CC BY
14
© C.B. Панишев, C.A. Ермаков, Д.С. Козлов, М.С. Максимов, И.В. Васильев, 2014
УДК 622.271.7:621
С.В. Панишев, С.А. Ермаков, Д.С. Козлов, М.С. Максимов, И.В. Васильев
МОНИТОРИНГ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДРАГЛАЙНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ СЪЕМКИ ЗАБОЯ И СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛАСТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ
Представлены результаты использования тепловизионной съемки и системы лазерного сканирования для мониторинга производительности драглайна в условиях месторождения зоны многолетней мерзлоты. Анализ полученных термографических снимков показал, что отрицательные температуры в поверхностном слое забоя драглайна фиксируются на протяжении всего сезона вскрышных работ. При этом, с учетом возрастающих температур воздуха, солнечной инсоляции средняя температура по площади ведения работ в забое, повышается. Ключевые слова: многолетняя мерзлота, термография, лазерное сканирование, драглайн.
Температурный режим вскрышных пород при эксплуатации месторождений расположенных в зоне распространения многолетней мерзлоты всегда определяет способы выемки горной массы, производительность выемочного оборудования и эффективность работы предприятия.
При больших мощностях вскрышных пород на пластовых месторождениях основным вскрышным оборудованием являются экскаваторы-драглайны. Несмотря на значительные экономические преимущества по сравнению с другим выемочно-погрузоч-ным оборудованием, недостатком драглайнов является высокая зависимость их производительности от свойств разрабатываемого массива. Обычно это некачественное дробление, повышенная влажность пород, налипание их на ковш.
В условиях месторождений кри-олитозоны разработка вскрышных пород с предварительным буровзрывным рыхлением осложняется повторным смерзанием кусков отбитой горной массы, причем прочность смерзания может достигать несколь-
ких МПа, и в этом случае взорванный массив представляет для драглайна почти непреодолимое препятствие.
Для снижения влияния повторного смерзания на работу драглайна в ИГДС СО РАН был предложен способ разработки, в котором учет смерзания взорванной породы осуществляется путем ограничения длины экскаваторного блока и посредством специальной организации работ на вскрышном уступе [1].
Здесь следует отметить, что с учетом годового температурного режима горных пород в криолитозоне [2], при значительных мощностях вскрыши отработка ее драглайном будет всегда сопровождаться наличием отрицательной температуры в развале взорванной горной массы.
Недостатком предложенного способа является то, что он не учитывает формирование температурных полей в развале взорванных многолетне-мерзлых пород вскрышного уступа, определяющих зоны смерзания.
Сотрудниками лаборатории открытых горных работ ИГДС СО РАН ведутся системные аналитические, ла-
бораторные и натурные исследования процесса повторного смерзания горных пород с целью совершенствования и обоснования рациональных параметров бестранспортной технологии внутреннего отвалообразования в условиях криолитозоны.
По результатам натурных исследований получен ряд интересных научных результатов:
Так для условий разреза «Канга-ласский» экспериментально установлен характер изменения температуры поверхностного слоя смерзшихся горных пород взорванного массива при последовательном обнажении забоя и ее взаимосвязь с производительностью драглайна.
Для определения закономерностей формирования температурного поля взорванных вскрышных пород на угольном разрезе «Кангаласский» в течение ряда лет проводятся натурные исследования:
1. по стационарным и временным скважинам на борту разреза и забуренным по взрываемым блокам, с применением термогирлянд и цифрового мультиметра вОМ-450Т;
2. в поверхностном слое забоя драглайна в процессе его работы. Температура поверхности измерялась пирометром БТ-12Ь и при помощи тепловизора риИ-БС 660;
3. температура и влажность воздуха измерялась при помощи регистраторов температуры и влажности воздуха «Сеп1ег-342», «Сеп1ег-314» и цифрового термометра «Аша-Лд^ аС20Ш».
Так же проводился хронометраж и видеосъемка рабочего процесса драглайна, выполнялась оценка гранулометрии взорванной горной массы в развале и экскаваторном забое в различные периоды года. Несмотря на научную новизну и большую практическую значимость полученных результатов исследований, некоторые исследу-
емые показатели требуют дальнейшего уточнения.
Так применение пирометров дает представление о характере изменчивости температурного поля в забое драглайна, но не позволяет визуализировать его по всей рабочей зоне и высоте забоя. С учетом известной схемы деформации взорванного массива [3], и температурного режима горных пород в криолитозоне по глубине [2], визуализация температурных полей в рабочей зоне драглайна представляет собой важный прикладной интерес.
К тому же регистрация температуры в процессе работы драглайна, непосредственно из-под ковша практически невозможна. По ряду обьек-тивных причин регистрация фактически выполненных объемов работ драглайном (оценка производительности) также крайне затруднена.
Вышеуказанные причины вызвали необходимость применения в исследованиях современных цифровых устройств, таких как тепловизор FLIR-SC 660 и система лазерного сканирования швейцарской фирмы Leica HDS 8800.
Несмотря на то, что тепловизоры нашли широкое применение в различных областях промышленности, использование тепловизионной техники в горном деле для специализированных исследований носит пионерный характер. С учетом этого, при проведении натурных термографических исследований на Кангаласском угольном разрезе была выполнена оценка влияния некоторых факторов среды на показания тепловизора.
Было оценено:
• влияние влажности горных пород на температуру поверхностного слоя в забое драглайна;
• взаимосвязь скорости ветра и влажности воздуха с получаемыми термографическими данными объекта исследований.
Рис. 1. Термографический снимок забоя драглайна
Рис. 2. Таликовые зоны по борту угольного разреза
Рис. 3. Взаимосвязь производительности драглайна с температурой породы в забое
Полученные предварительные результаты натурных исследований показывают, что тепловизором хорошо диагностируются зоны знакопеременных температур в процессе отработки взорванного мно-голетнемерзлого массива, а также участки повышенной влажности пород (рис. 1 и 2, соответственно).
Сопоставимость абсолютных значений температуры по данным тепловизора с данными пирометрических замеров может быть достаточно высокой при расстояниях до 1015 м, и имеет большой разброс значений при расстояниях в несколько десятков метров. При этом, зоны отрицательных температур оконтуриваются всегда достаточно четко. Вместе с тем отмечено, что весьма высока зависимость показаний прибора от условий окружающей среды.
Анализ полученных термографических снимков показал, что отрицательные температуры в поверхностном слое забоя драглайна фиксируются на протяжении всего сезона вскрышных работ, с апреля по август. При этом, с учетом возрастающих температур воздуха, солнечной инсоляции средняя температура по площади ведения работ в забое, повышается.
По рабочей площади забоя наблюдаются как положительные, так и от-
рицательные температуры пород. За счет этого, средняя температура пород забоя в начале сезона ведения работ (апрель) может быть отрицательной или близкой к 0 °С. С преобладанием теплых температур воздуха и их ростом средняя температура пород забоя имеет тенденцию к повышению.
Несмотря в целом на монотонно повышающуюся среднюю температуру поверхностного слоя забоя драглайна в течение сезона вскрышных работ (по данным пирометрических замеров и тепловизионной съемки), регулярно отмечались и отрицательные температуры в этом слое. По данным тепловизионной съемки забоя отрицательные температуры наблюдались обычно в зоне активного внедрения ковша в породу (по следу, или борозде внедрения ковша), а по данным пирометрической съемки - в контрольных лунках на глубинах до нескольких сантиметров.
При этом, отмечено, что разница между максимальными и минимальными температурами поверхностного слоя породы в абсолютном значении может достигать: в апреле 2,65-5,33 °С, в мае от 2 до 9,17 °С, в июне от 6,84 до 12,05 °С, в июле от
Рис. 4. Участок работ, вид сверху:
1 - опорная точка; 2 - экскаватор; 3 - экскаваторный забой
2,51 до 9,9 °С и в августе от 6,25 до 9,07 °С, т.е. от 1,45 до 4,6 раза.
Взаимосвязь производительности драглайна от температуры породы в забое показана на рис. 3.
В течение сезона вскрышных работ для мониторинга выполненных
Б 4 0
t t \ - Д[
гк
1 аК- Е
• определение объемов выработанных пространств и отвалов;
• картографирование объектов открытых горных работ;
• геологическое картирование различных породных обнажений.
Практическая задача состояла в мониторинге движения экскаваторного забоя на угольном разрезе, построение 3D модели и подсчет выполненных объемов за конкретный промежуток времени.
Для решения поставленной цели была выбрана основная опорная точка на дневной поверхности (рис. 4) с которой отчетливо просматривается участок работ (рис. 5) и были произведены планируемые иссле-
Рис. 6. А - поверхности 1 и 5; Б - поверхности дования с исп°льз°ванием
в разрезе лазерного сканера.
Еще две вспомогатель-
драглайном объемов была апробиро- ные точки были определены впереди, вана система лазерного сканирования на уступе по ходу продвижения забоя Leica HDS 8800, отличающаяся вы- и позади драглайна. За исследуемый сокой скоростью сканирования, про- период были выполнены 4 замера тестой в управлении, удобством в ис- кущих состояний. По результатам за-пользовании. Система кроме высоко- меров получены поперечные сечения скоростного сканера так же включает: площадей забоя драглайна на конкрет-цифровую панорамную фотокамеру с ные даты, по которым были определе-разрешением 70 мПкс, позволяющую ны объемы выполненных работ (рис. 6). получать снимки с высококачествен- Полученные результаты исследова-ным изображением; планшетный по- ний позволяют сделать вывод о том, левой компьютер (ППК) Xplore, и оп- что применение методов тепловизи-тический трегер, обеспечивающий онной съемки и наземного лазерного стабильную устойчивость прибора во сканирования позволяет значительно время работ. повысить точность и достоверность
Система осуществляет выполнение натурных исследований при изучении
следующих операций: процесса повторного смерзания взор-
• измерение горизонтальных и вер- ванных вскрышных пород на открытых тикальных углов; разработках в условиях месторожде-
• измерение расстояний; ний области многолетней мерзлоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авторское свидетельство № 1624152, Кл. Е 21 С 41/00. Способ разработки вскрышных пород / И.И. Заудальский, А.С. Марченко, С.Н. Петров и др. (СССР); Заявл. 17.10.1998; Опубл. 01.10.1990. // Открытия, изобретения. - 1991. - № 4. -С. 89.
2. Панишев C.B. Влияние температурного режима на эффективность разработки
вскрышных пород криолитозоны / С.В. Панишев, С.А. Ермаков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 2. - С. 132-138.
3. Гальюнов A.B., Рождественский В.Н., Блинов А.Н. Трансформация структуры горных массивов при взрывных работах на карьерах. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. - 140 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Панишев Сергей Викторович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: s.v.panishev@igds.ysn.ru,
Ермаков Сергей Александрович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, e-mail: s.a.ermakov@igds.ysn.ru,
Козлов Денис Сергеевич - ведущий инженер, e-mail: dan_xw@mail.ru, Максимов Михаил Саввич - инженер, e-mail: mexes_07@mail.ru, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
Васильев Иннокентий Васильевич - аспирант, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова.
UDC 622.271.7:621
DRAGLINE PRODUCTIVITY MONITORING USING THERMAL PHOTOGRAPHY AND LASER SCANNING IN SHEET DEPOSIT MINING IN PERMAFROST ZONE
Panishev S.V., Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, e-mail: s.v.panishev@igds.ysn.ru, Ermakov S.A., Candidate of Engineering Sciences, Head of Laboratory, e-mail: s.a.ermakov@igds.ysn.ru, Kozlov D.S., Leading Engineer, e-mail: dan_xw@mail.ru, Maksimov M.S., Engineer, e-mail: mexes_07@mail.ru,
Chersky Institute of Mining of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Vasil'ev I.V., Graduate Student, Ammosov North-East Federal University.
The results of the use of thermal imaging surveys and laser scanning systems for performance monitoring in field conditions dragline permafrost zone. Analysis of the infrared images showed that a negative temperature in the surface layer of the bottom of the dragline recorded throughout the season stripping operations. At the same time, given the increasing air temperatures, insolation, the average temperature in the area of reference works at the bottom of the rise. Noted, that the thermal imager well diagnosed zone alternating temperatures in the mine excavator, and also areas of high humidity rocks. Found that the temperature according to the comparability of thermography data pyrometric measurements can be high for distances up to 10-15m, and has a large range of values for distances of several tens of meters. It is shown that the application of thermal imaging surveys and terrestrial laser scanning can significantly improve the accuracy and reliability of field research in the study of refreezing process blasted overburden at open fields under the area of permafrost.
Key words: permafrost, thermography, laser scanning, dragline.
REFERENCES
1. Zaudal'skij I.I., Marchenko A.S., Petrov S.N. Avtorskoe svidetel'stvo no 1624152, Kl. E 21 S 41/00. Sposob razrabotki vskryshnyh porod (Author's Certificate No. 1624152. Overburden removal method), Otkrytija, izobretenija, 1991, no 4, p. 89.
2. Panishev S.V., Ermakov S.A. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2013, no 2, pp. 132-138.
3. Gal'junov A.V., Rozhdestvenskij V.N., Blinov A.N. Transformacija struktury gornyh massivov pri vzryvnyh rabotah na kar'erah (Rock mass structure transformation by blasting in open pit mines ), Ekaterinburg, IGD UrO RAN, 1999, 140 p.
