Технологічний комплекс поверхні шахти

Рис.18-8. Принцип действия пьезооптического преобразователя механических напряжений

Рис.18-7. Принцип действия интерферометра Майкельсона

Рис.18-6. Схема светодальномера

Рис.18-5, б. Интенсивности верхнего и нижнего лучей

Рис.18-5, а. Схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки

Рис.18-3. Устройство преобразователя с плоскими параллельными растрами

Рис.18-2. Схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры

Световой поток Ф_x, проходя объектив 1 и диафрагму 2 и отражаясь от зеркального об­тюратора 3, попадает на фоторезистор В в отрезок времени, когда не происходит экспонирования пленки 5. Исполнительным механиз­мом служит измерительный механизм ИМ логометра, обмотка 6 подключена к источнику питания через резистор R, а обмотка 7 — через фоторезистор В. Обмотки в и 7 создают встречные вращающие моменты, поворачивающие рамку, соединенную с диафрагмой 2. Движение диафрагмы 2 происходит до тех пор, пока сопротивле­ние фоторезистора В не станет равным сопротивлению резистора R, которое используется для установки параметров экспозиции. В ка­честве фотоприемника применяются сернистокадмневые, селениднокадмиевые и сульфидно-кадмиевые фоторезисторы, отличающиеся высокой чувствительностью, малыми габаритами и дешевизной.

Фотоэлектрические преобразователи широко используются для измерения перемещений. Особенно высокой чувствительностью обладают преобразователи с растрами. Геометрические структуры эле­ментов, образующих растр, весьма разнообразны. Устройство пре­образователя с плоскими параллельными растрами показано на рис. 18-3, а.

Между источником света и приемником располага­ются два растра, один из которых неподвижен, а второй перемеща­ется. Сопряжение двух растров позволяет получить картину идущих поперек штрихов светлых и темных полос, называемых комбина­ционными или муаровыми полосами. Высокая чувствительность к перемещению получается за счет того, что перемещение муаровых полос ΔY оказывается во много раз больше перемещения растра ΔХ. В частности, при сопряжении двух параллельных растров, развер­нутых под некоторым малым углом а, получается комбинация свет­лых и темных полос, в преувеличенном виде показанная на рис. 18-3, б.

Коэффициент оптической ре­дукции:

K_ред =ΔY/ΔХ (18.1)

такого сопряжения при равных ша­гах растров ω₁=ω ₂=ω ра­вен K_ред=1/sin α.

Измерительные цепи, поз­воляющие реализовать второй и третий алгоритмы, т. е. из­мерение отношения и разно­сти световых потоков. Однако особенность оптоэлектрическнх преобразователей заключается в том, что при со­временной технологии изготовления фотоприемников трудно подо­брать пару фотоприемников, обладающих совершенно идентичными характеристиками не только при начальных условиях, но и под дей­ствием всех влияющих факторов. Неидентичность характеристик, как известно, сводит на нет преимущества дифференциаль­ного и логометрического включений преобразователей, позволяющих существенно повысить точность измерения при использовании пре­образователей с идентичными характеристиками. Для того чтобы избежать этого недостатка, в оптоэлектрических преобразователях используются структуры с одним фотоприемником и временным разделением поступающих на пего потоков. Измерительная схема по­добного преобразования показана на рис.18-4.

Рис.18-4. Измерительная схема преобразователя

Пучок света источ­ника 1 при помощи зеркал 2 разделяется на два потока Ф₀ и Ф_x. Интенсивность потока Ф_х зависит от измеряемой величины (напри­мер, прозрачности объекта 3). С помощью модулятора осуществля­ется периодическое освещение фоторезистора ФП измеряемым Ф_x и опорным Ф₀ потоками. Синхронно с движением шторки Шт пере­ключается ключ К, с помощью которого на вход интегратора (ФП, конденсатор С, усилитель Ус) через фоторезистор ФП подается ток от положительного и отрицательного полюсов источника напряжения Е. При этом ток, пропорциональный измеряемому потоку, за­ряжает конденсатор С, а ток, пропорциональный опорному потоку, — разряжает его. В конце второго такта модуляции на выходе интегра­тора устанавливается напряжение U', которое измеряется указате­лем Ук. Напряжение:

U=Е(G₀-G_x)/(Сf_КЛ) (18.2),

где G₀=SФ₀ и G_x =SФ_x — проводимости фоторезистора при освещении потоками Ф₀ и Ф_х соответственно; S — чувствительность фоторезнстора; f_КЛ — частота переключения ключа.

На рис. 18-5,а показано схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки. Световой поток, соз­даваемый источником 1, делится диафрагмой 2 с двумя отвер­стиями на два луча. Верхний луч частично перекрывается проволо­кой 3, нижний луч проходит через оптический клин 6. Матовая пла­стинка 4 рассеивает свет, чтобы облучение фотоприемника ФП было равномерным. Заслонка 7 колеблется между сдвинутыми отвер­стиями диафрагмы, модулируя световой поток па входе ФП. Если интенсивности верхнего и нижнего лучей не равны (рис.18-5,6), на выходе ФП появляется переменная составляющая напряжения, управляющая двигателем Д. Двигатель перемещает клин 6 до урав­нивания интенсивностей лучей. Выходной величиной прибора слу­жит угол поворота двигателя, отсчитываемый по шкале 5.

Схемы измерения фазового сдвига на частотах оптического диа­пазона.

На рис. 18-6 приведена схема светодальномера, который состоит из генератора Г1 гармониче­ских колебаний, полупроводниково­го.лазера Г, фотоприемника ФП и фазометра. Излучение лазера Г, мо­дулированное по амплитуде, распро­страняется до уголкового отражате­ля УО, установленного на расстоя­нии D_x от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприемнику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно со­ставляет:

t=2D_xn/c (18.3)

За это время фаза напряжения, питающего лазер, изме­нится на величину φ_x=ω₀t=ω₀2D_xn/c, где ω₀ — частота модуля­ции; n — показатель преломления среды. Сдвиг фаз φ_x измеряется с помощью фазометра.

Порог чувствительности современных промышленных высоко­частотных фазометров составляет около 0,1⁰, что при частоте моду­ляции f₀=10 МГц и n≈1 соответствует D_xmin=4 мм. Стабиль­ность результатов измерения опреде­ляется стабильностью частоты модуля­ции и постоянством условий на пути светового потока.

На рис. 18-7 показан принцип дей­ствия интерферометра Майкельсона, в котором для измерения фазового сдви­га оптических колебаний использовано преобразование на основе явления ин­терференции фазового сдвига в интен­сивность света. Интерферометр состоит из лазера Г, светоделителя СД, двух зеркал 31 и 32. Пучок света Ф₀ проходит через светоделитель СД и разделяется на два пучка Ф₁ и Ф₂, которые, отразившись от зеркал, вновь попадают на светоделитель, где объединяются и интерферируют. Полученный в ре­зультате интерференции пучок света Ф преобразуется фотоприемником ФП. Разность фаз φ зависит от разности длин оптического пути:

φ=2π(l ₁- l ₂)/λ (18.4)

и длины волны λ излучения. Предположим, что под действием измерь величины зеркало 31 переместилось на расстояние l _x от исходного положения, определяемого расстоянием l ₀= l ₁= l ₂. В этом слу­чае фаза изменится на величину φ_x=2π l ₁/λ=2πN_x, где N_x= l _x/λ — общее число полных периодов фазы, укладывающихся на отрезке l _x.

Таким образом, считая число экстремумов функции U=0,5U₀(1+cos2π l _x/λ) и зная длину волны >. излучения, можно измерить перемещение l _x.

На рис. 18-8 показан принцип действия пьезооптического пре­образователя механических напряжений, основанного на явлении фотоупругости.

Первоначально изотропный упругий чувствительный элемент в виде прямоугольной прозрачной призмы 3 находится в условиях одноос­ного напряженного состояния под действием силы F_x, Пучок света от источника 1 поляризуется поляризатором 2 (например, поляроидной пленкой) в плоскости, наклоненной под углом 45° к направле­нию главной деформации, которое в данном случае совпадает с на­правлением действия силы F_x. Поляризованные лучи А и В проходят через упругий элемент 3 и фазовую пластину 4 на анализаторы 5_А и 5_В, один из которых скрещен с поляризатором 2, а второй парал­лелен ему. После анализаторов лучи А и В падают соответственно на фотоприемники 6_А и 6_В.

Интенсивность света, попадающего па приемник 6_В, определяется выраже­нием

I₁=I₀sin²[(2πΔ/λ+α₀)/2] (18.5).

Интенсивность света, попадаю­щего на приемник 6_B — как I₂=I₀cos²[(2πΔ/λ+α₀)/2], где α ₀ — фазовый сдвиг, вносимый пластиной 4. Зависимость разности хода Δ от деформации ε₁₁ определяется как:

(18.6),

где n₀ - показатель преломления фотоупругого материала в ненапряженном состоянии; l - длина образца в направлении просвечивания; р₁₁ и р₁₂ — упругооптические коэффициенты, являющиеся тензорами четвертого ранга. Выходное напряжение диагонали моста, в который включены фотоприемники, пропорционально разности их освещенностей:

U_BЫХ=U_A-U_B=kI₀cos(2πΔ/λ+α₀) (18.7)

При α₀=π/2 и малых α=2πΔ/λ можно считать cos(π/2+α)≈α и.

На основе пьезооптических преобразователей в МГУ им. М. В. Ло­моносова (Институт механики) разработан ряд приборов: датчики давления, акселерометры, силоизмерители, тензометры. В частности, пьезооптические акселерометры имеют предел измерений 50—1000 g при собственной частоте 4—15 кГц, порог чувствитель­ности около 10^-4 (от предела измерений) и погрешности 0,2—1,5%. При измерении статических величин температурная погрешность cоставляет 0,1 % /К (дрейф нуля) и 0,05—0,1 % /К (изменение чув­ствительности).

На рис. 18-9 показан принцип действия устройства “Трансоптик”, предназначенного для дистанцион­ного измерения тока в линиях электропередачи.

Рис.18-9. Принцип действия устройства “Трансоптик”

“Трансоптик” представляет со­бой измерительную систему с фарадеевским датчиком 1 (стеклян­ный стержень из тяжелого флинта), размещенным вблизи провода 2 линии электропередачи, в которой требуется измерить ток I_Х. Плоскополяризованное излучение Ф₀ от лазера 3 проходит в стержень 1 и, отразившись от торца с зеркаль­ным покрытием, возвращается на землю к приемной части.

Приемная часть системы содер­жит компенсационный фарадеевский датчик 4 с обмоткой, подклю­ченной через резистор 5 и ампер­метр к выходу усилителя 6; два фотодиода 7 и 8, подключенных к ин­вертирующему и неинвертирующему входам усилителя 6, и бианализатор 9, световые потоки Ф₁ и Ф₂ на выходе которого равны, если в системе не происходит поворота плоскости поляризации. При про­хождении светового луча че­рез датчик 1 плоскость по­ляризации луча поворачива­ется на угол ψ, пропорцио­нальный напряженности Н_x и, следовательно, току I_x. В компенсационном дат­чике 4 ток I_к направлен так, что сводит эффект вра­щения плоскости поляризации в датчике 1 к нулю, т. е. ψ_х-ψ_к =0. При идентичных оптических элементах датчиков 1 и 4 ψ_х=ψ_к при I_к=I_x/ω_к, где ω_к — число витков датчика 4. Подобные системы называют иногда оптикоэлектронными трансформаторами тока.

Схема измерения частоты и длины волны излучения оптического диапазона. На рис. 18-10 показана структурная схема преобразо­вателя с гетеродинным преобразованием частоты.

Рис.18-10. Структурная схема преобразователя с гетероидным преобразованием частоты

Преобразователь содержит источник опорного сигнала ИОС частоты ν₀, светодели­тель СД, фотоприемник ФП, усилитель Ус и частотомер. На свето­делитель поступают два пучка света: пучок света, частоту кото­рого ν _х нужно определить, и опорный пучок. Эти пучки складываются и посылаются на фотоприемник. Световой поток, поступающий на фотоприемник, кроме постоянной составляющей Ф, содержит низко­частотную составляющую:

Ф(t)=Ф_mcos(ν_x-ν ₀)t (18.8).

Если разност­ная частота ν_BЫХ=ν_x-ν ₀ находится в полосе пропускания элек­тронной схемы, то измерение этой частоты частотомером при извест­ном значении ν₀ позволяет найти ν_x=ν _ВЫХ +ν₀.

Устройства с интерференционным преобразованием частоты стро­ятся на базе интерферометров с использованием модуляции излуче­ния по частоте.

Будівлі і споруди, розміщені на промисловій площадці для технічних та господарських потреб, становлять технологічний комплекс поверхні шахти. комплекс забезпечує виконання всіх процесів, пов’язаних від ведення підземних гірничих робіт до відправки вугілля споживачам.

Найважливішим серед цих процесів є такі: підйом; переробка та відправка корисної копалини; спуск і підіймання людей, матеріалів та обладнання; подання повітря для вентиляції виробок; забезпечення гірничих робіт електроенергією та стисненим повітрям; побутове обслуговування працівників; охорона природи.

Поверхневий комплекс сучасної шахти складається з трьох основних блоків: блока головного ствола, блока допоміжного ствола та блока адміністративно побутового комбінату.

Рис. 0‑1 – Генеральний план поверхні шахти:

1 – адміністративно-побутовий комбінат; 2 – блок головного ствола; 3, 4 – стволи допоміжний і головний; 5 – збагачувальна фабрика; 6 – вугленавантажувальний бункер; 7 – аварійний вугільний склад; 8 – котельна; 9 – породонавантажувальний бункер; 10 – резервуар води; 11 – вентиляційний канал; 12 – будівля вентиляторів; 13 – електропідстанція; 14 – склад кріпильних матеріалів; 15 – козловий кран

Блок головного ствола складається з копра над устям головного ствола, на котрому встановлені напрямні шківи підйомних канатів і будівля підйомної машини. Навколо копра розміщуються збагачувальна фабрика, котельна, приміщення технологічного комплексу приймання вугілля, а в деяких умовах і породи.

Блок допоміжного копра складається з копра над устям допоміжного ствола і будівлі підйомної машини допоміжного ствола. Блок об’єднує приміщення приймальної площадки клітьового ствола, механічні майстерні, калориферну, матеріальний склад, підсобні приміщення різного призначення. Блок виконує операції спуску та підіймання людей, матеріалів і обладнання в шахту.

Блок адміністративно-побутового комбінату розміщує загальну та дільничні нарядні, лампову, гардеробні для чистої та робочої одежі, лазню, медичний пункт, станцію питної води, кабінети адміністрації та технічних служб, приміщення диспетчерського центру тощо. Блок АПК з’єднується з блоком допоміжного стволу утепленим переходом (галереєю або тунелем).

Деякі будівлі допоміжного призначення із-за особливих вимог не можуть бути заблоковані. Це, в першу чергу, будівля вентиляторної установки, яка споруджується біля скіпового ствола і з’єднується з ним спеціальним підземним каналом. На поверхні шахти розміщені під’їзні колії, електропідстанція, резервуар для води, вугленавантажувальні і породонавантажувальні бункери, аварійний склад вугілля, склад кріпильних матеріалів, ремонтні майстерні, насосні станції, відстійники, градирні тощо.

Для виконання транспортних операцій на поверхні шахти споруджуються будови з технологічним обладнанням. Завантаження вугілля в залізничні состави може здійснюватись прямо у вагони (так зване безбункерне завантаження) і з вантажних бункерів. Найекономічнішим вважається безбункерне завантаження, але неможливість ритмічного забезпечення шахт залізничними вагонами ще перешкоджає застосуванню його на практиці. Через те на шахтах будують завантажувальні бункери, в яких нагромаджується вугілля до часу подачі чергового залізничного порожнякового поїзда.

На випадок довготривалої перерви відвантаження, у зв’язку з негодою та інших причин, на шахті влаштовуються аварійні вугільні склади місткістю 5-12 кратної добової потужності шахти. Вони мають відповідати певним вимогам. під час їх експлуатації треба запобігати розкришенню вугілля та пилоутворенню, а висота штабеля не повинна перевищувати 10 м для коксівного і 5 м для бурого вугілля. Склади обладнуються стаціонарними скреперними установками для подачі вугілля на склад і зі складу в завантажувальний бункер.

Дуже важливою залишається проблема видачі породи з шахти. З 1985 року в Україні заборонено відводити шахтам землі під породні відвали. З метою поліпшення екологічного становища породу, яку видають з шахти, треба транспортувати за межі шахтної поверхні та житлових масивів в місця непридатні для сільськогосподарських цілей (балки, яри). Суттєвим резервом підвищення ефективності породного господарства є залишення породи в шахті для закладання виробленого простору.