Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков

Гуменный, Антон Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков"

На правах рукописи Гуменный Антон Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ СПЛОШНЫХ ФОТОУПРУГИХ ДАТЧИКОВ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Кемерово 2013

005538687

Работа выполнена на кафедре физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Научный руководитель: Дырдин Валерий Васильевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Шаламанов Виктор Александрович,

доктор технических наук, профессор, КузГТУ, профессор кафедры

автомобильных дорог

Лазаревич Тамара Ивановна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО «Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела -межотраслевой научный центр ВНИМИ », директор кемеровского представительства

Ведущая организация - Институт горного дела Сибирского отделения Российской Академии наук

Защита диссертации состоится 12 декабря 2013 г. в 15-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.102.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, e-mail: kuzstu@kuzstu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева».

Автореферат разослан 12 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

<ъ Иванов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является основой экономики России, поэтому задача непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород является одной из важнейших, потому что от ее решения зависит своевременность прогноза опасных проявлений горного давления.

Разработка полезных ископаемых сопряжена с перераспределением напряжений в массиве горных пород, это обусловлено как техногенным воздействием на массив, так и естественными геологическими процессами. Горные удары, внезапные выбросы угля и газа, обрушение кровли, разрушение охранных целиков, разрушение крепи и другие опасные проявления горного давления связывают с критическим ростом и концентрацией напряжений в краевых зонах массива горных пород. Контроль изменения напряженного состояния массива горных пород позволяет принимать соответствующие технические и технологические решения по их предотвращению, либо минимизации последствий.

Существующие геомеханические методы контроля напряженного состояния, как правило, трудоемки, связаны с бурением скважин, созданием искусственного давления, разрушением области массива горных пород, поэтому эти методы не находят широкого применения при текущем контроле напряженного состояния, а используются, в основном, при ведении научных исследований и экспериментов. Геофизические методы, в свою очередь, характеризуются меньшей трудоемкостью и большей оперативностью, по всегда сопряжены с трудностями интерпретации экспериментальных данных.

Одним из методов котггроля, позволяющих определять напряженное состояние массива горных пород в месте установки датчика, является метод фотоупругих датчиков, основанный на использовании фотоупругих датчиков с центральной скважиной, которая выполняет роль концентратора напряжений. Этот метод требует присутствия квалифицированного специалиста по расшифровке оптических картин, получениях от фотоупругого датчика с центральной скважиной. Также существующие устройства не обеспечивают достаточную визуализацию, мониторинг и обработку информации, полученной с фотоупругого датчика.

Использование сплошных фотоупругих датчиков и современных цифровых технологий является одним из возможных решений вопроса оперативного и непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород. Оценка изменения напряженного состояния массива осуществляется в соответствии с изменением радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве. Передача интерференционной картины (чередующихся темных и светлых колец) по волоконно-оптическому кабелю на дневную поверхность и ее обработка специальной аппаратурой позволяет осуществлять оперативный и непрерывный контроль изменения горного давления на участке массива горных пород, где установлен сплошной фотоупругий датчик.

В этой связи разработка технических решений по совершенствованию метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков и современных цифровых технологий является актуальной.

Диссертационная работа выполнена по гранту программы У.М.Н.И.К.-2012 (Кузбасс) и отражает результаты исследований, выполненных в Кузбасском государственном техническом университете в период с 2006-2013 год.

Цель работы заключается в совершенствовании метода непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошного фотоупругого датчика.

Основная идея работы состоит в использовании зависимости радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве горных пород, от механических напряжений и передаче полученной интерференционной картины по волоконно-оптическому кабелю на дневную поверхность для ее обработки с помощью современных цифровых технологий.

Задачи исследования:

1. Установить связь между изменением радиуса интерференционных колец, полученных с помощью сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой.

2. Установить влияние параметров волоконно-оптического кабеля на интерференционную картину, передаваемую в наземную часть устройства.

3. Разработать методику и устройство непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий.

Методы исследования. Методическую основу исследований составляют теоретические исследования, лабораторные и сопоставительные эксперименты, инструментальные измерения, обзор и анализ литературы по теме исследования, анализ и научное обобщение полученных результатов. При обработке экспериментальных данных использованы методы математической статистики.

Объект исследования - массив горных пород, образцы горных пород.

Предмет исследования - механические напряжения в массиве и образцах горных пород, устройство непрерывного контроля напряженного состояния.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Между радиусом интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, и равномерно распределенной нагрузкой во взаимно перпендикулярных плоскостях существует линейная количественная связь в области упругих деформаций, а увеличение радиуса первого интерференционного кольца с увеличением нагрузки до 50 % от разрушающей составляет 90 %.

2. Коэффициент передачи оптического изображения волоконно-оптическим кабелем максимален в длинноволновой части видимого спектра

(600-700 нм), а для получения максимальной интенсивности выходного сигнала угол ввода входного сигнала в кабель не должен превышать десяти градусов.

3. Контроль изменения напряженного состояния краевой части массива горных пород осуществляется с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве горных пород, позволяющего получать интерференционную картину в виде концентрических окружностей, которая передается по волоконно-оптическому кабелю на дневную поверхность, где обрабатывается с помощью современных цифровых технологий на основе зависимости радиуса интерференционной картины от механических напряжений.

Научная новизна заключается:

1. В установлении зависимости между изменением радиуса интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой.

2. В определении условий получения максимального коэффициента передачи оптического изображения и максимальной интенсивности выходного сигнала при передаче изображения по волоконно-оптическому кабелю.

3. В разработке методики и устройства непрерывного контроля изменения напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими исследова1Шями, основанными на положениях механики горных пород и оптики, комплексными экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных условиях, компьютерным моделированием, а также на соответствии экспериментальных данных теоретическим (расхождение не превышает 10 %).

Личный вклад автора заключается: в установлении связи между изменением радиуса интерференционных колец, полученных с помощью сплошного фотоупругого датчика, и приложенной к датчику нагрузкой, разработке программ для ЭВМ, в разработке устройства непрерывного контроля, в проведении комплекса лабораторных и сопоставительных исследований, обработке и анализе экспериментальных данных.

Научное значение работы заключается в установлении закономерности, связывающей параметры интерференционной картины, полученной от сплошного фотоупругого датчика, с механическими напряжениями, расширяющей представления о взаимосвязи явлений фотоупругости и интерференции.

Отличие от ранее выполненных работ состоит в том, что изменение напряженного состояния определяется по интерференционной картине, полученной с помощью сплошного фотоупругого датчика, которая передается по волоконно-оптическому кабелю и обрабатывается современными цифровыми технологиями.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики и устройства на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-

оптических кабелей и современных цифровых технологий, позволяющих осуществлять непрерывный контроль за изменением механических напряжений в массиве горных пород.

Использование и внедрение результатов работы. Получен патент РФ на изобретение № 2421615 «Устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород». Разработанная методика используется в учебном процессе для студентов специальности 130400.65 «Горное дело», а также для направления подготовки бакалавров 280700.62 «Техно-сферная безопасность». Результаты исследований приняты к применению институтом промышленной и экологической безопасности КузГТУ для определения шага вторичных осадок основной кровли при проектировании выемочных участков, и для выбора места расположения демонтажной камеры. Издано «Методическое руководство по контролю опасных зависаний пород основной кровли с применением сплошных фотоупругих датчиков» / сост. А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. - Кемерово, 2013. - 18 с.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений». Российско-Китайский симпозиум. Кемерово, 2006; «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». XI, XII, XIX Международная паучно-практическая конференция. Кемерово, 2006, 2008, 2012; 51, 52-я научно-практическая конференция КузГТУ. Кемерово, 2006, 2007; «15-я Всероссийская научно-практическая конференция физиков и молодых ученых». Кемерово - Томск, 2009; XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология»;Томск, 2009; Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая». Кемерово; 2009 - 2012.

Разработанное в рамках диссертационной работы устройство демонстрировалось на XVIII Международной специализированной выставке «Уголь России и майнинг - 2011» и было удостоено серебряной медали в рамках конкурса «Лучший экспонат», также устройство демонстрировалось на международной выставке-ярмарке «ЭКСПО-УГОЛЬ-2010», где было удостоено диплома за лучший экспонат.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 19 научных работ, в том числе 6 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и список литературы из 125 наименований, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор и анализ методов и систем контроля напряженного состояния массива горных пород. Отдельно рассмотрен метод фотоупругих датчиков.

Развитие методов и средств непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород, позволяющих анализировать напряженное состояние массива на различных этапах разработки и на этой основе выбирать оптимальные параметры технологии выемки полезного ископаемого и управления горным давлением, применять своевременно противоударные и противовыбросные мероприятия, является актуальной задачей.

Методы, позволяющие измерять или оценивать напряжения в массиве экспериментальным путем, можно разделить на две основные группы: механические и геофизические.

Основным преимуществом геомеханических методов является достаточно высокая точность определения напряженного состояния. Основным геомеханическим методом принято считать метод разгрузки, который позволяет определить главные компоненты тензора механических напряжений. Развитием и исследованием геомеханических методов занимались: П. В. Егоров, М. В. Курленя, С. А. Батугин, К. В. Лукьянов, И. А. Турчанинов, Г. Н. Кузнецов, Г. И. Кулаков, Г. И. Грицко, В. А. Шаламанов, N. Hast, Е. Leeman. Все геомеханические методы объединяют общие недостатки: громоздкое оборудование, высокая трудоемкость, дискретность и значительное время измерений.

Наряду с геомеханическими методами разгрузки, разности давлений и др. существует метод фотоупругих датчиков с центральной скважиной, позволяющий оценивать величину механических напряжений в массиве горных пород. Метод основан на эффекте фотоупругости и свойстве материала датчика деформироваться совместно с горной породой под воздействием внешней нагрузки. Фотоупругость - это свойство некоторых изотропных прозрачных материалов изменять показатель преломления под действием нагрузки.

Быстрая и точная расшифровка оптической картины, полученной от фотоупругого датчика с центральной скважиной, требует значительного опыта в работе с фотоупругими датчиками и полярископами, также значительного времени требует обработка полученных данных, поэтому обеспечить оперативный и непрерывный контроль состояния массива горных пород на основе фотоупругих датчиков по существующей методике невозможно.

Поэтому геомеханические методы определения напряженного состояния получили наибольшее распространение при ведении экспериментальных исследований в натурных условиях в случаях, когда не требуется оперативного решения производственных задач.

Геофизические методы контроля напряженного состояния являются одним из наиболее важных направлений в области оценки напряженного состояния массива горных пород. Геофизические методы получили широкое распространение и хорошую теоретическую базу благодаря исследованиям научных организаций: ВНИМИ, ВостНИИ, ВостНИГРИ, ИПКОН РАН, ИГД СО РАН, ГоИ КНЦ РАН, МГГУ, С-ПбГГУ, КузГТУ, НИГРИД1ГД УрО РАН, и других отечественных и зарубежных научных учреждений. Значительный вклад в развитие геофизических методов контроля внесли следующие ученые: В. С. Ямщиков, В. Л. Шкуратник, Т. И. Лазаревич, Г. А. Соболев, Б. В.

Виноградов, Г. Н. Савин и многие другие. Среди геофизических методов наиболее часто выделяют следующие: акустические, сейсмоакустические, сейсмические, электрометрические, а также гамма и гамма-гамма-каротажные методы. Но при всем своем многообразии геофизические методы и средства контроля не решают в полной мере задачу непрерывного контроля и прогноза опасных проявлений горного давления, кроме этого, для всех геофизических методов остро стоит вопрос интерпретации полученных результатов. Наиболее разработаны и опробованы системы на основе регистрации сейсмоакустических импульсов, но подобные системы сложны в эксплуатации и не всегда могут однозначно предупредить обслуживающий персонал о готовящемся динамическом проявлении горного давления или газодинамическом явлении.

Для создания систем непрерывного контроля перспективными являются сплошные фотоупругие датчики, так как интерференционную картину, полученную с таких датчиков, можно обрабатывать в автоматическом режиме с помощью современных цифровых технологий и осуществлять количественную оценку изменения нагрузки в массиве.

В результате комплексного анализа литературы сформулирована цель и поставлены задачи исследовашт, которые приведены в общей характеристике работы.

Во второй главе приведены теоретические основы метода контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков.

Образование интерференционной картины можно представить, как отражение лучей от передней и задней стенки сплошного фотоупругого датчика (рис.1). При этом оптическая разность хода лучей в сплошном фотоупругом датчике определяется выражением:

А=2^л/и2-зт2/+Х,/2, (1)

где А - оптическая разность хода, м; п=п0+п' - показатель преломления датчика; щ - показатель преломления датчика без нагрузки; п' - изменение показателя преломления, обусловленное изменением нагрузки; / - угол падения оптического луча на датчик; А. - длина волны, м; с1- толщина датчика, м.

С другой стороны, оптическая разность хода определяется законом Вертгейма:

Д = а/(<Х1-бГ2), (2)

где (01-02) - разность главных напряжений, Па; С - оптическая постоянная материала по напряжениям, м2/Н.

волоконно-оптический кабель /

'//У, І

массив горйЫХ пород

IV Г і ж і І /Г

і 1 ч і Щ

сплошной -¿'/фотоупругий '44 датчик

// скважина

Рис. 1. Схема к расчету оптической разности хода при прохождении луча через сплошной фотоупругий датчик: р,д- нагрузка на датчик; с1 — толщи на датчика; / - угол падения оптического луча на датчик; $ Л" - падающий и отраженный оптический сигнал; Ь - расстояние от источника до датчика

С учетом выражения (1) и (2) получено выражение, определяющее зависимость радиуса определенного интерференционного кольца от нагрузки:

съм \\

4 ■)

т X I:

(3)

где (р-д) — распределенная нагрузка, Па; т - порядковый номер интерференционного кольца; Ь\ - коэффициент, зависящие от упругих постоянных датчика и породы и относительных размеров датчика; гт - радиус т-го интерференционного кольца, м; Ь - расстояние от источника оптического сигнала до датчика, м.

Из формулы (3) получена зависимость нагрузки на сплошной фотоупругий датчик от радиуса т-го темного интерференционного кольца. Бели сплошной фотоупругий датчик жестко установлен (вклеен) в скважшгу, пробуренную в массиве горных пород, то напряжения, действующие на массив, передаются на сплошной фотоупругий датчик, а их величину можно рассчитать из выражения (4) с учетом радиуса определенного темного интерференционного кольца:

г:а>

+ т2Х2Ь2

(4)

съ, V 4аг1}

1 \ /

Изменение нагрузки при изменении радиуса первого темного интерференционного кольца представлено на рис. 2. Зависимость имеет характер,

близкий к линейному, что доказывает возможность интерпретации полученных данных с датчика.

12,5 14,5 16,5 18,5 20,5

Радиус интерференционного кольца, мм.

Рис.2. Аналитическая связь нагрузки (р-д) и радиуса первого темного интерференционного кольца

Третья глава посвящена проверке теоретической зависимости радиуса первого темного интерференционного кольца от нагрузки экспериментальными методами и сопоставлению результатов эксперимента с результатами других методов оценки напряженного состояния. Также определена информативность метода контроля напряженного состояния на основе сплошного фотоупругого датчика и рассмотрено влияние коэффициента жесткости датчика на ошибку измерений.

Для установления экспериментальной зависимости радиуса интерференционных колец от нагрузки была разработана лабораторная установка рис. 3.

блок управления прессом

№ кН ].

Лааво

Рис. 3. Лабораторная установка для исследования зависимости радиуса интерференционных колец от нагрузки (а), приложенной к сплошному фотоупругому датчику, и ее функциональная схема (б)

В ходе эксперимента одноосная нагрузка на сплошной фотоупругий датчик изменялась от нуля до 4,5 МПа, что составляло 50 % от предела прочности сплошного фотоупругого датчика на одноосное сжатие. При этом фиксировался радиус первого и второго от центра темного интерференционного кольца.

Полученные данные приведены на рис. 4. Здесь также приведены теоретические кривые (сплошные линии), рассчитанные в соответствии с выражением (3). В результате проведенных экспериментов получено, что экспериментальные кривые хорошо согласуются с теоретическими и имеют тот же характер. Связь между радиусами первого и второго интерференционного кольца, которые получены экспериментально и теоретически, определяется следующими выражениями:

1) Для первого интерференционного кольца:

гж = 0,0742 гтсор + 12,735; достоверность аппроксимации Л2=0,951, коэффициент корреляции 0,932.

2) Для второго интерференционного кольца:

г,кс - 0,9525гтсор + 1,0113; достоверность аппроксимации 1^=0,956, коэффициент корреляции 0,937.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что путем контроля изменения радиуса соответствующего интерференционного кольца можно оценивать изменение нагрузки в месте установки сплошного фотоупругого датчика.

Нагрузка, МПа

Экспериментальные зависимости:

А Интерференционное кольцо 1 • Интерференционное кольцо 2 Аналитические зависимости: «■»Интерференционное кольцо 1 ««-Интерференционное кольцо 2

Рис. 4. Зависимость радиусов первого и второго интерференционных колец от иагрузки на фотоупругий датчик

Для установления соответствия между изменением радиуса первого темного интерференционного кольца и изменением нагрузки был проведен сопоставительный эксперимент с другими методами контроля. Лабораторная установка для проведения сопоставительных экспериментов по изучению изменения радиуса первого темного интерференционного кольца, полученного с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в образца из лесчанно-цементной смеси, потенциала естественного стационарного электрического поля (ЕСЭП) образца, удельного электросопротивления (УЭС) образца в зависимости от нагрузки приведены на рис. 5.

1 - сплошной фотоупругий датчик; 2,3 - датчики для измерения потенциала естественного стационарного электрического поля и удельного сопротивления; 4, 4' --пьезоизлучатель и пьезоприемник; 5 - плиты пресса; б -прибор МК-3 для измерения потенциала; 7 - ограничивающее сопротивление; 8 - источник питания; 9 - микроамперметр; 10 - звуковой генератор; 11 - осциллограф; 12 - лазер с экраном, К1 и К2 - ключи для осуществления режимов измерения УЭС и потенциала естественного сташюнапного электпическо! о поля (Т.С.ЗШ

Рис. 5. Лабораторная установка для проведения сопоставительного

эксперимента (а) и ее схема (б) На рис. 6, представлены экспериментальные кривые изменения радиуса первого темного интерференционного кольца и потенциала ЕСЭП образца в зависимости от приложенной нагрузки.

25 160

1 I 1 г ------------------- 60 I

Ц § с 5 ____________________■40 |

____________ Нагрузка а, МПа

j -air-Радиус ♦ Потенциал Рис. 6. Изменение радиуса первого темного интерференционного кольца и потенциала ЕСЭП образца с увеличением нагрузки

Из полученных результатов следует, что радиус первого темного интерференционного кольца и потенциал ЕСЭП образца увеличиваются с ростом нагрузки. Между данными установлена корреляционная связь: г - 9,3787е°'004бф, Я2 = 0,96, корреляционное отношение составляет 0,99.

Результаты изменения радиуса первого темного интерференционного кольца и УЭС образца в зависимости от нагрузки представлены на рис. 7.

о 22

и О

о С 20

я о

г а

4> я 18

Н о о а г

и о я я с 03 16

се <и Д"

а О) О, о» Л В о 14

С -е-

£ а а» 12

а ь

э 13 К 10

1,5

Нагрузка с, МПа

-Радиус

- Сопротивление

Рис. 7. Изменение радиуса первого темного интерференционного кольца и УЭС образца с увеличением нагрузки

Корреляционная связь между радиусом первого темного интерференционного кольца и УЭС имеет вид: г = -0,3553р2 + 10,786р - 63,769, К2- 0,98, корреляционное отношение составляет 0,973.

Полученные результаты доказывают, что радиус интерференционной картины, полученной с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в объекте измерения, позволяет оценить изменение напряженного состояния этого объекта так же, как и другие геофизические методы.

Важной характеристикой метода при организации контроля напряженного состояния массива горных пород является его информативность. Поэтому была определена информативность интерференционного метода и метода измерения потенциала ЕСЭП для сравнения.

На лабораторной установке, представленной выше, были получены статистические значения радиуса первого темного интерференционного кольца (рис. 8) в зависимости от нагрузки на образец.

Расчет информативности проведен по формуле (5), предложенной И. А.Турчаниновым. Также было проведено сравнение информативности интерференционного метода с другими методами локального геоконтроля.

' АЯл/й 4

I = 1,445 1п

(5)

где АП — относительное изменение радиуса интерференционного кольца в образце при нагружении его до разрушающих напряжений; п - число изме-

о а 2

Нагрузка, МПа

Рис.8. Зависимость радиуса первого темного интерференционного кольца от нагрузки

рений; к„ - усредненный коэффициент вариации; ? - коэффициент Стьюдента при надежности измерений а = 0,95.

Установлено, что информативность интерференционного метода соответствует или превышает уровень информативности других рассмотренных методов контроля напряженного состояния, что позволяет использовать сплошные фотоупругие датчики для количественной оценки и контроля напряженного состояния массива горных пород.

В результате расчета установлена зависимость относительной погрешности измерений от коэффициента жесткости датчика (отношение модуля упругости датчика к модулю упругости объекта измерения) для различных горных пород. При коэффициенте жесткости датчика ¿=2,41 относительная погрешность измерения составляет 13,3 %, а при коэффициенте жесткости датчика к=27,3 относительная погрешность составляет 1,29 %

В четвертой главе рассмотрено влияние параметров волоконно-оптического кабеля на передаваемый оптический сигнал.

Передача светового сигнала по оптическим волокнам или волоконно-оптическим кабелям основана на эффекте полного внутреннего отражения. Сечение оптического волокна состоит из сердечника, оптически более плотного, оболочки сердечника - из менее оптически плотного материала и внешней защитной оболочки. Механизм распространения светового сигнала в оптическом волокне представлен на рис, 9, п\ и п2 - показатель преломления внутреннего и внешнего оптического слоя соответственно.

Поскольку п\ > п2 для лучей входящих в оптическое волокно под малыми углами к оси цилиндра выполняется условие полного внутреннего отражения, то граница раздела между внутренним оптическим слоем 1 и внешним 2 приобретает свойства зеркала. Это значит, что в идеальном случае световая волна, попавшая в световод под малым углом к оси цилиндра, будет отражаться внутрь сердцевины 1 от границы слоев 1 и 2 многократно и без потери энергии, что делает оптические волноводы оптимальными средствами для передачи информации.

Рис. 9. Схема распространения светового луча в оптическом волокне со ступенчатым распределением показателя преломления: Б1, О2 — диаметр внутреннего и внешнего оптического слоя соответственно; ср' - угол ввода оптического сигнала в кабель

Одним из наиболее важных параметров волоконно-оптического кабеля является коэффициент передата для различных длин волн передаваемого сигнала или частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).

Экспериментально определен коэффициент передачи волоконно-оптического кабеля для различных длин волн передаваемого сигнала. Частотно-контрастная характеристика оптического волновода определялась с помощью миры, которая представляет собой картину из чередующихся контрастных черных и белых полос.

400 450 500 550 600 650 700 Длина волны, нм

Рис. 10. Экспериментальная зависимость коэффициента передачи волоконно-оптического кабеля от длины волны оптического сигнала

Установлено, что в видимом диапазоне, коэффициент передачи изображения максимален в длинноволновой части видимого спектра (рис. 10). Сравнение интенсивности входного и выходного оптического сигнала при прочих одинаковых условиях показало, что затухание составило около 1 дБ (В = 1 дБ).

Экспериментальным путем установлено, что для получения максимальной интенсивности выходного сигнала угол ввода входного сигнала в волоконно-оптический кабель (рис.11) не должен превышать 10 градусов.

Для исследуемого волоконно-оптического кабеля, используемого в качестве канала связи, были проведены расчеты скорости передачи сообщения, которая составила = 2,12 бит/отсчет, минимальное значение

ошибки 5/Ещ = 0,15, минимальная энергетическая цена единицы переданной информации - Е-т/Н= 0,4 Дж/бит. 1,2

I-

Н 0,8

я о,б

се

2 0,4

н Щ

В0'2 15

Без фильтр

Красный

О 10 „т 20 30 40 50

Угол ввода а, град

Рис. 11. Зависимость относительной интенсивности оптического сигнала от угла ввода этого сигнала в волновод

Полученные данные доказывают, что оптический канал связи на основе волоконно-оптического кабеля приемлем для передачи оптического изображения, полученного от сплошного фотоупругого датчика, для дальнейшей обработки.

Таким образом, на основе сплошных фотоупругих датчиков, волокон-но-оитических кабелей и современных цифровых технологий возможно разработать устройство и методику непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород.

В пятой главе представлено устройство и методика непрерывного контроля напряженного состояния массивов горных пород на основе волоконно-оптических элементов.

К разработанному устройству предъявлялись следующие требования: оперативность контроля, непрерывность контроля, количественная оценка напряженного состояния, помехозащищенность, искро- и взрывобезопасное исполнение, защищенность от агрессивного влияния окружающей среды в шахте, мониторинг и архивирование изменения напряженного состояния на контролируемом участке массива горных пород, устройство должно быть надежным, устройство должно осуществлять индикацию степени удароопасно-сти, в устройстве должна быть обеспечена возможность оперативной корректировки коэффициентов, предназначенных для определения распределенной нагрузки и степени удароопасности.

На основе этих требований было разработано и запатентовано «Устройство непрерывного кошроля напряженного состояния массива горных пород» патент № 2421615. Разработанное устройство основано на измерении радиуса первого интерференционного кольца, полученного от сплошного фотоупругого датчика, и последующем расчете распределенной нагрузки по выражению (4).

Функциональная схема разработанного устройства представлена на рис. 12. Устройство работает следующим образом. Сплошной фотоупругий

датчик Д1 устанавливается в краевых зонах массива горных пород, где необходим непрерывный контроль напряженного состояния. Лазерный луч от источника 1 по волоконно-оптическому кабелю 2 попадает на собирающую линзу Ф1, затем после отражения лучей от передней и задней стснки сплошного фотоупругого датчика возникает интерференционная картина ИК, которая через собирающую линзу Ф2 и волоконно-оптический кабель 2 передается на оптический детектор, который преобразует оптический сигнал в цифровой. Данный сигнал передается на компьютер контроля 4, где обрабатывается. Также компьютер контроля 4 осуществляет сравнение текущего значения нагрузки и радиуса первого интерференционного кольца с критическими, определенными заранее. После обработки данные поступают в блок сигнализации, регистрации и индикации 5, где архивируются.

Для решения задачи контроля напряженного состояния массива горных пород с помощью разработанного устройства, предложена методика, включающая: размещение оборудования в наземной части; выбор участка контроля, бурение скважины диаметром 41-42 мм, глубиной ! ,5-2,5 м; установку сплошного фотоупругого датчика; прокладку волоконно-оптического кабеля; определение и установку в память ПК критических значений нагрузки; диагностику; регистрацию данных с фотоупругого датчика, сравнение текущего значения нагрузки с критическими и включение соответствующей сигнализации.

Контроль напряженного состояния массива горных пород осуществляется путем автоматического сравнения радиуса первого темного интерференционного кольца с его критическими значениями, которые необходимо определить предварительно в зависимости от цели контроля.

В качестве примера рассмотрим применение разработанного устройства для контроля величины зависаний консоли пород основной кровли при вторичных осадках. Для этого необходимо установить сплошной фотоупругий датчик в краевую часть массива горных пород на расстоянии ширины зоны влияния опорного давления и фиксировать изменение радиуса центрального интерференционного кольца по мере подвигания забоя и осадок основной кровли. На основании полученных данных строится график изменения радиуса центрального интерференционного кольца от расстояния до очистного забоя, на котором проводятся две огибающие линии гтах и гтЫ (рис. 13). Значения кривых гтт и гтЫ заносятся в память ПК как верхняя и нижняя граница опасных напряжений, соответствующих максимальным и минимальным

прерывного контроля напряженного состояния массива горных пород

длинам консоли пород основной кровли на определенных расстояниях до очистного забоя.

£ о х

о 5 и Я ® >> Я

Я я я е[ а> Я" Я Оа Л

О. X

<и н Я

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Расстояние от забоя лавы, м

Рис. 13. Зависимость радиусов интерференционных колец от расстояния

до забоя лавы

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по совершенствованию метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе интерференционной картины, полученной с помощью сплошного фотоупругого датчика, которая в сочетании с волоконно-оптическим кабелем и современными цифровыми технологиями, позволяет осуществлять непрерывный контроль изменения напряженного состояния массива горных пород в автоматическом режиме, что вносит существенный вклад в развитие горнодобывающей промышленности.

Основные научные результаты работы, выводы и технические решения заключаются в следующем:

1. Установлена принципиальная возможность непрерывного контроля за изменением напряженного состояния массива горных пород с помощью сплошного фотоупругого датчика.

2. Получена аналитическая зависимость, определяющая связь между радиусом т-го темного интерференционного кольца, полученного от сплошного фотоупругого датчика, и равномерно распределенной нагрузкой (р-д).

3. Экспериментально подтверждено, что с помощью сплошного фотоупругого датчика, установленного в образце, можно определять изменение нагрузки на этот образец в зависимости от изменения радиуса темных интерференционных колец, что подтверждено другими методами геофизического контроля.

4. Определена информативность интерференционного метода, а также рассчитана относительная ошибка измерения нагрузки для интерференционного метода 8<50%, что соответствует требованиям, предъявляемым к методам оценки напряженного состояния массива горных пород.

5. Область применения сплошных фотоупругих датчиков определяется соотношением модуля упругости материала датчика и исследуемой горной породы.

6. Получено, что коэффициент передачи оптического изображения волоконно-оптическим кабелем максимален в длинноволновой части видимого спектра. Для получения максимальной интенсивности выходного сигнала угол ввода входного сигнала в волоконно-оптический кабель не должен превышать 10 градусов.

7. Определены основные параметры волоконно-оптического кабеля, обеспечивающего связь сплошного фотоупругого датчика, установленного в массиве горных пород, с дневной поверхностью: скорость передачи сообщения R = 2,12 бит/отсчет, минимальное значение ошибки 8/£,„ = 0,15, минимальная энергетическая цепа единицы переданной информации -EJH = 0,4дж/бит.

8. Разработана компьютерная программа, позволяющая моделировать процесс изменения интерференционной картины, полученной от сплошного фотоупругого датчика от нагрузки, приложенной к сплошному фотоупруг ому датчику.

9. Разработано и запатентовано устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий (патент № 2421615).

10. Разработано «Методическое руководство по контролю опасных зависаний пород основной кровли с применением сплошных фотоупругих датчиков».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах

В юданиях, рекомендованных В А К России:

1. Гуменный, А. С. Область применения интерференционного метода контроля напряженного состояния твердых тел с упругими характеристиками / А, С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина, А. А. Мальшин // Вестник КузГТУ. - 2010. -№ 1. - С. 21-22.

2. Гуменный, A.C. Зависимость параметров интерференционной картины сплошного фотоупругого датчика от механических напряжений // А. С. Гуменный, В.В. Дырдин, Т.И. Янина // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2011. - № 2. - С. 69-72.

3. Гуменный, А. С. Оценка напряжений в краевых зонах массива горных пород с помощью сплошного фотоупругого датчика /

A. С. Гуменный В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. -№ 11. - С. 103-107.

4. Гуменный, А. С. Оценка влияния оптического волновода на параметры передаваемого сигнала при непрерывном контроле напряженного состояния массива горных пород / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина, А. А. Малынин // Вестник КузГТУ. - 2012. - № 1. - С. 11-14.

5. Гуменпый, А. С. Оценка напряженного состояния образца горной породы сплошным фотоупругим датчиком, звуковым и электромагнитными методами в лабораторных условиях // Вестник КузГТУ.

-2013.-№4.-С. 3-6.

6. Гуменный, А. С. Оценка информативности метода определения

напряженного состояния образца горной породы сплошным фотоупругим датчиком // Вестник КузГТУ. - 2013. - № 4. - С. 6-9.

В прочих изданиях:

7. Пат. 2421615 Российская Федерация, МПК Е 21С 39/00. Устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород / Гуменный А. С., Дырдин В. В., Янина Т. И. ; заявитель и патентообладатель Кузбас. гос. техн. ун-т. -№ 2010105501/03 ; заявл. 15.02.2010 ; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17/2011.

8. Гуменный, А. С. Контроль напряженного состояния здании и сооружений с помощью волоконно-оптической системы / А. С. Гуменный,

B. В. Дырдин, Т. И. Янина // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений. Материалы Российско-китайского симпозиума Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2006. - С. 188-191.

9. Гуменный, А. С. Блок регистрации для системы автоматического контроля изменения напряженного состояния массивов горных пород при разработке полезных ископаемых / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Материалы XI международной научно-практической конференции Кузбас. гос. техн.

ун-т - Кемерово, 2006. - С. 201-203.

10. Гуменный, А. С. Интерференционный метод контроля напряженного состояния при упругих деформациях / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, А. В. Корнилов, С. А. Субботин II Сборник лучших докладов студентов и аспирантов КузГТУ. 51-я научно-практическая конференция Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2006. - С. 62-65.

11. Гуменный, А. С. Мониторинг напряжено-деформированного состояния несущих конструкций / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, К. П. Волыков, И. Ю. Ложкин // Сборник докладов студентов и аспирантов КузГТУ. 52-я научно-практическая конференция Кузбас. гос. техн. ун-т -

Кемерово, 2007 - С. 81-84.

12. Гуменный, :. А. С. Лабораторный стенд для исследования напряженно-деформированного состояния углей и пород / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, И. Ю. Ложкин, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Природные и

интеллектуальные ресурсы Сибири. Материалы XII международной научно-практической конференции Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2008. -С.161-164.

13. Гуменный, А. С. Оптический метод контроля состояния массивов и технических сооружений / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, И. Ю. Ложкин // Материалы 15-й Всероссийской научно-практической конференции-физиков и молодых ученых. - Кемерово ; Томск, АСФ Россия, 2009. - С. 810-811.

14. Гуменный, А. С. Исследование напряженно-деформированного состояния в зависимости от свойств материала и параметров нагрузки / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, И. Ю. Ложкин, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая»: сб. докл. Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2009. - С. 216-218.

15. Гуменный, А. С. Применение интерференции для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Материалы XV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология» - Томск. Изд-во ТПУ 2009 - С. 34-36.

16. Гуменный, А. С. Физические основы контроля безопасности при разработке подземных ископаемых подземным способом / А. С. Гуменный, Т. И. Янина, А. И. Черкашин, Д. В. Дарбинян // Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая»: сб. докл. Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2010. - С. 37-39.

17. Гуменный, А. С. Влияние нагрузки на параметры интерференционной картины и амплитуду ультразвуковых колебаний в сплошном фотоупругом датчике / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая»: сб. докл. Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2012. - С. 27-29.

18. Гуменный, А. С. Частотно-контрастная характеристика оптического волновода системы непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород / А. С. Гуменный, Б. ь. ¿¡длрдик, Т. И. Янина // Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности. Сборник трудов. - Кемерово, Экспо-Сибирь, 2012. - С.85-87.

19. Гуменный, А. С. Методика оценки напряженного состояния краевых зон угольных пластов на основе сплошных фотоупругих датчиков / А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Материалы XIX Международной научно-практической конференции Кузбас. гос. техн. ун-т - Кемерово, 2012. -Том 1,-С. 191-195.

Подписано в печатьО?.Но^?А2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Ч-К5 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Полиграфический цех федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гуменный, Антон Сергеевич, Кемерово

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Т.Ф. ГОРБАЧЕВА».

На правах рукописи

04201453566

Гуменный Антон Сергеевич

Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дыр дин В. В

Кемерово 2013

Введение.........................................................................................4

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования....................................10

1.1. Динамические проявления горного давления на угольных и рудных месторождениях при подземной разработке полезных ископаемых.....10

1.2. Методы контроля напряженного состояния....................................20

1.3. Метод фотоупругих датчиков............................................................34

1.4. Выводы и задачи исследования.........................................................36

2. Теоретические основы метода контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков.........................39

2.1. Физические основы метода контроля на основе сплошных фотоупругих датчиков..............................................................................................39

2.2. Расчет разности хода оптических лучей в сплошном фотоупругом датчике, установленном в различных горных породах и углях..........................46

2.3. Моделирование интерференционной картины, полученной от сплошного фотоупругого датчика...........................................................................53

2.4. Выводы.................................................................................................59

3. Экспериментальные исследования по разработке устройства контроля напряженного состояния массива горных пород на основе использования сплошных фотоупругих датчиков.........................................................61

3.1. Лабораторная установка для определения зависимости между радиусом т-то интерференционного кольца и нагрузкой на сплошной фотоупругий датчик..................................................................................................61

3.2. Оценка напряженного состояния образца горной породы сплошным фотоупругим датчиком, ультразвуковым и электромагнитными методами в лабораторных условиях.......................................................................66

3.3. Оценка информативности метода определения напряженного состояния образца горных пород сплошным фотоупругим датчиком.................78

3.4. Определение границ применения сплошного фотоупругого датчика для контроля напряженного состояния массива горных пород............84

3.5. Определение зависимости погрешности измерений сплошным фотоупругим датчиком от его коэффициента жесткости...................................86

3.6. Выводы.................................................................................................92

4,Оценка влияния волоконно-оптического кабеля на параметры передаваемого сигнала, полученного от сплошного фотоупругого датчика........................94

4.1. Устройство оптического волокна......................................................94

4.2. Частотно-контрастная характеристика волоконно-оптического кабеля......................................................................................................................96

4.3. Выводы...............................................................................................102

5.Разработка устройства и методики непрерывного контроля напряженного состояния массивов горных пород на основе волоконно-оптических элементов.................................................................................... 103

5.1. Разработка устройства контроля напряженного состояния массива горных пород на основе волоконно-оптических элементов..............................103

5.2. Программа обработки интерференционной картины...................110

5.3. Методика непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород.............................................................................................112

5.4. Выводы...............................................................................................120

Заключение.................................................................................. 121

Список литературы......................................................................... 123

Приложение 1............................................................................... 138

Приложение 2............................................................................... 139

Приложение 3.................................................................................140

Приложение 4............................................................................... 141

Приложение 5............................................................................... 142

Приложение 6............................................................................... 143

Введение

Существующие геомеханические методы контроля напряженного состояния, как правило, трудоемки, связаны с бурением скважин, созданием искусственного давления, разрушением области массива горных пород, поэтому эти методы не находят широкого применения при текущем контроле напряженного состояния, а используются, в основном, при ведении научных исследований и экспериментов. Геофизические методы, в свою очередь, характеризуются меньшей трудоемкостью и большей оперативностью, но всегда сопряжены с трудностями интерпретации экспериментальных данных.

Одним из методов контроля, позволяющих определять напряженное состояние массива горных пород в месте установки датчика, является метод фотоупругих датчиков, основанный на использовании фотоупругих датчиков с центральной скважиной, которая выполняет роль концентратора напряжений. Этот метод требует присутствия квалифицированного специалиста по расшифровке оптических картин, полученных от фотоупругого датчика с центральной

скважиной. Также существующие устройства не обеспечивают достаточную визуализацию, мониторинг и обработку информации, полученной с фотоупругого датчика.

Диссертационная работа выполнена по гранту программы У.М.Н.И.К.-2012 (Кузбасс) (см. приложение 1) и отражает результаты исследований, выполненных в Кузбасском государственном техническом университете в период с 20062013 год.

белю на дневную поверхность для ее обработки с помощью современных цифровых технологий.

Задачи исследования:

Объект исследования - массив горных пород, образцы горных пород.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Между радиусом интерференционных колец, полученных от сплошного фотоупругого датчика, и равномерно распределенной нагрузкой во взаимно перпендикулярных плоскостях 'существует линейная количественная связь в области упругих деформаций, а увеличение радиуса первого интерференционного кольца с увеличением нагрузки до 50 % от разрушающей составляет 90 %.

. * 1 , , >.

^ I- ( ■ I * ' . . I

Научная новизна заключается:

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими исследованиями, основанными на положениях механики горных пород и оптики, комплексными экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных условиях, компьютерным моделированием, а также на соответствии экспериментальных данных теоретическим (расхождение не превышает 10 %).

комплекса лабораторных и сопоставительных исследований, обработке и анализе экспериментальных данных.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики и устройства на основе сплошных фотоупругих датчиков, волоконно-оптических кабелей и современных цифровых технологий, позволяющих осуществлять непрерывный контроль за изменением механических напряжений в массиве горных пород.

Использование и внедрение результатов работы. Получен патент РФ на изобретение № 2421615 «Устройство непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород» (см. приложение 2). Разработанная методика используется в учебном процессе для студентов специальности 130400.65 «Горное дело», а также для направления подготовки бакалавров 280700.62 «Техносферная безопасность». Результаты исследований приняты к применению институтом промышленной и экологической безопасности КузГТУ для определения шага осадок основной кровли при проектировании выемочных участков, и для выбора места расположения демонтажной камеры (см. приложение 6). Издано «Методическое руководство по контролю опасных зависаний пород основной кровли с применением сплошных фотоупругих датчиков» / сост. А. С. Гуменный, В. В. Дырдин, Т. И. Янина // Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. - Кемерово, 2013. - 18 с. (см. приложение 3).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений». Российско-Китайский симпозиум. Кемерово, 2006; «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». XI, XII, XIX Международная научно-практическая конференция. Кемерово, 2006, 2008, 2012; 51, 52 -я научно-практическая конференция КузГТУ. Кемерово, 2006, 2007; «15-я Всероссийская научно-практическая конференция физиков и молодых ученых». Кемерово - Томск, 2009; XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технология»;Томск, 2009; Всероссийская научно-практическая конференция «Россия Молодая». Кемерово; 2009 - 2012.

Разработанное в рамках диссертационной работы устройство демонстрировалось на XVIII Международной специализированной выставке «Уголь России и майнинг - 2011» и было удостоено серебряной медали в рамках конкурса «Лучший экспонат» (см. приложение 4), также устройство демонстрировалось на международной выставке-ярмарке «ЭКСПО-УГОЛЬ-2010», где было удостоено диплома за лучший экспонат (см. приложение 5).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списока литературы из 125 наименований, изложенных на 143 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 12 таблиц и 6 приложений.

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования

1.1. Динамические проявления горного давления на угольных и рудных месторождениях при подземной разработке полезных ископаемых

Ценные марки углей на шахтах Кузбасса отрабатываются наиболее интенсивными темпами, в этой связи, глубина залегания доступных и востребованных .марок угля увеличивается с каждым годом, также в ряде случаев добыча таких углей ведется в тектонически нарушенных зонах. Это сопровождается естественным увеличением газоносности и ростом напряженного состояния массива горных пород [1]. Разработка полезных ископаемых подземным способом приводит к нарушению и перераспределению естественного напряженного состояния массива горных пород, что увеличивает опасность возникновения динамических проявлений горного давления, особенно в зоне влияния тектонических нарушений. Объемы шахтных полей с геологическими нарушениями ежегодно увеличиваются, отработка таких шахтных полей сопровождается рядом технологических трудностей, опасностью выхода из строя дорогостоящего оборудования, травмами горнорабочих [2], [3], [4], [5].

Между опасными проявлениями горного давления на шахтах и рудниках Кузбасса и промышленными взрывами существует определенная связь. Так в Кузбассе действует 55 шахт, р�

Информация о работе

Гуменный, Антон Сергеевич
кандидата технических наук
Кемерово, 2013
ВАК 25.00.20

Диссертация

Совершенствование метода непрерывного контроля напряженного состояния массива горных пород на основе сплошных фотоупругих датчиков - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы