Тема: АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВО-СТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Актуальность работы. Карьеры характеризуются высокой производительностью труда, низкими производственными затратами, целостностью добычи полезных ископаемых, оптимальными и относительно безопасными условиями труда. Полная разработка и добыча полезных ископаемых должна сопровождаться минимальным объемом вскрышных работ. И наоборот, достичь минимального покровного слоя в карьере возможно только тогда, когда решена проблема обеспечения устойчивости бортов карьера.
Актуальность работы обосновывается повышением эффективности и безопасностью работ на прибортовых и отвальных массивах, позволяющих его управлять параметрами бортов в процессе эксплуатации.
На основе нового метода контроля за уступами и боковыми откосами организована система геомеханического мониторинга устойчивости бортов карьеров, включающая создание оптоволоконных датчиков, выбор высокоточных методов и методов измерения, математическую обработку результатов наблюдений, а также анализ и прогноз устойчивости бортов карьера.
Преимущества волоконно-оптических датчиков и технологий применительно у устойчивости бортов карьеров: использование данных систем для контроля геотехнических параметров, позволяющих обеспечить необходимый уровень безопасности проведения горных работ с минимальными затратами энергии; нет необходимости в нескольких источниках питания; опасность взрыва, чтобы гарантировать, что оптическое волокно не должно быть причиной искр; высокая коррозионная стойкость; устраняет воздействие электромагнитных помех; датчики оптического волокна более чувствительны и стабильны, их легко повторно использовать в линиях связи. В отличие от традицинных инструментальных наблюдений и новых способов (сканирование бортов разреза) волоконно-оптические датчики имеют ряд существенных преимуществ по скорости измерений и нечувствительны по многим внешним воздействиям. При
этом энергозатраты десять раз меньше, чем передача информации по эфирам или медному кабелю. Стоимость 1 км волокна на сегодняшний день составляет порядка 10 $ США, что позволяет создать недорогие системы контроля с протяженностью десятки километров.
Разработка аппаратно-программного комплекса контроля устойчивости бортов карьера с использованием волоконно-оптических датчиков смещения реперного типа обладает низким затуханием сигнала и высоким уровнем помехозащищенности, что позволяет с высокой точностью определять любые механические воздействия на горный массив, и это очень актуально.
Объектом исследования в представленной работе является комплекс контроля процесса смещения горных пород, позволяющие управлять параметрами бортов карьера в процессе эксплуатации и обеспечивающие защиту персонала от внезапного обрушения.
Предметом исследования являются геотехнические параметры смещения бортов карьера, определяющие определенные виды опасности обрушения, возникающих при работе технологического оборудования, участвующие в процессе добычи полезного ископаемого .
Целью работы является создание нового метода на основе аппаратно-программного комплекса контроля устойчивости бортов карьера с использованием волоконно-оптических датчиков смещения горных пород для повышения эффективности добычи полезных ископаемых и безопасности ведения работ на карьере.
Для того, чтобы достичь цели определены следующие задачи:
- изучить процессы нарушения устойчивости карьерных откосов и причины их проявлений;
- проанализировать существующие методы контроля геотехнических параметров бортов карьера и бермы;
- выполнить моделирование механических воздействий на оптическое идентификации перемещений и деформаций горного массива;

- разработать опытный образец волоконно-оптического датчика смещения и деформации горного массива карьера;
- провести лабораторные исследования экспериментального образца волоконно-оптического датчика;
- разработать аппаратно-программный комплекс контроля (АПКК) параметров устойчивости бортов карьеров.
Научная новизна заключается в следующем:
1) предложен новый метод контроля смещений бортов карьера с применением волоконно-оптических датчиков на основе спектрального анализа интенсивности пикселей светового пятна Пуансона с Г ауссовским распределением, сформированного на торце оптического волокна, падающего на поверхность фотоматрицы высокого разрешения при изменении его коэффициента преломления.
2) получены новые научно-обоснованные данные исследования опытного образца волоконно-оптического датчика, позволяющего контролировать смещения горных пород прибортового массива открытых разработок с точностью до 0,1 мм, что дает возможность прогнозировать образование и рост трещит на ранней стадии их развития, что повышает эффективность добычи полезных ископаемых и уровень безопасности ведения горных работ.
3) разработан алгоритм управления работой многоканального аппаратно - программного комплекса контроля устойчивости бортов карьеров с использованием волоконно-оптических датчиков смещения, выполняющий интеллектуальный анализ изменения свойств световой волны, проходящей по одномодовому оптическому волокну стандарта G652 с обработкой полученных данных и выдачей численного значения смещения горных пород.
Практическая значимость заключается в использовании теоретических основ спектрального анализа изменений интенсивности пикселей при механическом воздействии на оптическое волокно для создания нового метода контроля смещения горных пород. Практическая значимость заключается в разработке опытного образца комплекса контроля смещения с аппаратно- програмным комплексом для мониторинга геотехнического состояния бортов карьеров. Разработка прошла практическую апробацию на предприятиях Карагандинского угольного бассейна ведущие открытые разработки. Практическая значимось подтверждается протоколом заседания технологической службы ТОО «Акжарык Комир», актом внедрения на ТОО «Научно-технический центр «Альтернатива»», актами внедрения в учебный процесс НАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова». Предлагаемый совершенно новый, но в тоже время простейший метод контроля имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с используемыми методами контроля, имеющие периодичность и основанные на использовании ручного труда.
Основные положения выносимые на защиту
1. Физико-математическая модель процесса преобразования внешних оптических сигналов, сформированных в одномодовом оптическом волокне, которые трансформируются в визуальные сигналы в формы пятна Пуансона с Гауссовским распределением, что позволяет с помощью оптических методов контролировать смещения горных пород.
2. Методика контроля смещения бортов карьера, обеспечивающая точность измерения 0,1 мм, за счет численной оценки изменения параметров световой волны, падающей на поверхность фотоматрицы, установленной на выходе из оптического волокна при механическом воздействии на него, вызывающем изменения спектральной плотности светового пятна и переходом пикселей от одного состояния интенсивности в другое.
3. Аппаратно-программный комплекс контроля с использованием волоконно-оптических датчиков для прогноза и непрерывного дистанционного контроля устойчивости состояния бортов карьеров, базируется на сравнении изменений параметров светового пятна и процесса перехода пикселей от одного состояния в другое.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных исследований подтверждена результатами выполненных теоретических и экспериментальных исследований конструкции датчика; достаточным объемом лабораторных и стендовых испытаний; корректным проведением экспериментальных исследований с использованием поверенных установок в сертифицированной лаборатории; корректной постановкой цели и задачи исследования; хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов. Ценность научной работы соискателя подтверждается публикациями в журналах, входящих в перечень ВАК, а также журналах, индексируемых в международных базах данных WoS, Scopus.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, в проведении анализа научных достижений по теме научной работы, в проведении экспериментов с последующей обработкой результатов, в статистической обработке данных лабораторных и натурных испытаний бортов карьеров, в определении задач научно-квалификационной работы, формированию выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций.
Апробация работы и публикации
Приведенные в данной диссертационной работе материалы представлены на следующих конференциях:
1. Международная научно-практическая конференция «Информационно- измерительная техника и технологии» (Томск, 2018);
2. Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации» (Караганда, 2018);
3. 11-ая Международная конференция «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (Караганда, 2019);
4. Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации» (Караганда, 2019);
5. V Международная конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest (Екатеринбург, 2019);
6. Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации» (Караганда, 2020);
7. Республиканская студенческая научная конференция «Вклад молодежной науки в реализацию Стратегии «Казахстан-2050» (Караганда, 2020);
8. Международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации» (Караганда, 2020)
9. Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации» (Караганда, 2021);
10. Международная научно-теоретическая конференция «Сейфуллинские чтения - 17: «Современная аграрная наука: цифровая трансформация», посвященная 30-летию независимости Республики Казахстан (Нур-Султан 2021);
11. II Международная научно-техническая конференция «Smart Energy Systems 2021» (Казань, 2021);
12. X Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2021);
13. Международная научно-практическая конференция «Электрические сети: Надежность, Безопасность, Энергосбережение и Экономические аспекты» (Казань, 2022);
14. Международная научно-практическая конференция «Сейфуллинские чтения 18 (2) на тему «Наука XXI века - эпоха трансформации", посвященной 65- летию КАТУ имени Сакена Сейфуллина»» (Астана, 2022).
Результаты исследования были доложены на заседании геотехнической службы карьера ТОО «Акжарык Комир» и внедрены на объектах исследования
ТОО «Научно-технический центр «Альтернатива»».
Публикации. Основные результаты исследования по теме диссертации представлены в форме докладов на 19 международных конференциях, из них 7 докладов были оформлены в виде статей, индексируемых в международных базах данных WoS, Scopus. По теме диссертации опубликованы 8 статей в рецензируемых журналах, входящих в наукометрические базы данных WoS, Scopus, рекомендованные ВАК РФ. Новизна разработок подтверждается 2 полученными патентами РК и 1 свидетельством интеллектуальной собственности.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 16 2 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 8 таблиц, список цитируемой литературы представлен 110 наименованиями. Имеются 2 приложения.
Во введении приведено обоснование актуальности работы, поставлены цели диссертационной работы, показывается практическая ценность работы, излагаются научные результаты.
В первой главе приведены основные краткие горно-геологические характеристики месторождений полезных ископаемых Казахстана, проведен анализ факторов, влияющих на развитие геомеханических процессов бортов карьеров , сделан сравнительный анализ каждого метода контроля устойчивости бортов карьера и примеры их применения . Выполнен обзор волоконно-оптических датчиков и их применение, выявлены преимущества по сравнению с традиционными датчиками.
Во второй главе представлена основа физико-математической модели процесса преобразования внешних оптических сигналов в визуальные сигналы, позволяющие с помощью оптических методов объяснить возникновения смещения в горных породах. Построены выражения , позволяющие выполнить расчет смещения величины интенсивности светового сигнала с помощью анализа зависимости показатей преломления света от геометрических характеристик пород и условия деформации.
В третьей главе проведены экспериментальные исследования теоретических положений, описанных во второй главе. Обработаны результаты экспериментальных исследований при использовании оптического волокна для построения комплекса контроля смещений бортов карьеров. Проанализированы существующие методы контроля устойчивости бортов карьеров и предложен метод контроля с использованием Single Mode оптического волокна стандарта G.652 в качестве волоконно-оптического датчика. Показано, что управляемый аппаратно-программный комплекс контроля с использованием волоконно-оптических датчиков смещения с низким коэффициентом затухания сигнала и высокой помехозащищённостью формируют возможность с высокой точностью до 0,1 мм контролировать подвижку бортов карьера и прогнозировать внезапные обрушения прибортового массива.
В четвертой главе проведена разработка аппаратно-программного комплекса контроля с использованием волоконно-оптических датчиков смещения и схемы соединения. Реализована практическая апробация аппаратно-программного комплекса контроля с использованием волоконно-оптического датчика в условиях предприятий. Развитие и внедрение аппаратно-программного комплекса контроля с использованием волоконно-оптических датчиков смещения позволяет своевременно контролировать и уведомлять персонал о возникающих опасностях, что не вызывает сомнений в актуальности и использовании предложенного научно-технического решения.
В конце каждой главы представлены выводы.
В заключении приведены основные научные знания, представленные в виде результатов диссертационной работы.
Купить

Диссертационная работа представляет собой завершенную работу, в которой содержится новое решение актуальной научной и практической задачи - контроль за состоянием устойчивости бортов карьера с целью повышения безопасности и эффективности эксплуатации угольных разрезов в условиях повышенной опасности по внезапному обрушению бортов карьеров.
Основные научные и практические результаты научно-квалификационной работы заключаются в следующем:
1. Проведен анализ краткой горно-геологической характеристики месторождений полезных ископаемых, который показал, что открытые разработки по глубине карьеров на некоторых месторождениях достигают до 400-600 м, а некоторые в пределах от 100-300 м. С ростом глубины карьера растет и срок службы бортов карьера. Все открытые разработки характеризуются наличием карьеров с огромным сроком службы, которые превышают 60-летний рубеж и более, когда в среднем расчетный проектный срок колеблется в пределах от 20 до 30 лет. В связи с ростом глубины карьера, как правило ухудшаются геотехнические и геомеханические параметры устойчивости бортов карьеров.
2. Анализ существующих методов контроля устойчивости бортов карьера выявил достоинства и недостатки каждого метода. Определил, что в настоящее время развитие карьеров характеризуется усовершенствованием новых процессов и приобретением новых средств, новейших технологических решений при добыче месторождений полезных ископаемых для безопасной и бесперебойной работы в горнодобывающей промышленности. Масштабы горных предприятий требуют постоянного контроля за происходящими геотехническими, геомехани- ческими процессами устойчивости бортов карьеров в период эксплуатации. В связи с этим карьеры должны быть снабжены автоматизированным комплексом контроля дистанционного управления устойчивости бортов карьеров для обеспечения безопасной работы на горнодобывающих предприятиях.
3. Выполнен обзор волоконно-оптических датчиков, их применение, а также выявлены преимущества по сравнению с традиционными датчиками. Анализ показал, что волоконно-оптические датчики - хорошие диэлектрики, не подверженные к влиянию электромагнитных помех. Данный факт позволяет использовать их на горных предприятиях, опасных по взрыву газа и пыли. Данные позволяют спланировать проведение дальнейших экспериментов.
4. Приведены основы математического моделирования дифракционной решетки для датчиков, где показана модуляция интенсивности решетки и физикоматематическая модель параметров системы контроля оптическим сигналом с использованием датчика. Можно сделать вывод, что 100% изменение интенсивности будет тогда, когда решетки сдвинуты друг от друга на величину a (£). А при этом чувствительность к смещению и динамический диапазон регулируются вместе. Сверхвысокая чувствительность получается за счет динамического диапазона. Волоконно-оптические датчики с подвижными решетками могут применяться для измерения любого параметра, изменение которых проявляйся через движение и перемещение двух решеток.
5. Сформулирована основа физико-математической модели процессов преобразования внешнего светового сигнала в визуальный сигнал, позволяющий с помощью методов квантовой волновой оптики интерпретировать процесс возникновения различного рода дефектов в горных породах в следствии смещении под действием внешних нагрузок.
6. Построены выражения позволяющие выполнить расчет смещения величины интенсивности светового сигнала в деформированной породе путем анализа зависимости показателей преломления света от геометрических характеристик пород, его температуры и условия деформации.
7. Приведен процесс моделирования деформации на оптическое волокно. Для численного анализа и моделирования воздействия деформации на приборто- вой массив был использован метод конечных элементов ANSYS STATIC STRUCTURAL. Выполнена имитация смещения оптического волокна, которое является датчиком, при изменении прибортового массива в случае образования трещины, грозящей обрушением бортов карьера.
8. Были разработаны два метода контроля: первый метод контроля изменения пикселей светового пятна, сформировавшегося на выходе из оптического волокна и падающего на поверхность фотоматрицы; второй метод основан на контроле вносимых дополнительных потерь световых волн проходящей по оптическому волокну при механическом воздействии и возникновении натяжения.
9. Использование оптического волокна в качестве датчика в комплексе с системой обработки, является весьма перспективным и позволяет дистанционно контролировать смещения, наблюдая за устойчивостью бортов карьеров в режиме реального времени. Полученные результаты лабораторных исследований позволяет утверждать, что разработанный волоконно-оптический датчик имеет достаточно хорошую линейность характеристик .
10. Смоделированный датчик на основе оптического волокна имеет незначительную нелинейность. При натяжении сохраняется его стабильная линейная характеристика, что создает возможность использования его в качестве измерительного органа со стороны прибортового массива для контроля устойчивости бортов карьера внезапного его обрушения.
11. На примере ТОО «Акжарык Комир» представлено геологическое строение разреза, представлены горно-геологические и инженерно-геологические условия, гидрогеологическая характеристика, а также анализ нарушений устойчивости бортов карьера. Анализ мониторинга устойчивости бортов карьера, показал, что в настоящее время устойчивое состояние бортов карьера является одной из основных проблем при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.
12. Результаты практического применения разработанного аппаратно-программного комплекса контроля показали, что при использовании увеличения длины волны от 650 нм до 1625 нм дополнительные потери возрастают. В связи с этим рекомендуется использовать оптическое волокно с длиной волны 1310 нм. Разработанное программное обеспечение обеспечивает многоканальную обработку данных, полученных от волоконно-оптических датчиков.
13. Разработанный аппаратно-программный комплекс контроля устойчивости бортов карьеров с использованием волоконно-оптических датчиков позволяет контролировать дистанционно смещение прибортового массива. По результатам практического применения рекомендуется использовать оптическое волокно с длиной волны 1310 нм
Полученные научные результаты применимы в маркшейдерских и геотехнических службах горнопромышленных предприятий, о чем свидетельствуют протоколы рассмотрения и акты внедрения, представленные в Приложении Б.

Купить