Пока не найден философский камень, человечество продолжает добывать полезные ископаемые из недр. И хотя фантазеры обещали нам чудо-приборы, которые будут генерировать любые вещества, наука продолжает биться над проблемой повышения эффективности и безопасности работы в шахтах.
Цена вопроса
Обрушение кровли горной выработки не происходит внезапно. Поскольку часть пород извлекают из самой горной выработки, в кровле возникает давление горных масс. Горные породы над выработкой начинают расслаиваться, а кровля — проседать. В определенный момент происходит обрушение.
Скорость расслоения, а, следовательно, и момент обрушения, зависят от геологических характеристик горных пород:
- состава;
- трещиноватости;
- наличия примесей (песок, глина и прочее).
Чтобы момент обрушения не стал неожиданностью и не повлек за собой человеческие жертвы, производится наблюдение за просадкой кровли. Важно не само абсолютное значение просадки кровли, а динамика — скорость просадки. Чем быстрее за фиксированный промежуток времени начинает проседать кровля, тем ближе момент обрушения. Поэтому необходимо вести фиксировать изменения просадки и своевременно снимать показания.
Глубинные реперы
Для наблюдения за состоянием кровли горных выработок используются глубинные реперы — механические датчики, позволяющие определить начало расслоения кровли горной выработки.
Репер состоит из трубок со шкалами и металлических тросов, закрепляемых в заранее пробуренной скважине. Сам репер после установки размещается в устье скважины, под сводом кровли. Репер показывает наличие расслоений горных пород сразу на нескольких глубинах, количество зависит от конструкции датчика.
Разные тросы закрепляются на различных глубинах. Реперы принято устанавливать на расстояниях от 30 до 250 метров друг от друга в зависимости от типа пород, залегающих в кровле горной выработки. Чем слабее горные породы, тем больше вероятность обвала и тем чаще требуется установка реперов.
Основной недостаток традиционных реперов — необходимость постоянного визуального снятия показаний. Ответственный работник с заданной периодичностью обходит все установленные на вверенном ему участке шахты реперы и записывает в бумажный журнал текущие показания. В последние годы Правительство и Ростехнадзор продвигают идею создания МФСБ — многофункциональных систем безопасности, представляющих единый диспетчерский пункт, оснащенный серверами и мониторами в виде стеновых панелей, на которые выводятся параметры шахтных систем, влияющих на работоспособность и безопасность добычи полезных ископаемых.
Показатели могут быть следующие:
- скорость проветривания;
- запыленность;
- уровень метана и других взрывоопасных газов в горных выработках;
- текущее состояние различного оборудования.
Автоматических датчиков контроля расслоения горных пород не существует. Имеются датчики измерения линейного перемещения LVDT-sensors стоимостью от 20000 до 50000 рублей, имеющие излишнюю точность. Датчики аналоговые и не умеют работать по протоколу modbus. Необходима доработка. Ввиду высокой цены LVDT-датчики нецелесообразно устанавливать через каждые 30 метров, ведь выработки тянутся на многие километры.
Разработка автоматического датчика
Для обеспечения автоматического контроля состояния кровли горной выработки решили разработать более дешевый автоматический датчик, который самостоятельно измеряет смещение тросов внутри репера и передает показания на сервер. Для осуществления контроля достаточно, чтобы датчик мог измерять линейное перемещение в диапазоне от 0 до 8–12 см.
Точность измерения была выбрана 2 мм, поскольку репер позволяет измерять смещение с точностью 1 мм, но более важным показателем является не абсолютное значение смещения, а динамика, скорость изменения показаний. Чем быстрее начинают меняться показания, тем ближе момент обрушения кровли.
Реализация
Периферия контроллера
- USART — универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик. Интерфейс для передачи данных применяется для отправки измеренных данных.
- ADC — АЦП (аналого-цифровой преобразователь) для измерения напряжения на катушках.
- TIMER — для генерации ШИМ-сигнала, который с помощью аналогового RC-фильтра сглаживался до синусоиды заданной частоты.
- Внешняя периферия: микросхема MAX485 для конвертации USART, использующего TTL-уровни сигналов от 0 до 5 В, в RS-485, использующий более помехозащищенные уровни электрических сигналов от 0 до 12 В и позволяющий передавать сигнал на большие расстояния.
Датчик перемещения LVDT-sensor
- 3 катушки на одном цилиндрическом магнитном сердечнике. Такое количество катушек увеличивает чувствительность и позволяет измерять перемещение в обоих направлениях от заданного центра.
- Катушки представляют собой тонкий медный провод, намотанный на каркас в виде трубки.
- Внутри каркаса может свободно перемещаться магнитный сердечник, например из феррита, поскольку он обладает высокой магнитной проводимостью и малым насыщением.
- В нашем случае 3 катушки позволяли увеличить измеряемую длину перемещения. При минимальной общей длине 3 катушки составлялись последовательно, так как не требовалось измерять перемещение в обоих направлениях.
Согласно расчетам, точность в 2–5 мм была достаточной. Диапазон составлял от 0 до 8–12 см.
Подключение и софт
- К компьютеру система подключалась первое время при помощи кабеля, представляющего самодельный USB-UART преобразователь: со стороны компьютера — USB, со стороны датчика — UART.
- Преобразователь собран на микросхеме FT232RL. В компьютере определялся как COM-порт.
- Для отладки на C# писался софт, принимающий данные из COM-порта и рисующий измеренные данные в виде синусоиды. Усредненная амплитуда сигнала — это и есть величина измеренного напряжения. По измеренной разности напряжений на 2 катушках датчика определяется смещение. Преобразование напряжений в смещении производится путем калибровки.
- Для корректной работы датчика требуется калибровка каждого экземпляра датчика. Процедура калибровки должна быть включена в прошивку датчика.
2002–2024