CC BY
406
УДК 622.1 (075)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ МАРКШЕЙДЕРСКИХ РАБОТ В ШАХТНОМ СТВОЛЕ
Сергей Константинович Люфт
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: magneizy@mail.ru
Ольга Газисовна Бесимбаева
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: bog250456@mail.ru
Нурлан Газисович Бесимбаев
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистр технических наук, тел. (7212)56-26-27
Айзада Зарлыковна Капасова
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27
В статье рассмотрен вопрос использования метода лазерного сканирования для передачи высотной отметки в шахту, проведения ориентирно-соеденительной съёмки и создания 3Д модели шахтного ствола.
Ключевые слова: лазерное сканирование, цифровая модель, вертикальный ствол, сканы.
APPLICATION OF LASER SCANNING METHOD FOR EXECUTION OF MINE SURVEY WORKS IN MINE SHAFT
Sergey K. Lyuft
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., Master student of chair of Mine survey and geodesy, tеl. (7212)56-26-27, e-mail: magneizy@mail.ru
Olga G. Besimbaeva
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., associate professor of Mine survey and geodesy department, cand. tech. sci., 1еХ. (7212)56-26-27, e-mail: bog250456@mail.ru
Nurlan G. Besimbaev
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., Master of technical sciences of chair of Mine survey and geodesy, 1еХ. (7212)56-26-27
Aizada Z. Kapasova
Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Bl., Master student of chair of Mine survey and geodesy, 1еХ. (7212)56-26-27
204
Article examines the issue of application of laser scanning method for transmission of elevation point to the mine, execution of reference and communication survey and creation of 3D model of mine shaft.
Key words: laser scanning, digital model, vertical shaft, scans.
В Карагандинской области существует большое количество горных предприятий, на каждом из которых функционируют вертикальные стволы. Так как срок службы горных предприятий 50-70 лет, то мониторинг состояния вертикальных шахтных стволов является актуальным вопросов для обеспечения безопасности ведения горных работ.
В настоящее время лазерное сканирование применяется для большого спектра маркшейдерско-геодезических работ, таких как: топографическая съемка, создание 3Д моделей горных выработок, мониторинг деформаций, создание съемочного и опорного обоснования, сканирование недоступных подземных полостей и решения других инженерно-геодезических задач.
На горных предприятиях, для успешного ведения горных работ и их маркшейдерского обеспечения, периодически, согласно требованиям Инструкции [1] необходимо производить специальные виды маркшейдерских работ: передачу высотной отметки, ориентирно-соединительную съёмку и профилирование стволов. С увеличением глубины ведения горных работ, усиливается влияние горного давления на выработки, поэтому более актуальной становится задача повышения точности определения высотных отметок и координат пунктов маркшейдерской опорной сети, используемых для задания направления горным выработкам, и производства наблюдений за состоянием и деформациями горных выработок.
Основной недостаток существующих способов передачи высотной отметки через вертикальные горные выработки заключается в обилии поправок в измерения (за температуру, за компарирование лент, проволок, мерных дисков, за удлинение длины мерного прибора от собственного веса и подвешенного груза [1] и т.п.) и, как следствие, высокая погрешность определения превышения между реперами. При введении поправок исходят из строгого соответствия эталону материалов, из которых изготовлены части мерных приборов, что практически недостижимо. Поэтому факт незначительных отличий превышения при повторной передаче отметки не являются признаком высокой точности определения превышения между реперами на поверхности и в шахте.
К числу других недостатков также можно отнести ограничения по глубине работ (шахтные ленты до 500 метров, длинномер ДА-2 до 1000 м), большие затраты времени, возможность обрыва мерных приборов или их запутывания в имеющемся в стволе оборудовании.
При ориентировании выработок возникают проблемы с опусканием в ствол отвесов и их качанием, что сильно затрудняет измерения. Так же повышенную опасность выполнения работ на шахтном горизонте (при
примыкании к отвесам) представляет собой вероятность падения посторонних предметов в ствол с поверхности или с вышележащих горизонтов, а раздельное выполнение горизонтальной и вертикальной соединительных съемок, увеличивает трудоемкость и продолжительность всего комплекса работ.
Передача отметки и ориентирование с помощью светодальномера, казалось бы, решило проблему, но в большинстве шахтных стволов, особенно большой глубины, наблюдается сильный «капёж», что во многих случаях делает измерения невозможными, да и выполняется эта работа в комплексе с передачей дирекционного угла в шахту и плановых координат, что значительно увеличивает трудозатраты. При производстве профилирования также возникают проблемы с опусканием отвесов в ствол, работа занимает очень много времени и связана с риском для жизни, так как маркшейдер во время измерений часто находится на крыше клети, что очень опасно.
Профилировочные станции СИ-4, СИ-5 решили проблему профилирования стволов, результатами измерений профилированных станций являются графики отклонения проводников от вертикали, их износ и ширина колеи [1], однако информация о состоянии крепи, расстрелов, различных зазоров не выдается.
Для автоматизации вышеназванных работ в стволе, предлагается методика, позволяющая выполнить профилирование, ориентирование горных выработок и передачу высотной отметки на горизонты с помощью наземной лазерной сканирующей системы [2].
Сущность наземного лазерного сканирования заключается в измерении с высокой скоростью расстояний от сканера до точек объекта и регистрации соответствующих направлений (вертикальных и горизонтальных углов), следовательно, измеряемые величины при наземном лазерном сканировании являются аналогичными, как и при работе с электронными тахеометрами. Однако принцип тотальной съёмки объекта, а не его отдельных точек, характеризуют лазерные сканеры, как съемочную систему, результатом работы которой является трехмерное изображение, так называемый скан, который имеет свою внутреннюю систему координат [2].
Основными элементами лазерного сканера являются - лазерный дальномер и механическая система развертки направления визирования. Важной частью методики съемки является решение задачи внешнего ориентирования результатов измерений.
Для ориентирования позиции сканера в пространстве, сшивки сканов (облаков точек) используются отражатели (марки). Точность сшивки сканов напрямую зависит от точности измерений на эти марки, типа марок и геометрии фигуры [3].
Установка сканирующей системы и оборудования в клети один из важнейших этапов сканирования ствола. Для получения высокоточных измерений и для сохранности сканера, все узлы сканирующей системы необходимо надёжно закрепить, чтобы при этом обеспечивалась возможность выполнений измерений. Сканер устанавливается через технологическое
отверстие в днище клети, а при его отсутствии, можно изготовить и приварить кронштейн к днищу клети (рис. 1).
При закреплении сканера необходимо соблюдать несколько важных условий:
1. Сканер должен быть надёжно закреплён под клетью, исключая падения прибора с учётом возможных перегрузок и резких остановок клети.
2. Необходимо обеспечить сканирующую систему питанием, чтобы заряда аккумулятора с запасом хватило на производство всех измерений.
3. Необходимо обеспечить надёжную связь оператора находящегося в клети с прибором, для управления сканированием. Если при этом используется связь по кабелям, то все провода надёжно закрепляются к самой клети и не должна выходить за её габариты.
4. Расположение сканера должно быть таким образом, чтобы обеспечивалось сканирование в сторону рассечки горизонтов и вниз от клети.
Рис. 1. Модель закрепления сканера под днищем клети
Лазерная съемка в стволе производится в следующем порядке:
1. Выполняется проложение полигонометрического хода от подходных пунктов к устью ствола с использованием электронного тахеометра.
2. Производят установку отражателей (марок) в устье ствола и по вертикальной оси ствола на несущих расстрелах для сшивки скановых изображений.
3. Производят закрепление сканера под днищем клети.
4. Выполняют определение координат марок на поверхности полярным способом с использованием электронного тахеометра.
5. Производят сканирование вертикального шахтного ствола согласно схемы представленной на рис. 2.
Сканер закрепляется через технологическое отверстие под днищем клети, ось вращения сканирующей части должна располагаться перпендикулярно подземным горным выработкам.
Расстояние между скан позициями в стволе колеблется от 40 до 70 метров, оно будет зависеть: от условий окружающей среды в стволе, типа ствола и типа применяемых отражателей.
Для привязки скан позиций предпочтительней использовать плоские отражающие марки на магнитах, т.к. они без труда закрепляются на расстрелах. Для одной скан позиции рекомендуется закреплять не менее пяти марок, на максимальных расстояниях друг от друга и на разной высотах, что позволит минимизировать ошибку привязки сканера к местной системе координат [2]. В горизонтальных выработках следует подвешивать под маркшейдерскими точками сферические марки.
Рис. 2. Схема сканирования вертикального шахтного ствола
п1,...п5 - марки находящиеся в надшахтном здании (на дневной поверхности); р1,...р8 - марки находящиеся в стволе закреплённые на расстрелах; S1, S2 ^3- номера сканпозиций; МТ1, МТ2 - пункты маркшейдерской опорной сети; т1,т2 - марки сцентрированные или подвешенные под маркшейдерскими точками.
Разработанная технология позволит минимизировать время производства маркшейдерских работ в стволе, одномоментно произвести ориентирно-
соединительную и вертикальную съемку; профилирование стволов с получением данных о состоянии проводников и расстрелов; создание 3D модели вертикального ствола и сопряжений с выработками околоствольного двора. Количество и точность данных получаемых при производстве сканирования несоизмеримо с другими методами измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по производству маркшейдерских работ. - М.: Недра, 1987. - С.240.
2. Гриднев С. О. Методика выполнения маркшейдерских работ в шахтных стволах на основе лазерного сканирования: - автореферат канд. техн. наук. - Иркутск, 2010. - 40 с.
3. Хмырова Е.Н., Бесимбаева О.Г., Кусаинова Г.Д., Кошеров О.К. Создание трехмерной модели уникального здания «Хан- Шатыр» с использованием лазерного сканера // Вестник Евразийского национального Университета им. Л.Н. Гумилева. - Астана, 2013. - №6. - С. 188-193.
© Л. С. Люфт, О. Г. Бесимбаева, Н. Г. Бесимбаев, А. З. Капасова, 2015
