CC BY
38
УДК 622.28.004.5 Е.А. Вознесенский
КОНТРОЛЬ ШТАНГОВОЙ КРЕПИ ИМПАКТ-МЕТОДОМ
Семинар № 3
ш в овышение устойчивости кровли
Ц- подземных горных выработок с помощью штанговой крепи является одним из наиболее эффективных и широко применяемых технологических приемов. Эффективность применения такой крепи определяется своевременной диагностикой ее состояния, что позволяет в случае нарушения сцепления крепи с массивом пород проводить дополнительные крепления и тем самым предотвращать обрушение кровли.
Одним из методов диагностики является так называемый импакт-метод, основанный на регистрации и анализе вибрационного отклика, возникающего в ответ на ударное воздействие на торцевую часть штанги.
Состояние кровли во многом зависит от сцепления штангового крепления с массивом пород. При заполнении шпура цементирующей массой возможны раз-
Ц
Ш
М
личные случаи обеспечения механического контакта штанги с массивом пород. На рис. 1 представлено схематическое изображение вариантов сцепления, формализованных для выбора модели.
В первом случае (1) пространство между штангой и массивом пород заполнено полностью, и контакт обеспечивается по всей длине шпура. Следующие три случая (2-4) моделируют контакт, который обеспечивается в одном участке, последний случай (5) характеризуется сцеплением штанги со стенками шпура в верхней и нижней частях.
Понятно, что в каждом из этих случаев резонансные свойства штанг будут проявляться по-разному. При некачественном сцеплении штанги с массивом наивысшую резонансную частоту можно ожидать в случае 5, а наименьшую - в случаях 2 и 4.
Поэтому, регистрируя спектры откликов на ударное воздействие, можно диаг-
2)
3)
Рис. 1. Возможные случаи сцепления штанги с массивом; 1) хорошее сцепление; 2) сцепление в нижней части; 3) сцепление в средней части 4) сцепление в верхней части 5) сцепление в верхней и нижней частях; М - массив пород; Ш - штанга; Ц - цементирующая масса (цементный раствор или смола)
ностировать один из пяти указанных случаев.
Описание модели.
В соответствии с указанной схемой используется модель, состоящая из основания, на котором размещены трое тисков, в которые зажимается штанга, имитируя различные случай сцепления с массивом.
Удары, используемые для диагностики штанговой крепи, могут наноситься сбоку и в торец штанги. При этом будут возбуждаться различные типы волн, а спектры регистрируемых сигналов соответственно также будут отличаться. При этом в ходе эксперимента следует определить, какой вид удара дает меньшую ошибку распознавания.
Регистрирующая часть.
Для регистрации используется двухканальный аудио-плеер и преобразователи акустического сигнала с предварительным усилителем. В данных исследованиях преобразователи с помощью клеящей массы размещалась на конце штанги, причем ось одного из них (1 канал) была перпендикулярна оси штанги, а ось второго (2 канал)
- параллельна ей. Таким образом, каждый из преобразователей был предназначен для восприятия различных типов колебаний и волн, образующихся в штанге при ударе.
Обрабатывающая часть.
В качестве обрабатывающей части используется компьютер, конфигурация которого не принципиальна, но желателен достаточно большой объем оперативной памяти. Минимальные требования: процессор Р11, 400 МГц, ОЗУ 256 МБ, жесткий диск 4 ГБ, порт и8Б.
Для обработки требуется следующее программное обеспечение:
- стандартная система Mathcad, версия, начиная с 8 и выше;
- программа преобразования формата MP3 в формат wav (например, CDEX, Adobe Audition или аналогичные);
- программа, осуществляющая разделение непрерывной записи на записи отдельных сигналов и выделения значений информативных параметров спектров, соответствующих каждой записи отдельной штанги;
- программа классификации состояний, использующая образцовую и распознаваемую выборки параметров сигналов;
- программа подсчета вероятностей правильного и ошибочного распознавания.
Методика проведения эксперимента.
В табл. 1 представлены указанные случаи в виде схем точек закрепления штанг. Т1-Т3 означают номера тисков, в которые зажимается штанга, буквой Д обозначена точка размещения датчиков (вблизи от тисков Т1), буква Х означает точку закрепления, прочерк - отсутствие закрепления.
Испытание проводятся в следующей последовательности.
1) Штанга с закрепленными преобразователями зажимается в тиски Т1-Т3 в соответствии с выбранной схемой согласно табл. 1.
2) Подается питание на усилитель, плеер включается на запись в режиме диктофона с непрерывной записью.
3) Производится 40 ударов по штанге с интервалом 0,8 - 1,0 с.
4) Производится остановка записи сигналов.
Таблица 1
Схемы точек закрепления штанг
№ Схемы точек закрепления штанги
Д Т1 Т2 ТЗ
1 Д Х Х Х
2 Д Х - -
З Д - Х -
4 Д - - Х
5 Д Х - Х
ll2
Г, с
Рис. 2. Серия ударов, зарегистрированная при ударе сбоку по 1 каналу (ось преобразователя ориентирована перпендикулярно оси штанги)
5) Выбирается новая схема измерения согласно табл. 1.
6) После измерений по всем 5 схемам испытания заканчиваются.
Количество ударов в каждой серии не должно быть меньше 30. Это связано с тем, что объем результатов, для которого могут быть применены методы традиционной статистики, позволяющие получить статистически достоверные результаты, должен соответствовать большой выборке. Минимальное значение элементов в такой выборке 30. Это позволяет учитывать все возможные изменения сигналов при их распознавании. С учетом, что часть ударов может быть произведена недостаточно качественно и сигналы будут иметь нехарактерный для этого случая вид, общее количество ударов было выбрано равным 40.
Такой выбор был продиктован также и проведенными ранее исследованиями сигналов акустической эмиссии, возникающей при деформировании горных пород. При этом было установлено, что для получения стабильных характеристик необходимо производить усреднение не менее 20-25 сигналов.
На рис. 2 для примера представлены в сжатом виде результаты регистрации ударов по торцу (Т).
Обработка результатов измерений.
На рис. 3 и 4 для примера представлены усредненные спектры сигналов при различных схемах измерения и ударах.
Как видно из спектров, они отличны друг от друга и это может служить основанием для распознавания.
В качестве информативных параметров для распознавания были выбраны среднеквадратические значения амплитуд, рассчитанных в нескольких полосах частот.
Результаты распознаваний.
Распознавание осуществляется путем вычисления условного риска по критерию Байеса. Из всех возможных решений выбирается то, для которого условный риск минимален.
В качестве показателя достоверности контроля состояния штанговой крепи и массива пород служит усредненная вероятность ошибки распознавания при ударах сбоку (С) и по торцу (Т). Чем она ближе к 0, тем выше достоверность распознавания. Соответственно, чем выше и ближе к 1 вероятность правильной классификации, тем выше достоверность контроля.
По рассчитанным значениям вероятности ошибки путем аппроксимации с использованием пакета 81аИ8Йса получены зависимости вероятности ошибки
f Гц
f Гц
Рис. 3. Усредненный нормированный спектр сигналов при ударах сбоку, первая схема
Рис. 4. Усредненный нормированный спектр сигналов при ударах в торец, вторая схема
Рис. 5. Результаты аппроксимации зависимости вероятности ошибки от количества информативных параметров для преобразователя, расположенного перпендикулярно оси штанги, удары сбоку
от количества информативных параметров. Они могут быть использованы для последующего анализа и ориентировочного расчета требуемого числа параметров от допустимой вероятности ошибки. На рис. 5 представлен один из графиков зависимости ошибки распознавания от числа информативных параметров.
Указанные результаты аппроксимируются экспоненциальными зависимостями P (n) = exp (-n / a),
где P (n) - вероятность
ошибки, n - количество информативных параметров, а -параметр экспоненты.
В табл. 2 приведены значения параметра аппроксимирующей экспоненты а, характеризующего уменьшение вероятности ошибки при увеличении количества информативных параметров для различных случаев измерения.
Как видно из таблицы, меньшим значением а обладает вариант размещения преобразователя перпенди-
Таблица 2
Значения коэффициента а для различных случаев измерения
Размещение преобразователя Удары
Сбоку В торец
Перпендикулярно оси 1,82 1,63
Параллельно оси 1,85 1,87
кулярно оси с ударами в торец. Это означает, что с увеличением количества информативных параметров усредненная ошибка распознавания уменьшается быстрее по сравнению с другими случаями. Этот случай и может быть рекомендован как имеющий преимущества по сравнению с другими, значения коэффициента а для которых близки друг другу.
Приведенные выше значения вероятностей ошибки получены для распознавания по 1 сигналу, получаемому одним ударом по штанге. Если же применять усреднение нескольких сигналов, например, 5, получаемых в результате 5 ударов по штанге в одной серии, то можно добиться еще большего снижения ошибки распознавания.
Выводы
1) Проведенные исследования показали целесообразность проведения контроля состояния штанговой крепи и кровли путем анализа нормированных по максимальному значению спектров сигналов, регистрируемых преобразователями, размещенными на штанге и образующихся при ударе по ней молотком, при этом в качестве информативных параметров используются среднеквадратические значения спектральных составляющих в соответствующих полосах частот.
2) По результатам модельных исследований при распознавании по 7 информативным параметрам получена вероятность ошибки распознавания, равная 0,04 при использовании одинаковых образцовой и подлежащей распознаванию выборок объемами 180-200 измерений; при этом распознавались 5 возможных состояний, отличающихся разной степенью и видами сцепления штанги с массивом пород.
3) Методически вариант контроля при размещении преобразователя перпендикулярно оси с ударами в торец штанги с точки зрения уменьшения вероятности ошибки распознавания состояния штанговой крепи и массива пород может быть рекомендован как имеющий преимущество по сравнению с другими.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Вознесенский Е.А. - студент физико-технического факультета, Московский государственный горный университет.
