Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал

) Ж ОБ ИСАН ЕТ АТЕНТУ горной пр редназначен дения шахт ние, затоплсвоей тех ому эффект ийся в том(акустичедаров тве и 3 одопро у яв, что ские) рдым водяГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Быковский экспериментальный заводсредств автоматики(73) Быковский экспериментальный заводсредств автоматики(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТХОЖДЕНИЯ ШАХТЕРОВ, ПОПАВШЗАВАЛ(57) Использование: определение местонахождения шахтеров, попавших в завал, Сущность: создание сейсмоакустическихсигналов в месте аварии, их прием с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинах равностороннеготреугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измерении отдельно для каждого треугольника задержки времени Т 1, с 2, тз Изобретение относитсямышленности, в частностидля определения местонахоров, попавших в зава,1(обруние выработок).Наиболее близким поской сушности и достигаемляется способ, за 1 ючающшахтеры созг,ают звуковыесигналы (имп льсы, путем упредметом по возцухо- ил прихода сеисмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам для каждого треугольника определяют пеленги р 1 и р 2 на местонахождение источника сигнала по формулам у =30 п(1-е . )+10 сг, и - нечетное, д 7 =30 п -(1-е)-106, и - четное, где о - наименьшая задержка времени(меньшая задержка времени), и - порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленг р на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов, определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной системе координат, ось абсцисс совмещают с линией, соединяющей центры треугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формулам: а 1 = з р 1- ЗОО, а 2 = 210 - щ, определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустиче:ких сигналов по формуле Я = 1. зи а 2 /зп а 1, где- расстояние между центрами греугольников, и определяют координаты по формулам х 1 = Я зг(90 - а 1 ), у 1 = Я - ф хсоз(90- а 1 ),к= Я сдф, гдето, = агссоз(11 4 И 1. зГВ(60+ р . 2 з, и, ф-лы, 6 ил. 00О щим трубам, передают импульсы из места завала, а горноспасатели слушают (принимают) звуковые сигналы от трубопровода и определяют местонахождение шахтеров.Недостатками прототипа являются низкая точность определения местонахо:кдения шахтера (источник звука), так как система труб представляет собой сложные лабиринт, в связи с этим даже направл ние или источник звука определить затруднительно, трубы могут иметь разрывы от уда 1789019ров кусков горной породы при обрушении,т. е, звуковой сигнал дальше места разрыване пройдет. Кроме того, труб в местонахождении шахтера вообще может не быть, Таким образом надежность способа низка. 5Цель изобретения - повышение точности и надежности определения местонахождения шахтеров, попавших в завал.Указанная цель достигается тем, что сигналы принимают с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинахравностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измеряют отдельно для каждоготреугольника задержки времени 11, сг, сз прихода сейсмоакустических сигналов к сейсмоприемникам, по этим задержкам длякаждого треугольника определяют пеленгир 1 и р на местонахождения источника сигнала по формулам 20р = 30 п(1- е+106, и - нечетное,р = 30 п.- (1 - е 1 )1 - 108, н - четное,наименьшая зад жка в еменименьшая зэдержкЗ времении - порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленгр на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов;и определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольной 30системе координат, для чего центр одноготреугольника принимают за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисссовмещают с линией, соединяющей центрытреугольников, определяют углы между пеленгами и осью абсцисс по формулама= р 1-30,а 2=210- р г,определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустических сигналов по формулезп агзи а 1где . - расстояние между центрами треугольников,45и определяют координаты по формулам Х 1 =Я зп(90- а 1),У 1=Я соз(90- а 1),Е 1= Я т 9 ф,т 1 Чгде /3 = агссоззи60 о + )Кроме того, длина сторон равностороннего треугольника определяется из условий 55скорости распространения упругих волн вгорном массиве, расстояние от равностороннего треугольника до предполагаемогоисточника сейсмоакустического сигнала - сучетом коэффициента затухания акустического сигнала в данном массиве и характеристик применяемых сейсмоприемников,Основой данного изобретения являетсяновая теорема, заключающаяся в том, чтоесли некоторая прямая, совпадающая первоначально с одной из биссектрис равностороннего треугольника АВС, вращается вплоскости треугольника против часовойстрелки вокруг его центра О, то проекциисторон треугольника на эту прямую изменяются по закону синуса,На фиг, 1 представлен чертеж, поясняющий суть этой теоремы. АВС - равносторонний треугольник со стороной , АР -биссектриса угла А, ОЧ - прямая, первоначально совпадающая с биссектрисой АР, р -угол между АР и ОЧ, Я 1, Я 2, Яз - проекциисторон треугольника АВС на прямую ИЧ,которые равныЯ 1=зп(60 + р ), Я 2= , зи р, Яз==зп 60- у ),В предложенном техническом решенииизмеряются не проекции сторон треугольника, а задержки времени с 1, 12, (з прихода сейсмоакустического сигнала в вершиныравностороннего треугольника, Если обозначить буквой Ч скорость распространения сейсмоакустического сигнала, то в общем случаес= ЯЧгде Я - путь, пройденный сигналом;1 - время прохождения пути,На фиг. 2 представлен чертеж, поясняющий переход от закона изменения линейных проекций сторон равностороннеготреугольника на прямую, вращающуюсявокруг центра треугольника к закону изменения задержек времени в зависимости отнаправления прихода сейсмоакустическогосигнала к равностороннему треугольникуАВС, в вершинах которого установлены сейсмоприемники. Здесь с 1 и сз - задержки времени прихода сигнала к сейсмоприемникамотносительно сейсмоприемника, принимающего сигнал первым, а сг - задержка времени между временем прихода сигнала ковторому и последнему сейсмоприемникам.0 - центр равностороннего треугольника, р- угол между направлением прихода сигнала и началом отсчета, Й - направление прихода сейсмоакустического сигнала, АР -биссектриса начала отсчета, т 1, тг, тззарегистрированное текущее время приходасейсмосигнала к сейсмоприемникам в вершинах треугольника АВС, Т = /Ч - время,В соответствии с данными определениями можно записать;11 = тз - т 1 =Тзп(60 + о )тг = тз - Гг = Тф 3 исз = гг - 1 = Т3 п(60 - р )Если учесть, что сейсмосигнал к равностороннему треугольнику может приходить в плоскости с любого направления, то по аналогии с вращающейся прямой формулы для задержек времени будут 5с 1 = - 3и(60 + р ), тг =3и р, сз =о//) = 60 - агсзи -о зТгде Т = /)/ - время, в течение которогосейсмоакустический сигнал пройдет путь,равный длине стороны равностороннеготреугольника, которая определяется по экспериментальной формуле/100= в//Ь,где т/ - скорость распространения сейсмоакустических импульсов в массиве горныхпород, который выбран для установки сейсмоприемников;1 - частота следования электрических импульсов, служащих для измерения задержек времени,Частота электрических импульсов 1 определяется, исходя из точности, которую 30требуется получить при вычислении пеленговых значений шахтера, создающего источник САИ в завале.Если, например, требуется определитьазимут шахтера с точностью не хуже 0,5 О, то 35сначала обращаемся к математической таблице вычисленных синусов и вблизи нулевой точки определяемЛ = зп 0,5 - зи 0 = 0,0087 - 0,000 ==0,0087, 40а затем по экспериментальной формуле вычисляем частоту 1 в кГц2 20,0087В предложенном техническом решении 45пеленг шахтера для каждого равностороннего треугольника определяется по алгоритму//) = 300 - агсзи(тг - тз)IТ при сгсзд 7 = 360 - агсзисг/Ти =300 агсв 1 п(гз-гг)/т приза гг Если 1 р- ф 0,5 О,то р =( 1//+ р) /2В противном случае принимают центрравностороннего треугольника за цент окружности, разбивают эту окружность, начиная от биссектрисы начала отсчета, на 12секторов по 30 каждый и определяют, вкаком секторе находится прямая направления (пеленг) на источник САИ, Если сектори представлен нечетным числом, то пеленгопределяется по экспериментальной формуле:д) =30 п(1 - е 2)+ 10 гт,а если и представлен четным числом, тод 7 = 301 и -(1- е 12)-10 о,наименьшая зад жкагДЕ а МЕНЬШаЯ ЗаДЕРжКаРазличные значения р и /р оказываются в том случае, если угол места ф неравен нулю, т, е. источник САИ не находится вплоскости равностороннего треугольникаАВС,В предложенном способе измеряютсядве задержки времени независимо от направления прихода САИ. Так в соответствиис фиг. 2 при направлении й измеряются задержки 11 и сг, а тз не измеря е тся, но из фиг.2 следует, что тз = т 1 - 12, т. е. может бытьвычислена, если измерены две другие задержки времени, В предложенном алгоритме 1 разносты 1 -тг для данного направленияК используется, но уже не как измереннаявеличина задержки, а как вычисленная задержка времени. Таким образом, в алгоритме 1 для каждого случая в диапазоне 0360 одна из задержек времени вычисляется.После определения уточнения азимутов///1 и /Р 2 для каждого треугольника образуют треугольник 01 А 02 из прямой 0102 идвух азимутальных прямых на САИ, пересекающихся в точке А, вычисляют углы междуэтими прямыми и прямой 0102 по формулама 1= уз, а г =210- р 4принимают оси прямоугольной системы координат с центром 01, совмещая плоскостькоординат УХ с плоскостью этого треугольника, а ось абсцисс Х с 0102,вычисляютсторону треугольника 01 А по формуле01 02 зп аг01 А -зи аа затем вычисляют координаты Х 1 и У 1(абсциссу и ординату) по формуламХ 1=01 А зп(90- а 1),)/1= 01 Асоз(90- а 1),После этого определяют задержку Т 1для уточненного пеленга по формулеТ 1 =Т/зи /р, 1789019ерут соответствующие задержки т 1 и Т 1 ипределяют угол места Д по формулеД = агссозт 1/Т 1: затем определяют аппликату шахтера по)ормуле 521 = 01 Ат 9 РНа фиг, 3 представлен график, поясняэщий изменение задержек и взаимосвязь1 ежду пеленгами с 1, 12, 13 - задержки; 91 ервичный пеленг, р" - вторичный пеленг; 10о - уточненный пеленг.На фиг. 4 представлен чертеж, поясняощий нахождение угла места Р, Р - горизонтальная плоскость, С - вертикальная1 лоскость; А, В и С - вершины равносторонего треугольника; р - уточненный пе 1 енг источника сигнала шахтера), с -измеренная задержка времени, в соответствии с фиг, 2 1 будет равно т 1, Т 1 - задержкавремени для уточненного пеленга; М - направление прихода сигнала,На фиг, 5 показан горизонтальный разрезвыработки, включающий нижний горизонтвыработки 1, верхний горизонт выработки 2,завал штрека 3, шахтер (источник САИ) 4,сейсмопреобразователи первой группы (треугольника) 5 и второй группы 6, центры первой группы сейсмопреобразователей 7 ивторой группы 8, пеленг на шахтера 4 первойгруппы сейсмопреобразователей 9 и второй 30группы 10,Способ реализуется следующими операциями, Измеряют скорость распространения САИ в горном массиве, задаютчастоту тактовых электрических импульсов, 35с помощью которых измеряют задержкивремени, определяют длину стороны 1 равностороннего треугольника по формуле1/100Ит, размечают на плоскости горного массива на расстоянии не более 300 м от 40предполагаемого местонахождения шахтера даа разнесенных в пространстве равносторонних треугольника, измеряютрасстояние между центрами треугольников,ориентируют треугольники в одной плоскости, устанавливают сейсмопреобразователи в вершинах треугольников, принимаютСАИ, создаваемые шахтером, измеряютобособленно в вершинах каждого треугольника задержки времени с помощью тактовь 1 х электрических импульсов, вводятзадержки в память вычислителя, принимают за начало отсчета пеленга шахтера одноименные биссектрисы треугольников иведут его против часовой стрелки, задержки 55времени прихода сигнала в вершины каждого треугольника в зависимости от направления (пеленга) описывают формулами1 приСтг,сзСг2 при с 1тг, 12133 при 12т 1, т 1тз4 и ри 1211, т 3115 приказ11 12116 притзС 1, С 1 тг7 п ри ц3, тзтг8 и ри 1113, 12139 притг13, Стз10 и ри тгСз, 131111 при сзсг, 12 1112 при 1213, 1112 и= и= и= и= и = и= и= и= и= и= п= Уточняют пеленг для каждого треугольника по экспериментальным формуламср /п-гк-=30(и-е) +10 п, р /и-гк== 30 и - (1 - е 1- 10 су,наименьшая зад жка в емениде меньшая задержка временистроят треугольник на основании= 7 - 8 идвух пеленгах на источник, пересекающихся в точке 4, вычисляют углы а 1 = 01-30,а 2=210 - срг, принимаютоси прямоугольной системы координат с центром 7, совмещая ось абсцисс Х с основаниемтреугольникавычисляют сторону треугольниказ 1 и агз 1 п аопределяют максимальную задержку дляпеленга р 1, первого треугольника по одной из формулТ 1 =1/Ч з 1 и(60 + у ); Тг= 1/Ч з 1 и (р,Т 3= /Чз 1 и(60 - О )используют соответствующие задержкивремени, например ц и Т 1 и определяютугол места 3 по формулер = агссозц/Т 1,а затем определяют местонахождение (пространственные координаты) шахтера, т, е,абсциссу, ординату и аппликатуХ 1= 5з 1 и(90- а 1),У = Я соз(90- а 1),21= Я 19 фНа фиг. 6 представлена схема устройства, реализующего способ, где показаны схемы измерения задержек времени приходасигналов в разные каналы приема, сейсмопс 1 =1/Ч з 1 и(60+ у );2=1/Ч 3 ир13=1/Чз 1 и(60 - ср ),пеленг ср для каждоготреугольника( д- для первогои р 2 - длявторого)определяютпо алгоритму 1, если условиер - р0,5выполняется, то р 1 и р г определены верно и с точностью до 0,5, а если не выполняются, то анализируют задержки с помощьюалгоритма 1 и определяют номер и тридцатиградусного сектора, в котором размещенпеленг р для каждого треугольника( р 1- для первого и у 2 - для второго), 1789019 1040 45 50 55 реобразователи 5 и 6, усилители 11,1 - 11,2, компараторы 12.1 - 12,2, триггеры 13,1 - 13,2, счетчики импульсов 14,1 - 14,2, схемы совпадения 15.1 - 15.2, генератор тактовых импульсов 16, коммутаторный блок 17, вычислительный блок 18. Устройство для определения координат шахтера при завале в шахте снабжено вычислительным блоком и двумя схемами измерения временных задержек, каждая из которых содержит схему совпадения и три параллельные цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные сейсмопреобразователи через усилитель с компаратором, триггер и счетчик импульсов, при этом выходы триггеров соединены с входами схемы совпадения, выход которой соединен с вторыми входами триггеров и вычислительным блоком, подключенным через коммутаторный блок к счетчикам, подключенными к генератору тактовых импульсов.Способ может быть осуществлен следующим образом,Сейсмоакустические импульсы, создаваемые шахтером, принимаются сейсмоприемниками 5, 6. Импульс сначала достигает ближнего к источнику сейсмоприемника, включенного, например, в группу 5, преобразуется в электрический сигнал иусиливается в усилителе 11.1. Если величина сигнала превосходит заданный уровень, он проходит через компаратор 12.1 на вход триггера 13.1. Триггер опрокидывается и дает разрешение счетчику 14.1 вести счет импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов 16 и поступает сигнал на вход схемы совпадения 15,1. Через некоторое время сигнал от источника шахтера) достигает следующего сейсмоприемника 5,включенного в другую цепочку той же схемы, При этом как и в предыдущем случае срабатывают аналогичные элементы и в результате счетчик 14.1 начинает считать импульсы, вырабатываемые генератором тактовых импульсов 16, С приходом САИ от шахтера к третьему сейсмоприемнику 5, включенному в цепочку той же схемы соответственно срабатывают все элементы этой цепочки, включая триггер 13.1, При этом на входе схемы совпадения 15,1 одновременно будут присутствовать три сигнала, она срабатывает и возвратит все три триггера 13,1 в исходное состояние, а вычислительный блок 18 через коммутаторный блок 17 считает показания счетчиков этой схемы, После этого схема будет готова к приему следующего САИ, а вычислительный блок 18, по данным счетчиков 14,1 схемы, вычисляет пеленг шахтера. Через некоторый промежуток времени или одновременно САИ от 5 10 15 20253035 шахтера достигнет сейсмоприемников 6другой схемы, При этом в аналогичной последовательности сработают параллельныецепочки и элементы схемы, а вычислительный блок 18 по данным счетчиков 14,2 схемывычисляет еще один пеленг у 2 по тем жеалгоритмам, но с новыми задержками времени. Затем в блоке 18 вычисляются углы а.и а 2, угол места Р и координаты шахтераХ 1, У 1 и Ъ,Вычислительным блоком 18 может служить, например, микроЭВМ "ЭлектроникаМС", предназначенная для широкогоприменения в системах контроля.Длина стороныравносторонних треугольников лежит в пределах 0,2 - 2,0 м, арасстояние между центрами треугольникаот 1 до 100 м,Преимущество предложенного способазаключается в том, что он позволяет определять пространственные координаты шахтеров, попавших в завал, и других аварий вшахтах.Формула изобретения1. Способ определения местонахождения шахтеров, попавших в завал, включающий создание сейсмоакустических сигналовв месте аварии, их прием и определение поним местонахождения шахтеров, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности и надежности определения, сигналы принимают с помощью двух групп сейсмоприемников, расположенных в вершинахравностороннего треугольника, расположенных на обнаженной плоскости ненарушенного массива, измеряют отдельно длякаждого треугольника задержки времени 11,12, тз прихода сейсмоакустических сигналовк сейсмоприемникам, по этим задержкамдля каждого треугольника определяют пеленги р 1 и р 2 на местонахождение источника сигнала по формуламр = 30 п(1 - е) + 10 сг, и - нечетное,ср =30 п-(1-е)3-10 сг, п - четное,-1,26наименьшая зад жкд В еменигДеМЕНЬШаЯ ЗаДЕРжКа ВРЕМЕНИи - порядковый номер тридцатиградусного сектора, в котором находится пеленгр на местонахождение источника сейсмоакустических сигналов,и определяют координаты источника сейсмоакустических импульсов в прямоугольнойсистеме координат, для чего центр одноготреугольника принимают за начало прямоугольной системы координат, ось абсцисссовмещают с линией, соединяющей центрытреугольников, определяют угол между пеленгами и осью абсцисс по формулеа 1= Р 1-30, 1789019 12аг=210 - р г,определяют расстояние от начала координат до местоположения источника сейсмоакустических сигналов по формуле Я =з 1 п аг/з 1 п а 1,где 1 - расстояние между центрами треугольников, и определяют координаты по формуламХ 1= Я зп(90- а 1),У 1=3 соз(90- а 1),2=Я ядр,о чгде 3 = агссоз1 з Я и ( 60 О +2, Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что длина стороныравностороннего 5 треугольника определяется из условий скорости Ч распространения упругих волн в горном массиве, а расстояние Я от равностороннего треугольника до предполагаемого источника сейсмоакустического "0 сигнала - с учетом коэффициента затуханияакустического сигнала в данном массиве и характеристик применяемых сейсмоприемников.1789019 гХ Т Составитель Л.ВинокураТехред М.Моргентал Корректор иль еда аказ 85 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужг л.Гагарина, 10 1