t3

n 9 при t2 ts, ti t3

n 10 при t2 2: t3, t3 ti

П 11 ПРИТ.З t2,

n 12 при t2 ts, ti t2 Уточн ют пеленг дл  каждого треугольника по экспериментальным формулам

р /n-2k-i 30() +10а/ tp /n-2k

(1 -e us)-10a,

наименьша  задержка времени

меньша  задержка времени стро т треугольник на основании L 7-8 и двух пеленгах на источник, пересекающихс  в точке 4, вычисл ют углы а- р 1 - 30°, о:2 2100- р2 принимают оси пр моугольной системы координат с центром 7, совмеща  ось абсцисс X с основанием треугольника L вычисл ют сторону треугольника

L sin аг

sin «1

определ ют максимальную задержку дл  пеленга р 1, первого треугольника по одной из формул

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

/ arccosti/Ti,

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

Xi S sin(90°- см),

Yi S cos(90° - «1),

Zi S i tg /3

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

15

20

25

30 где а

35

40

45

50

55

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

Способ может быть осуществлен следующим образом.

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

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

XL Yi nZi.

Вычислительным блоком 18 может служить , например, микроЭВМ Электроника МС-1103, предназначенна  дл  широкого применени  в системах контрол .

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

Преимущество предложенного способа

заключаетс  в том, что он позвол ет определ ть пространственные координаты шахтеров , попавших в завал, и других аварий в шахтах.

Claims (2)

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

дл  каждого треугольника определ ют пеленги р и f 2 на местонахождение источника сигнала по формулам

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

наименьша  задержка времени д меньша  задержка времени п - пор дковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находитс  пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов,

и определ ют координаты источника сейсмоакустических импульсов в пр моугольной системе координат, дл  чего центр одного треугольника принимают за начало пр моугольной системы координат, ось абсцисс совмещают с линией, соедин ющей центры треугольников, определ ют угол между пеленгами и осью абсцисс по формуле «1 р 1-30°,

«2 210°- р 2,

определ ют рассто ние от начала координат до местоположени  источника сейсмоа- кустических сигналов по формуле

S L- sin a2/sina 1,

где L - рассто ние между центрами треугольников , и определ ют координаты по формулам

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

ti -V

0

где в arccos-

rI -sin (60° )

2. Способ поп. 1, отличающийс  тем, что длина стороны I равностороннего треугольника определ етс  из условий скорости V распространени  упругих волн в горном массиве, а рассто ние S от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического сигнала - с учетом коэффициента затухани  акустического сигнала в данном массиве и характеристик примен емых сейсмоприем- ников.

Г

л