Трехкомпонентный датчик деформации для системы геомеханического мониторинга состояния массива горных пород

Из года в год в отрасли горной промышленности происходят аварии, связанные с нанесением ущерба жизни и здоровью производственного персонала, сопровождающиеся большими материальными потерями (рис. 1). На этом фоне правила безопасности постоянно ужесточаются. Так, в 2016 году приказом Ростехнадзора № 450 от 31.10.2016 введена в действие ст. 6 ГОСТ Р 55154-2012 «Оборудование горно-шахтное. Системы безопасности угольных шахт многофункциональные. Общие технические требования» (МФСБ).

Рис. 1. Динамика аварийности в недропользовании

Исходя из сказанного выше, становится понятно, что на объектах горнодобывающей промышленности важное значение приобретает использование многофункциональных систем безопасности (МФСБ) и различных комплексов локальных методов. Так, в результате сотрудничества специалистов НМСУ «Горный» и предприятия ОАО «Авангард» был разработан трехкомпонентный датчик деформации для контроля процессов напряженно-деформационного состояния горных пород в выработках. Прототип датчика установлен на объединенном кировском руднике АО «Апатит», и в настоящее время проводится его опытная эксплуатация. По ее результатам будет принято решение о вводе в действие системы геомеханического мониторинга рудника.

В основе конструкции трехкомпонентного датчика деформации предусмотрено три индуктивных чувствительных элемента, что позволяет выполнять измерения по трем различным координатам — X, Y и Z. Полученные значения преобразуются в цифровой сигнал и передаются по интерфейсу RS-485 в программное обеспечение верхнего уровня. При данном мониторинге рудника для определения состояния горной породы в скважину устанавливается трехкомпонентный датчик деформации породы. Для фиксации в скважине используются три выдвижных упора, с внешним винтовым приводом. Измерения осуществляются одновременно по трем координатам.

На рис. 2 представлен общий вид трехкомпонентного датчика деформации.

Рис. 2. Трехкомпонентный датчик деформации

Основные характеристики трехкомпонентного датчика деформации приведены в таблице.

В отличие от решений, использовавшихся ранее, данный прибор позволяет:

• измерять три компонента деформации в одной точке скважины вместо бурения трех пар скважин;
• упростить установку большого количества точек измерения тензора деформации в подземных выработках.

Мониторинг состояния массива горных пород проводится по ряду причин, включая получение данных, необходимых для проекта выработки, таких как способность скальной массы к деформации или напряжение скальной породы; проверка проектных данных и предположений, позволяющая выполнять таким образом калибровку компьютерных моделей и корректировку методов добычи для увеличения стабильности; оценка эффективности существующей поддержки массива и предупреждение его потенциальных обвалов.

К числу самых простых решений, широко применяемых при контроле деформации, относятся механические датчики движения, имеющие стальной стержень или липкую ленту, фиксированную к скальной породе с одного конца и находящуюся в контакте с датчиком набора кода или электрической системой с другого. Среди других инструментальных средств можно назвать электрические датчики, действующие по одному из трех принципов: измерение электрического сопротивления, вибрирующего провода или самоиндукции.

К контролируемым параметрам относятся: движение (с использованием поверхностных устройств типа первоклассных средств измерений и ленточных экстензометров, устройств буровой скважины типа стержневых, скважинных экстензометров или уклонометров); напряжение скальной породы (абсолютное или относительное напряжение, которое изменяется в зависимости от средств устройства буровой скважины); давление и нагрузка на средства поддержки грунта и их напряжение (например, ячейки груза); сейсмические явления и колебания от взрыва.

Сегодня производители систем геомеханического мониторинга предлагают достаточно много различных решений — например, скважинный датчик деформации компании Geokon (Model 5000) или измерительная система деформометрического мониторинга компании ООО «НТЦ-Автоматика» (ИС «Градиент») [3, 4]. Среди отечественных компаний следует отметить ООО «НТЦ-Автоматика», АО «СКБ ПН», ООО «Инверсия-Сенсор». На данном рынке представлено немало иностранных фирм, среди которых Geokon (США), OyoCorporation(Япония), Sisgeo (Италия), Roctest (Канада), MicronOptics (США).

По результатам испытаний трехкомпонентного датчика деформации будет создан проект системы геомеханического мониторинга состояния массива горных пород. Основная цель реализуемого проекта — разработка, изготовление, испытание и доработка тестового образца системы геомеханического мониторинга как основы подземной системы мониторинга деформации для автоматизированного сбора данных о пространственно-временных характеристиках процесса деформирования пород.

Система геомеханического мониторинга должна:

• обеспечить регистрацию деформации при статическом нагружении массива горных пород и динамических подвижках структурных блоков;
• повысить оперативность регистрации деформации и достоверность информации о техническом состоянии вмещающего массива горных пород;
• снизить материальные затраты на проведение наблюдений за пространственно-временными характеристиками процесса деформирования пород.

Технологической основой автоматизированной системы геомеханического мониторинга является гибридная сенсорная сеть трехкомпонентных датчиков деформации и других датчиков. Сеть датчиков разбивается на отдельные подсети (сегменты), которые могут быть как беспроводными (по стандартам ZigBee 2,4 ГГц или LoRaWAN 868 МГц), так и проводными (по стандарту RS-485).

В заключение необходимо отметить, что одним из наиболее перспективных путей повышения геодинамической безопасности представляется создание систем прогностического принципа действия, что позволит не только спрогнозировать аварийную ситуацию, но и заблаговременно принять меры по ее предотвращению или снижению негативных последствий.

Построение автоматизированной системы геомеханического мониторинга на основе сети трехкомпонентных датчиков деформации предоставляет возможность реализовывать дистанционные измерения в территориально-распределенной системе мониторинга рудника и централизованно накапливать и анализировать данные, полученные при многоточечных измерениях в скважинах.