ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ШЕВЧЕНКО ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 622.1

РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ МАРКШЕЙДЕРСЬКОГО КОНТРОЛЮ ПРОВІДНИКІВ ВЕРТИКАЛЬНИХ ШАХТНИХ СТОВБУРІВ

Спеціальність 05.15.01 "Маркшейдерія"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Науковий керівник ѕ канд. техн. наук, доцент ГРИЩЕНКОВ Микола Миколайович, доцент кафедри "Геоїнформатіки і геодезії" Донецького державного технічного університету.

Офіційні опоненти:

- канд. техн. наук СУШКО Євген Тихонович ст. наук. співр. лабораторії "Захист будівель та споруд від впливу гірничих робот" Українського державного науково-дослідного інституту гірничої геології, геомеханіки та маркшейдерської справи НАН України.

Провідна установа: Національна гірнича академія, кафедра маркшейдерської справи, Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 1 грудня 2000 року о 12-00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.05 при Донецькому державному технічному університеті.

Адреса: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58., I уч. корпус, аудиторія 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького державного технічного університету (адреса: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58., II уч. корпус).

Автореферат розісланий 27 жовтня 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д11.052.05 доктор

технічних наук, професор М.Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність роботи. У наступний час при розробці корисних копалин підземним засобом однією з найбільш важливих проблем залишається питання безпеки при експлуатації вертикальних стовбурів шахт. На підземних рудниках постійно виникають труднощі в проведенні своєчасного контролю геометричних параметрів жорсткого армування, особливо за значною глибиною шахтних стовбурів.

У процесі будівництва стовбура шахти повинна дотримуватися гранична точність монтажних робіт при його армуванні. У процесі експлуатації шахтних стовбурів повинен провестися періодичний маркшейдерський контроль геометричного положення провідників і їх стан. Особливо потрібно приділяти увагу більш точному визначенню фактичних величин місцевих викривлень провідників і величин звуження або розширення колії, які викликають сильні динамічні навантаження, що приводять до зниження терміну служби армування і аварійних ситуацій.

Виконання точних вимірювальних робіт при здійсненні маркшейдерського контролю під час профілювання провідників являє собою вельми важку задачу. Способи і методи, що застосовуються для вимірювання викривлень провідників вельми трудомісткі і не дозволяють здійснювати регулярний і об'єктивний контроль їх стану. У зв'язку з цим, розробка теоретичних принципів і технологічних процесів визначення стану армування стовбурів, що дозволяє отримати найбільш повну і оперативну інформацію про провідник, а також наукове обгрунтування об'єму і періодичність виконання профілювань є актуальною науково-технічною задачею.

Метою справжньої роботи є розробка автоматизованої системи контролю поточного стану провідників вертикальних стовбурів шахт з прогнозною оцінкою зміни міри зносу провідників, обгрунтуванням періодичності виконання маркшейдерських робіт і автоматизація камеральної обробки існуючих технологій і способів профілювання провідників.

Ідея роботи складається у виявленні взаємозв'язку стану провідників і його геометричних параметрів, а також міри зносу провідників.

Методика досліджень. У дисертаційній роботі використаний комплексний метод дослідження, що включає до себе: цілеспрямований аналіз літературних джерел з питань маркшейдерського контролю провідників вертикальних шахтних стовбурів; теоретичні розробки конструкції вузлів і приладів нової станції; дослідно-промислові випробування станції; теоретичні дослідження і аналіз точності результатів профілювань методами математичної статистики; статистичний аналіз результатів профілювань, отриманих різними засобами; математичне моделювання руху посудини по викривленим провідникам.

Наукові положення, які виносяться на захист.

1. Розроблена цифрова модель стану провідників вертикальних шахтних стовбурів, що містить дві вертикалі, відносно яких визначаються викривлення провідників в лобовій і боковій площинах, що ув'язуються відстанями між парою провідників і їх зносом, що характеризують експлуатаційну придатність провідників.

Для отримання параметрів цифрової моделі запропонована і реалізована нова конструкція станції.

2. Залежність зносу провідників від геометричних параметрів за одиничний цикл руху підіймальної посудини, дозволяє здійснити прогноз стану провідників за заданим навантаженням на стовбур, об'єктивно призначати періодичність маркшейдерських профілювань і ремонтно-профілактичних робіт.

3. Розроблена технологія обробки результатів профілювання провідників станціями сімейства СІ, заснована на отриманні растрового зображення фотограм, напівавтоматичному розпізнаванні образів профільних ліній, чисельному інтегруванні кутових відхилень провідників від вертикалі і автоматизованій побудові профілів провідників, що досліджуються.

Наукова новизна полягає в наступному.

Виявлена залежність зносу рейкових провідників від міри їх викривлення і створена математична модель руху посудини по провідниках, що дозволяє спрогнозувати величину зносу провідників в залежності від їх викривлення і навантаження на стовбур.

Створена методика прогнозної оцінки стану провідників на майбутній період експлуатації за результатами його маркшейдерських профілювань. Обгрунтовані періодичність і об'єм проведення маркшейдерського контролю вертикальних шахтних стовбурів.

Практична цінність. Створений діючий робочий зразок автоматичної станції для профілювання провідників у вертикальних шахтних стовбурах і застосовно до неї розроблена технологія польових робіт і камеральної обробки. Розроблена комп'ютерна технологія обробки растрових зображень фотограм, отриманих за допомогою станцій СІ, що дозволяє в 7-10 разів знизити трудовитрати камеральної обробки і на 50% підвищити точність кінцевих результатів.

Процес впровадження результатів досліджень дозволить поліпшити маркшейдерський контроль стану армування вертикальних шахтних стовбурів, що буде сприяти надійності і довговічності роботи підіймальних комплексів.

Апробація роботи. Основні наукові і прикладні положення роботи докладалися і отримали схвалення:

· на засіданні секції підземної розробки вугільних родовищ НТР Мінвуглепрому України (Донецьк, УкрНДМІ, 17 червня 1997 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковане 4 роботи, 3 у провідних фахових виданнях України.

Об'єм роботи. Дисертаційної робота складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку літератури з 91 найменування, викладена на 128 сторінках машинописного тексту, містить 49 рисунків, 1 таблицю, додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі відображені актуальність роботи, мета, ідея та методика досліджень, наукові положеняя, наукова новізна та практична цінність роботи.

У першому розділі розглянуті існуючі методи профілювання провідників вертикальних шахтних стовбурів. А саме: геометричний; оптичний спосіб ступінчастого профілювання, запропонований Козловським Г.І., Папазовим М.Г. і інш.; пристрій ІІП-2, спроектований Куваєвим Ю.В.; станції СІ і комплекс приладів, розроблених ВНДМІ; безмаятниковий профілограф - автомат, запропонований Зорею М.М.; розроблена фірмою "Геомар" станція СПШ; пристрій ISSM фірми DMT, Німеччина; відеопрофілограф, запропонований Польською Академією гірництва і металургії; і приведений їх аналіз.

На вітчизняних вугледобувних підприємствах найбільше поширення отримав спосіб профілювання провідників станціями СІ, тому його розгляду була приділена основна увага.

Проведений аналіз літературних джерел з питань профілювання провідників у вертикальних шахтних стовбурах показав наступні проблеми.

У існуючих станціях СІ використовується застарілий спосіб реєстрації параметрів, що вимірюються, що вабить за собою вельми трудомістку їх обробку. Крім того, ці станції не дають об'єктивну і повну інформацію про стан армування стовбурів. Розроблена станція СПШ по своїх геометричних і конструктивних параметрах, а так само за закладеним в ній принципом вимірювань не може задовольнити усім вимогам, що пред'являються до сучасної вимірювальної апаратури. У результаті, на даний момент не існує станції, яка володіє наступними властивостями: невеликі габарити і вага вимірювальних кареток, вибухобезпечне виконання, електронний спосіб реєстрації і зберігання величин, що вимірюються, вимірювання максимальної кількості параметрів армування стовбура (викривлення провідників в лобовій і бічній площині, ширина колії, знос провідників в лобовій і бічній площині).

Крім розгляду різних способів виконання профілювань в літературі велика увага приділяється виникненню навантажень на армування стовбура і способам їх вимірювань. При цьому основною причиною появи динамічних навантажень є викривлення провідників. Існує ряд методик для того, щоб зв'язати ці два параметри воєдино, однак побудувати модель стану армування і дати прогнозну оцінку стану провідників на основі цих даних ще ні ким не пропонувалося.

Узагальнюючи вищесказане, сформульовані основні задачі досліджень:

1. Встановити залежність міри зносу провідників від величини їх викривлення на основі взаємодії рухомої підіймальної посудини по провіднику.

2. Розробити цифрову модель стану провідників, що включає величини відхилень провідників від вертикалі в лобовій і боковій площині, відстань між парою провідників і знос лобової і бічної площини.

3. Розробити алгоритм і програмне забезпечення для математичного моделювання руху посудини по реальним (викривленим) провідникам для відображення силових взаємодій і прогнозування зносу провідників.

4. На основі аналізу існуючих технологій розробити конструкцію автоматизованої станції, що використовує електронні датчики для реєстрації і зберігання інформації про викривлення, знос провідників і відстань між ними у вертикальних шахтних стовбурах.

5. Розробити методику польових і камеральних робіт для нової станції.

6. Розробити алгоритм і програмне забезпечення камеральної обробки результатів профілювання провідників, отриманих при різних способах профілювання для побудови кінцевого профілю провідників.

7. Розробити автоматизовану технологію обробки фотограм провідників, що отримуються станціями СІ.

У другому розділі описані технологічні схеми профілювання провідників станціями СІ і геометричним способом і детально розкриті етапи камеральної обробки.

Камеральна обробка польових вимірювань, виконаних станцією СІ, зводиться до наступних етапів: обробка діаграм відстаней між провідниками; обробка фотограм кутів відхилень провідника від вертикалі; складання профілю. Початковими даними для побудови профілю провідника служать: кутові відхилення провідника від вертикалі, що отримуються з фотограми профільної лінії; значення колії вважаються з перфорованої паперової стрічки; зазори безпеки і відстані від провідників до стінок стовбура отримують при обробці даних приладів СЗ1 і ПС1, а за їх відсутністю з журналу вимірів.

У ряді існуючих приладів, що входять в комплект станції СІ, результати польових вимірювань фіксуються на однакові носії інформації, а саме на фотоплівку. Такий спосіб запису даних має істотний недолік - велика складність їх дешифрування і в результаті низька точність кінцевого профілю.

При профілюванні провідників вертикальних шахтних стовбурів станціями СІ запис кутових відхилень провідника від вертикалі проводиться на 35 міліметрову фотоплівку. Обробка і дешифрирування фотоплівок інвентарними засобами станції СІ є вельми трудомісткою задачею, крім того, сама технологія сприяє накопиченню великої кількості випадкових помилок, що значно знижує всі точностні характеристики запису даних профілювання. Для усунення цих недоліків запропонована наступна технологія камеральної обробки: сканування отриманих при польових вимірюваннях плівок планшетним сканером будь-якого формату з дозволом не менше за 300 dpi; обробка сканерного зображення програмним забезпеченням, що пропонується і отримання математичної моделі профільної лінії, тобто її координат; побудова профілю. Такий спосіб дозволяє виключити вплив суб'єктивних чинників, істотно спростити і зменшити трудомісткість камеральної обробки, підвищити точність.

Алгоритм обробки растрового файла фотограм укладається з читання заголовка файла і безпосередньо графічної карти зображення. Алгоритм обробки здійснює побайтове прочитання інформації з файла. Визначається, чи є перший прочитаний байт маркером RLE кодування (лічильником) чи ні. Якщо так, то прочитується наступний байт, який буде зазначати код кольору (тобто отримали інформацію про кількість рядом розташованих пікселів одного рядка з вказаним кольором). Якщо ні, то прочитаний байт є одиничним пікселем відповідного кольору. Цикл повторюється доти, поки не будуть перебрані всі елементи рядка, а за тим, поки не будуть перебрані всі рядки.

У процесі перебору визначаються коди кольорів перших чотирьох пікселів кадру (фіксовані кольори). Надалі при збігу коду кольору з вже визначеним, його координата в рядку заноситься в двомірний масив, лічильниками якого є рядки растрового зображення і фіксовані кольори. Таким чином, після обробки всіх рядків кадру отримуємо масив координат в пікселях точок кривих. Координаті Х відповідає значення осередку масиву за шуканому кольором розташування пікселя в рядку, координаті Y відповідає індекс масиву номер рядка. Знаючи дозвіл по горизонталі і вертикалі (із заголовка файла), неважко перейти до істинних координат (мм). Наступним етапом є перерахунок всіх отриманих значень в систему координат, в якій осьова лінія фотограми буде займати суворо прямовисне положення, оскільки при скануванні фотоплівки її неможливо так розташувати з достатньою точністю.

При обробці наступного кадру положення початку осьової лінії відносно краю кадру приймається рівне положенню осьової лінії першого кадру, а горизонтальна координата точок профільних ліній змінюється на відповідну різницю положень осьових ліній першого і поточного кадрів. Таким чином відбувається перерахунок координат всіх точок в систему першого кадру і математична зшивка зображень.

Після перетворення координат всіх зображень профільної лінії в необхідну систему координат першого кадру і перерахунку їх піксельних значень в міліметри, отримуємо кутові відхилення кривої. Внаслідок обробки однієї профільної лінії кінцевий масив даних буде містити кутові відхилення провідників в лобовій і боковій площині і вертикальні координати положення ярусів в стовбурі. Наступним етапом є збереження отриманих координат у відповідні текстові файли і побудову кінцевого профілю провідників.

Приведені технологічні схеми контролю стану армування у вертикальних шахтних стовбурах для геометричного способу і станцій СІ показують, що існують реальні можливості автоматизації камеральної обробки польових вимірювань. Застосування сучасної обчислювальної техніки дозволяє значно скоротити кількість ручних операцій, спростити процес створення кінцевого профілю провідників і підвищити його точність.

У третьому розділі встановлюється залежність динамічної взаємодії рухомої підіймальної посудини на армування від міри викривлення провідників.

Відомо, що основною причиною виникнення динамічних навантажень є викривлення провідників. Якщо зв'язати ці два параметри математичною залежністю, то отримуємо можливість моделювання стану армування, а саме, змінюючи викривлення провідників на якій-небудь дільниці, стежимо за тим, як змінюється динамічне навантаження, а отже і величина зносу провідника. Основою для створення такої моделі є розроблена М.Г. Гаркушей і В.І. Дворніковим методика розрахунку армування вертикальних шахтних стовбурів, що використовується проектними організаціями при будівництві шахт в цей час.

Для встановлення взаємозв'язку між параметрами викривлень провідників і динамічними навантаженнями, диференціальні рівняння руху підіймальної посудини були записані в нелінійній формі в неконсервативному формулюванні, засновуючись на рівняння Лагранжа.

Для рішення цього рівняння виходили з того, що в більшості випадків руху посудини у вертикальному напрямі, тобто вздовж стовбура, потрібно вважати заданим, тобто координату положення центра інерції посудини можна представити у вигляді функції Z(t), де t - час. Беручи до уваги той факт, що судина має п'ять мір свободи - дві координати центра інерції судини в горизонтальних напрямах X, Y (осі X, Y, Z утворять праву систему координат) і три кути повороту судини j, y і q відносно осей X, Y, Z відповідно, а також знаючи всі його геометричні параметри, можна за допомогою головних центральних моментів інерції отримати кінетичну енергію судини.

Узагальнені сили Qi у разі обладнання судини жорсткими направляючими пристроями ковзання (черевиками) є нелінійними функціями переміщень, завдяки зазорам, що є в кінематичній парі "черевик - провідник". Крім того, ці зазори, в свою чергу, є функціями координати Z(t), оскільки провідники вважаються викривленими.

Зрозуміло, що доти, поки який-небудь із зазорів d (між посудиною і провідником) позитивний (d > 0), то сила взаємодії судини з провідником буде тотожно рівною нулю. В момент часу, коли величина зазора d стане рівної нулю (d = 0 відповідає вичерпанню зазора), черевик приходить в контакт з провідником і при негативних d відбувається деформація провідника на величину ЅdЅ. В цьому випадку, якщо вважати коефіцієнт жорсткості пружного провідника С відомим, то в рамках лінійної теорії деформацій сила взаємодії визначається вираженням Р = CЅdЅ.

У кінцевому результаті, шукана система рівнянь руху, виражена через узагальнені сили, що враховують появу відцентрових моментів інерції при позацентровій підвісці посудини, прийме вигляд:

m + gX = Q1,

IY + IXY + IZE + gy = Q2,

m + gY = Q3, (1)

IX + IYX + IZX + gj = Q4,

де IXY, IZY, IZX - відцентрові моменти інерції посудини.

Суворо кажучи, це випадкові функції в тому значенні, що якщо при деякому t функція f(t) відома, то t + Т (Т – яка-небудь константа) її значення неможливо передбачити.

Для рішення системи рівнянь руху використаний програмний пакет, в якому реалізований чисельний процес інтегрування рівнянь (1). Внаслідок рішення визначаються числові характеристики силової взаємодії посудини з викривленими провідниками для будь-якої конкретної підіймальної установки з параметрами, що визначаються паспортними даними обладнання і результатами маркшейдерських зйомок провідників. Програма дозволяє відображати на екрані дисплея графіки силових характеристик цієї взаємодії (рис. 1).

На рисунку буквами а) і в) показані графіки сил, виникаючі відповідно у верхньому і нижньому черевиках підіймальної посудини в лобовій площині і викривлення провідників в цій же площині; б) і г) те ж, але в боковій площині; д) швидкість руху посудини.

Рис. 1. Відображення бічних і лобових сил, виникаючих при руху посудини по провідниках.

Прогнозна зміна профілограми, зумовлена впливом отриманих силових характеристик, дозволяє оцінити відносний ресурс армування, вирішити ряд важливих прикладних задач, що стосуються міцності і довговічності елементів армування, але саме головне - забезпечити умови контролю безпеки експлуатації провідникового ставу, що є однією з найбільш відповідальних задач на вугільній шахті. Даний підхід до маркшейдерського контролю шахтного підйому є новим, раніше не був відмічений в маркшейдерській практиці.

Виявлення найбільш небезпечних дільниць в стовбурі по "портрету" руху посудини дозволяє також звернути увагу на необхідність ремонтних робіт в даному місці стовбура та навколо нього з метою усунення викривлень недопустимо великих величин.

Отримана картина руху посудини по реальному (викривленому) провідниковому ставу є деяка інваріанта для конкретної підіймальної установки на період між ремонтами провідників, що приводить до зміни їх просторового положення. Ця інваріанта буде практично однакова при багаторазовому повторенні циклів руху посудини, не буде залежати від початкових умов, (внаслідок нелінійності її характеру) крім виняткових ситуацій, коли сама судина при рушенні приводить до безповоротних деформацій провідників. Однак однакові навантаження провідників, що повторюються з циклу в цикл приводять до поступового їх зносу в одних і тих же місцях. Це буде сприяти закономірній зміні подальших профілограм.

Якщо розглядати яку - небудь конкретну точку на провідникові, що навантажується, наприклад, в лобовому напрямі силою P1, то можна затверджувати, що ця сила в даній точці буде незмінно повторюватися з циклу в цикл при підйомі навантаженої судини. При спуску порожньої судини в цій же точці незмінно буде повторюватися сила P2, яка, зрозуміло, не рівна P1.

Покладемо, що величина зносу провідника d пропорційна добктку сили, що діє на провідник, на швидкість руху посудини вздовж нього u, тобто

d = kи(P1 + P2)u, (2)

де kи - коефіцієнт зносу, викликаного тертям металу по металу (м/Вт).

Числове значення коефіцієнта kи отримане емпіричним шляхом і становить 1*10-10 м/Вт. Ця величина відповідає табличним значенням, отриманим в роботах Крагельського В.І. і інш., де значення коефіцієнта зносу для пружних деформацій варіює в межах від 1*10 - 6 до 1*10-12.

Величина d - знос провідника від одиничного акту впливу сил P1 + P2. У течії N циклів підйому сумарний знос складе

еd = kи(P1 + P2)uN, (3)

Оскільки P1, P2, u є постійні величини для конкретного місця провідника, то формула (3) може служити критерієм для прогнозу терміну служби провідника, відповідно з нормативами зносу.

Виявлення найбільш небезпечних дільниць в стовбурі по "портрету" руху посудини дозволяє також звернути увагу на необхідність ремонтних робіт в даній точці стовбура і в її околицях з метою усунення викривлень недопустимо великих величин. Крім того, використовуючи формулу (3) неважко перейти до величин зносу провідників, що прогнозуються. Використовуючи ту обставину, що силові характеристики взаємодії посудини з провідником є постійними для певного періоду часу (коли профіль провідника істотно не змінюється), можна встановити, за яку кількість циклів руху посудини знос провідника в конкретній точці досягне критичного (більше за 8 мм по ПБ) стану. На рис. 2 приведений фрагмент профілограми стану одного з провідників.

Перша лінія показує фактичне його положення в лобовій площині, друга - фактичний знос на момент виконання профілювання, третя - силову характеристику і четверта - знос провідника, що прогнозується через 30000 циклів руху посудини (тобто приблизно через один рік експлуатації стовбура). З графіка видно, що значне викривлення провідника між 92 і 95 ярусами становить 54 мм, відхилення між кожним з цих ярусів на вказаному інтервалі перевищує допустимі ПБ 10 мм. При цьому створюється два піки динамічних навантажень порядку 100 kH на інтервалах між 93 ё 94 і 95 ё 96 ярусами. Крім того, на цьому ж графіку виразно помітні резонансні затухаючі коливання з пиками на 74 і 102 ярусах тобто на 7 - 8 ярусів вище і нижче викривленої дільниці. Внаслідок такої взаємодії через один рік експлуатації стовбура через викривлення провідника на 4-х ярусах збільшення зносу на 1 - 3 мм станеться на 20-ти ярусах.

На основі цього можна робити висновки про періодичність виконання профілювань маркшейдерськими станціями. Основою для розрахунку служать ті ж вимоги ПБ про допуски на викривлення провідників і їх знос. Іншими словами, необхідність виконання цього вигляду робіт виникне тоді, коли, або величина зносу перевищить 8 мм, або коли через знос збільшиться відхилення між ярусами більш ніж на 10 мм. Однак, така задача повинна бути вирішена для кожного конкретного стовбура окремо.

Рис. 2. Фрагмент графіків стану провідника.

Розроблена програма моделювання руху посудини повинна застосовуватися на конкретній установці від моменту здачі її в експлуатацію і регулярно при проведенні налагоджувальних робіт і маркшейдерських зйомках профілю провідників.

Теоретичні обгрунтування моделі стану провідникового ставу підтверджуються натурними вимірюваннями величин зносу. Крім того, дана модель може бути відкалібрована за цими вимірюваннями, з урахуванням конкретних умов стовбура.

Запропонована технологія обробки польових вимірювань дозволяє отримати якісно нові відомості про стан армування стовбура і зробити відповідні висновки про необхідність ремонтних робіт. На основі профілограми провідників, швидкості руху судини, його маси і цілого ряду інших чинників можна отримати силову картину взаємодії провідників з судиною, яка, в свою чергу, дозволяє судити про міру знесення провідників в конкретному місці стовбура. Розроблене програмне забезпечення дозволяє не тільки отримувати результати за конкретними даними, але і моделювати фізичні процеси, що відбуваються в стовбурі, домагаючись такого стану, при якому система "провідник - посудина" буде найбільш стабільної, тобто сили взаємодії будуть мінімальними. Тільки після цього можна видавати висновки про виправлення стану армування.

У четвертому розділі приведені геометрична і функціональна схеми нової станції, конструкції датчиків і пристроїв реєстрації інформації.

Каретки станції являють собою дюралеві конструкції, на яких змонтовані датчики вимірювання кутових відхилень і зносу провідників, датчики ширини колії і електронна апаратура. Каретки виконані однотипно, але відрізняються наявністю на одній з них додаткового датчика шляху, схеми підсумовування сигналів двох датчиків ширини колії і датчика розстрілів. Схема каретки представлена на рис. 3. На базових кронштейнах 4 жорстко змонтовані опорні ролики 2 і жваві ролики 3 з датчиками бічного зносу. Стягувільни пружини і реборди роликів дозволяють жорстко втримувати каретку в боковій площині провідника 1. Ролики 2 і 3 виконані знімними і призначені тільки для рейкових провідників. Вони замінюються іншими при профілюванні коробчастих провідників (на схемі не показані). На проміжних кронштейнах 6 і 6' закріплені проміжні ролики, які служать для стійкого руху каретки по розривах і стиках провідників. У одному з них (6') змонтований датчик шляху. На центральній опорній планці 7 розташований кульовий шарнір 8 і блоки з датчиками лобового зносу 9. Кронштейни сполучені стягувільними шпильками 5. На кронштейнах закріплені датчики вертикальності 10. Датчики вертикальності і з'єднувальні роз'ємники закриті кришками (на схемі не показані), які оберігають блоки каретки від механічних пошкоджень при роботі в стовбурі.

Датчик вертикальності провідників (ДВП). ДВП призначений для вимірювання відхилень положення провідника від вертикального положення. Прилад складається з наступних частин (рис. 4): 1 - чутливий елемент; 2 - шторка оптичного перетворювача; 3 - пружний елемент маятника; 4 - регулювальник демпфування; 5 - несучий кронштейн датчика; 6 - гвинт кріплення маятника; 7 - плата попереднього підсилювача і фільтрів; 8 - корпус; 9 - роз'єм для підключення; 10 - кришка корпусу; 11 - гумові ущільник.

Чутливий елемент являє собою фотоелектричний перетворювач, який виконаний у вигляді одного випромінюючий інфрачервоного світлодіода 1 (рис. 5) і двох диференціально включених фототранзисторів 2. Оптичний канал чутливого елемента перекривається шторкою 3, закріпленою на маятнику датчика.

У вертикальному положенні інтенсивність освітлення обох фототранзисторів однакова. При проходженні каретки по викривлених дільницях провідника відбувається відхилення маятника, а отже і шторки в напрями, вказані стрілками. При цьому на один з фототранзисторів попадає світловий потік більшої інтенсивності, ніж на іншій, що приводить до появи електричного сигналу на виході вимірювального моста, в який включені фототранзистори.

У інших датчиках (ширини колії, бічного і лобового зносу провідника) використовуються резистивні перетворювачі, шестерні яких приводяться в руху жвавими елементами вимірювальних конструкцій.

Рис. 3. Схема конструкції кареток станції

Рис. 4. Схема датчика вертикальність. Рис. 5. Фотоелектричний перетворювач (вигляд зверху).

Всі виміряні значення поступають в блоки бортових попередпідсилювачей, що розміщені на каретках, а потім в блок зберігання інформації БЗІ. БЗІ складається з блоку масштабуючих підсилювачів з фільтром, аналогово-цифрового перетворювача, оперативного запам'ятовуючого пристрою, схеми управління записом і прочитанням, а також перетворювача паралельного коду в послідовний. Передача даних в портативний комп'ютер здійснюється через послідовний інтерфейс.

При розробці станції були реалізовані нові конструктивні рішення, що використовуються при вимірюванні кутових відхилень провідників, ширини колії і зносу провідників, що дозволяють повністю автоматизувати процес збору інформації і підвищити точність параметрів, що вимірюються. Порівняльний аналіз характеристик точності станції СІ і нової станції приведений в таблиці 1.

Таблиця 1.

Зведена таблиця характеристик точності вимірювальних станцій.

Вимірювальна величина Точність

Станція СІ Нова станція

Кутові відхилення 1' 40”

Ширина колії 3 мм 0.36 мм *

Знос провідника не вимірюється 0.25 мм *

* - врахована лише точність датчика.

Крім цього, застосування електронного способу реєстрації параметрів, що вимірюються дозволяє істотно спростити камеральну обробку, а, отже, підвищити продуктивність і знизити трудомісткість робіт.

У п'ятому розділі приведений опис структури вихідної інформації і алгоритми побудови кінцевого профілю для різних способів профілювання, а так само розроблене автором програмне забезпечення.

Внаслідок виконання робіт по профілюванню провідників геометричним способом ідбувається накопичення наступних типів даних: лінійні відхилення провідників на кожному ярусі в лобовій і бічній площинах для кожного провідника; ширина колії, виміряна на кожному ярусі; зазори безпеки і відстані від провідників до стінок стовбура, так само виміряні на кожному ярусі. Крім того фіксуються відстані між розстрілами, їх кількість і глибина стовбура.

Досвід показує, що найбільш оптимальним варіантом представлення даних є файлова база даних, в якій кожний елемент стовбура представлений у вигляді окремого файла. Розширення файлів характеризують тип інформації, що зберігається: OTK - відповідає файлам з лінійними відхиленнями провідників; KOL - ширині колії між провідниками; STN - виміряні значення стінок стовбура. Ім'я файла відповідає унікальному елементу стовбура. Наприклад, файл, що містить лінійні відхилення 1-го провідника в лобовій площині носить ім'я p1lob.otk, ширина колії між 1-м і 2-м провідниками зберігається в файлі з ім'ям. k1-2 kol. Застосування такої бази даних зумовлене тим, що існуюча різноманітність перетинів стовбурів не дозволяє застосовувати для побудови профілю який-небудь типізований файл, в якому були б зведені всі виміряні величини.

Алгоритм побудови кінцевого профілю зводиться до побудови профільної сітки, нанесення на неї профільних ліній провідників, значень ширини колії і профільних ліній стінок стовбура. Розроблене програмне забезпечення дозволяє виконати ці етапи, використовуючи заздалегідь заповнені бази даних.

Застосування даного програмного забезпечення дозволить значно спростити камеральну обробку, підвищити точність і швидкість отримання кінцевого профілю. У таблиці 2 приведений порівняльний аналіз трудовитрат на камеральну обробку при геометричному способі і станцією СІ для існуючої технології, і технології що пропонується.

Таблиця 2

Порівняльний аналіз трудовитрат на камеральну обробку при геометричному способі і станцією СІ.

Геометричний спосіб Станцією СІ

Існуючий Що пропонується Існуючий Що пропонується

Побудова монтажного креслення 4 чол./зміни Занесення даних в ЕОМ і побудову профілю 1 чол./зміна Обробка плівок на інтеграторі 2 чол./зміни Сканування фотоплівок на планшетному сканері 0,5 чол./змін

Викреслення кінцевого профілю на лавсановій плівці 3 чол./зміни Роздрук на принтері 0,5 чол./змін Побудова монтажного креслення 4 чол./зміни Обробка зображень фотоплівок і побудова профілю на ЕОМ 1 чол./зміна

Викреслення кінцевого профілю на лавсановій плівці 3 чол./зміни Роздрук на принтері 0,5 чол./змін

Всього 7 чол./змін Всього 1,5 чол./змін Всього 9 чол./змін Всього 2 чол./змін

ВИСНОВОК.

Внаслідок досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, була вирішена актуальна науково-технічна задача автоматизації контролю стану армування у вертикальних шахтних стовбурах, заснована на використанні профілюючої станції нової конструкції, а так само комплексу математичних моделей і алгоритмів камеральної обробки результатів профілювання існуючими способами.

Основні наукові і прикладні результати перебувають в наступному:

1. На основі аналізу існуючих методів і станцій для профілювання провідників у вертикальних шахтних стовбурах розроблена конструкція автоматичної профілюючої станції; при цьому реєстрація кутових відхилень провідників від вертикалі, ширини колії, а також значень лобового і бічного зносу рейкових провідників здійснюється за допомогою електронних датчиків; параметри, що вимірюються заносяться в оперативний запам'ятовуючий пристрій блоку реєстрації в форматах, що забезпечують їх подальшу комп'ютерну обробку.

2. Розроблена технологія обробки фотограм провідників, отриманих при вимірюванні станціями СІ, що передбачає сканування фотограм і комп'ютерну обробку їх растрових зображень для отримання цифрових профілів провідників і їх графіків; обробка сканерних зображень фотограм базується на розшифровці структури графічного файла і автоматичного розпізнавання образів профільних ліній.

3. Створений діючий робочий зразок станції для профілювання провідників у вертикальних шахтних стовбурах, що складається з двох вимірювальних кареток на яких розташовані електронні датчики семи типів; системи електронної реєстрації сигналів, що включає в себе блок масштабуючих підсилювачів з фільтрами, аналогово-цифровий перетворювач сигналів, оперативний запам'ятовуючий пристрій, схеми управління записом прочитанням; портативний комп'ютер типу "NoteBook". Електронні датчики фіксують величини лобових і бічних відхилень провідників від вертикалі, ширину колії, лобового і бічного зносу рейкових провідників, пройдений шлях, кількість і розташування ярусів армування.

4. Розроблена технологія профілювання за допомогою нової автоматичної станції.

5. Розроблене програмне забезпечення для камеральної обробки результатів профілювань, виконаних різними способами (геометричним, станціями СІ, новою станцією).

6. Розроблена програма комп'ютерної обробки растрових зображень фотограм провідників, отриманих при вимірюваннях станціями СІ. Використання даної програми дозволяє в 7-10 разів скоротити трудовитрати на камеральну обробку і на 40-50% підвищити точність побудови профільних ліній.

7. Створена математична модель руху підіймальної судини у викривлених провідниках, що дозволяє отримати силові характеристики взаємодії судини з армуванням стовбура і визначити найбільш несприятливі, з точки зору динаміки, дільниці провідника.

8. Обгрунтований вплив викривлення провідників на міру їх зносу. Розроблений алгоритм і програмне забезпечення для визначення зносу провідника за результатами профілювання провідників маркшейдерськими станціями.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Шевченко Є.М. Основні проблеми стану маркшейдерського контролю вертикальних шахтних стовбурів // Збірник наукових трудів НГА України №7, Том 2. Маркшейдерія і геодезія. Розробка родовищ корисних копалин. Геоінформаційні технології в гірництві і геології. Дніпропетровськ.: РИК НГА України, 1999. С. 95-98.

2. Шевченко Є.М., Дворніков В.І. Вплив викривлень провідників вертикальних шахтних стовбурів на виникнення динамічних навантажень в системі "судина - армування"// Известия Донецкого горного института: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірського профілю, №1 2000 р. Донецьк.: ДонГТУ С. 49-50.

3. Шевченко Є.М. Прогнозування місцевого зносу рейкових провідників вертикальних шахтних стовбурів в залежності від міри його викривлення// Известия Донецкого горного института: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірського профілю, №2 2000 р. Донецьк.: ДонГТУ С. 47-49.

4. Шевченко Є.М., Грищенков М.М. Розробка автоматизованої технології обробки фотограм при профілюванні вертикальних шахтних стовбурів за допомогою станцій СІ-5 // Збірник праць. Всеукраїнська науково - технічна конференція "Сучасні шляхи розвитку маркшейдерсько-геодезичних робіт на базі передового вітчизняного і зарубіжного досвіду" (21-23 травня 1997 р.) Дніпропетровськ, НГА, 1997.С. 57-60.

Особовий внесок здобувача у публікації:

[2] – запропоновано для встановлення взаємозв'язку між параметрами викривлень провідників і динамічними навантаженнями, записувати диференціальні рівняння руху підіймальної посудини з урахуванням розсіювання енергії, тобто в нелінійному вигляді.

[4] – розробка технології камеральної обробки результатів вимірювань і алгоритму розшифровки растрового файла.

АННОТАЦИЯ

Шевченко Е.Н. Разработка автоматизированной системы маркшейдерского контроля проводников вертикальных шахтных стволов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 – "Маркшейдерия". Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Одной из наиболее важных задач, выполняемых маркшейдерскими службами угольных предприятий или специализированными маркшейдерскими организациями, является контроль состояния проводникового става вертикальных шахтных стволов. Искривленность проводников и степень их изношенности имеют большое значение в вопросах безопасности и надежности эксплуатации шахтных подъемов, а, следовательно, и всего угледобывающего предприятия в целом.

В диссертационной работе рассмотрены основные способы профилирования проводников, их достоинства и недостатки. Кроме этого, большое внимание уделяется как вопросам измерения искривлений и износа проводников, так и причинам их возникновения.

Анализируя литературные источники по данному вопросу и собственный опыт профилировок проводников, были сформулированы требования, которым должна удовлетворять современная измерительная аппаратура. Во-первых, небольшие габариты и вес кареток, база каретки должна быть не более 500-600 мм, ширина и высота – не более 200 мм, что позволит монтировать их в любых условиях. Во вторых, необходимо обеспечить запись всех измеряемых параметров на электронные носители, что позволит существенно сократить камеральные работы. В третьих, обеспечить универсальность подвеска оборудования для того, чтобы его можно было использовать на любых типах подъемных сосудов и противовесов. В четвертых, в качестве измерительных систем для определения отклонения проводников от вертикали использовать маятниковые инерционные датчики, обладающие достаточной точностью и надежностью по сравнению с системами, основанными на измерении стрелы прогиба или гироскопами.

С учетом всех вышеперечисленных требований был разработан и создан действующий рабочий образец станции, позволяющей измерять отклонения проводников в лобовой и боковой плоскости, расстояние между проводниками и величины износа рельсовых проводников в лобовой и боковой плоскостях. Указанный набор данных обеспечивает получение наиболее полной и объективной картины состояния проводникового става.

Сопоставляя большое количество измеренных искривлений проводников и величин износа на одноименных участках, получены корреляционные зависимости, на основе которых была разработана математическая модель состояния проводника. Данная модель позволяет прогнозировать изменение параметров проводника за определенный период времени или за заданное количество циклов движения подъемного сосуда. В качестве прогнозируемого параметра принята величина износа проводника. Влияющими параметрами являются величины искривлений проводников в лобовой и боковой плоскостях, а так же паспортные данные конкретной подъемной установки (скорость движения сосуда на различных участках ствола, его масса и величина загрузки, геометрия подвески, толщина каната и направление его навивки и т.д.). Установление зависимости износа проводника от степени его искривленности основывается на использовании уравнений Лагранжа, в которых учтена величина рассеивания энергии движущегося подъемного сосуда. Другими словами уравнения записаны в нелинейной форме в неконсервативной формулировке. Для решения систем уравнений использован численный процесс интегрирования. В результате решения определяются числовые величины силового взаимодействия движущегося подъемного сосуда с искривленными проводниками.

Величина износа проводника за один цикл движения подъемного сосуда пропорциональна сумме силе взаимодействия порожнего сосуда при движении его вверх и груженого сосуда, движущегося вниз с проводником и скорости движения сосуда. В качестве коэффициента пропорциональности используется коэффициент износа, вызванного трением метала о метал. Значение этого коэффициента определено эмпирическим путем и является среднестатистическим. Зная количество циклов движения сосуда за один год можно получить суммарный годовой износ проводника. Эта величина будет приблизительной из-за применения усредненного значения коэффициента износа. При проведении повторного измерения параметров проводников разработанной станцией через тот же интервал времени (через один год) будут получены фактические величины износа проводника, по которым можно уточнить значение коэффициента износа с учетом конкретных условий данного ствола. Таким образом, разработанная математическая модель будет являться самокалибрующейся, что способствует получению объективной картины, отражающей фактическое состояние проводника.

Разработанное программное обеспечение позволяет значительно упростить камеральную обработку полевых измерений, быстро и качественно получать конечный профиль проводников для