CC BY
6
D0l:10.37614/2307-5228.2021.13.3.004
УДК 622.833.5
РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ПРОВЕДЕНИЯ ОБЪЕМНОГО СКАНИРОВАНИЯ И ПРОФИЛИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК
С.В. Дмитриев
Горный институт КНЦ РАН, s.dmitriev@ksc.ru
В статье изложен способ съемки сечений выработки для определения действующих напряжений в массиве. Изложены метод съемки с использованием лазерного дальномера и его альтернатива в виде трехмерного сканера на основе оптического датчика LIDAR-Lite v3. Описаны принцип работы и характеристики разработанного прибора, его преимущества и недостатки в сравнении с готовыми решениями. Продемонстрированы результаты испытаний в условиях подземной горной выработки в полевом штреке ВПШ/30 шахты «Каула-Котсельваара», которая эксплуатируется АО «Кольская ГМК».
Ключевые слова:
напряженно-
деформированное
состояние,
выработка,
3D-сканирование,
сечение,
облако точек
DEVELOPMENT OF TOOLS FOR VOLUMETRIC SCANNING AND PROFILING OF UNDERGROUND WORKINGS
S.V. Dmitriyev
Mining Institute of Kola Science Centre of the Russian Academy of Science, s.dmitriev@ksc.ru
The article describes a method for shooting sections of a underground working to determine the effective stresses in the rock mass. A shooting method using a laser rangefinder and its alternative in the form of a three-dimensional scanner based on an optical sensor LIDAR-Lite v3. The principle of operation and characteristics of the developed device, its advantages and disadvantages in comparison with ready-made solutions are described. The results of tests in the conditions of underground working in the waste roadway of the «Kaula-Kotselvaara» mine, which is operated by the JSC «Kola GMK», have been demonstrated.
Keywords:
stress-strain state, underground working, 3D scanning, section, point cloud
Введение
Исследование влияния напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на устойчивость горных выработок является важной и актуальной задачей. Заблаговременный прогноз и предупреждение динамических проявлений горного давления позволяет повысить безопасность
ведения горных работ и эффективность технологического процесса. Ежегодно на подземных рудниках проходятся километры выработок, сотни километров одновременно находятся в эксплуатации. Их поддержание и безопасная эксплуатация требует значительных материальных затрат.
Ведение горных работ имеет тенденцию к увеличению глубины отрабатываемых запа-
сов, что приводит к ухудшению геологических, горнотехнических и геомеханических условий, в частности, растут действующие в массиве напряжения. Для апатитовых рудников Хибин характерно преобладание тектонических напряжений над гравитационными [Пантелеев и др., 2020]. При несовпадении заложения выработки к вектору результирующей действующих в массиве напряжений на ее контуре формируются зоны повышенных концентраций, проявляющиеся в нарушении определенного сектора приконтурной части в виде шелушения, динамического заколообразования илисобственно горного удара. Вычисление угла расположения зоны, ее протяженности и объема разрушения является важным критерием оценки геодинамического состояния массива в целом, а также выбор способа и параметров профилактических мероприятий по предупреждению горных ударов.
Материал и методика исследования
По сегодняшний день для измерений размеров сечений горной выработки используется разработанный в Горном институте КНЦ комплекс «КРВ-Лазер» [Константинов, Зем-цовский, 2009]. Данный комплекс представ-
ляет собой переносной прибор (рис. 1) на основе лазерного измерителя расстояний Leica DISTO™ (Leica Geosystems AG, Швейцария) и предназначен для дискретного сканирования сечений горных выработок и других полостей в произвольной заданной плоскости.
Данный комплекс позволяет получить фактические размеры сечения горной выработки. Результаты измерений позволяют оценить параметры и скорость разрушения выработки [Константинов, Земцовский, 2009].
Съёмка сечений выполняется лазерной рулеткой, устанавливаемой на штативе. Перед установкой штатива необходимо убедиться в безопасном состоянии контура выработки.
Штатив устанавливается по возможности (если это не противоречит условиям безопасности) в центре выработки, плоскость вращения рулетки должна располагаться перпендикулярно оси выработки. Для проверки правильности установки рулетки несколько раз прогоняют луч по кругу. Измерения угла наклона и расстояния до контура в зоне существенной нарушенности производятся с шагом 10°. Необходимо контролировать, чтобы точка на рулетке, от которой берутся отсчеты, совпадала с осью ее вращения, или учесть это при обработке данных съемки.
Рис. 2. Схема съемки сечения выработки
Рис 3. Трехмерный сканер выработок на основе LIDAR-Lite v3
Существенным недостатком данного метода является необходимость продолжительного нахождения специалиста непосредственно в зоне нарушения кровли выработки. В дополнение к опасности процедуры съемки сечения данным методом, осложняющим фактором, является необходимость ручного изменения положения прибора, его позиционирование в пространстве и время самой съемки (рис. 2).
Чтобы упростить данную процедуру, было принято решение автоматизировать её выполнение. Для этого на базе оптического дальномера LIDAR-Lite v3 ^апглп 1т) для дронов, роботов, беспилотных транспортных средств был спроектирован и разработан трехмерный оптический сканер.
Данный датчик обладает следующими характеристиками:
• разрешение — 1 см;
• диапазон — 5 см-40 м;
• рабочая температура — от -20 до 60° С;
• частота повторения — 1-500
Благодаря достаточному рабочему диапазону сканер можно установить непосредственно в зоне обрушения и построить трехмерное облако точек выработки протяженностью до 80 м. Частота повторения
датчика позволяет построить плотную объемную картину, состоящую из 332 800 точек за непродолжительное время. Температура в выработках месторождений Хибин входит в диапазон рабочей температура датчика.
Для обеспечения точного поворота на 0,1125° были использованы шаговые двигатели под управлением платы Arduino Uno с микроконтроллером ATmega328p. В разработанном устройстве также была реализована возможность сохранения отсканированных данных на съемном flash-накопителе, что избавило от необходимости записывать данные наблюдений вручную.
Наличие механических и оптических датчиков - концевиков - обеспечило возможность позиционирования оптического дальномера в пространстве, что позволяет производить повторную съемку на одном участке начиная с одной и той же позиции.
Корпус сканера (рис. 3) изготовлен с использованием аддитивных технологий, а именно 3D-печати, из люминесцентного пластика.
Разработанный сканер значительно уступает в точности и скорости сканирования своим аналогам (Leica, Trimble, Topcon, Faro), однако в десятки и сотни раз выигрывает в себестои-
Рис. 4. Локация
тестовых
испытаний
сканера.
ВПШ/30
Ждановского
месторождения
Кольской ГМК
мости. Заявленного рабочего диапазона и разрешения датчика достаточно для поставленных задач, при условии низкой себестоимости и высокой ремонтопригодности прибора.
Результаты и их обсуждение
Для оценки работоспособности сканера во вредных условиях подземных выработок, таких как высокая влажность и запыленность, было принято решение провести тестовые
испытания прибора на горном предприятии. В качестве тестовой выработки был выбран восточный полевой штрек ВПШ/30 шахты «Ка-ула-Котсельваара», которая эксплуатируется АО «Кольская ГМК» (рис. 4).
В результате произведенных тестовых сканирований, были получены трехмерные контуры выработки в виде облака точек (рис. 5). Присутствующая в выработке запыленность не оказала значительного воздействия на результат.
Рис. 5.
Результат
тестового
сканирования
подземной
выработки.
Трехмерная
поверхность
кровли и стенок
выработки
с выделенным
контуром
Выводы
В результате сканирования получено плотное облако точек, из которого можно выделить отдельные сечения выработки. В дальнейших исследованиях и испытаниях прибора планируется использовать сканер на незакрепленном участке выработки для оценки объемов возможных вывалов породы и определения действующих напряжений в массиве.
Результаты сканирования могут быть использованы для создания численных моделей, которые позволят провести расчет НДС приконтурного массива и выполнить прогноз устойчивости выработок. Кроме того, данные, полученные при сканировании, будут полезны для специалистов маркшейдерского отдела.
Низкая себестоимость, высокая ремонтопригодность и повышение безопасности процесса съемки сечения выработки подтверждают целесообразность разработки и использования данного прибора для исследований разрушения контура выработки.
Благодарности
Автор выражает благодарность сотрудникам отдела «Геомеханики» Горного института КНЦ РАН А.В. Пантелееву и К.Н. Константинову за помощь в подготовке данной работы, а также А.В. Земцовскому за предоставленную возможность реализации проекта.
Литература
1. Константинов К.Н., Земцовский А.В. Исследование напряженно-деформированного состояния массива в окрестности горной выработки с учетом её фактического сечения // III Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Проблемы недропользования». 2009. С.280-287
2. Пантелеев А.В., Каспарьян Э.В., Семенова И.Э. Методика визуальных наблюдений в подземных горных выработках на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2020. С. 39-40.
3. Тимофеев В.В. Технические и программно-методические средства мониторинга опасных состояний массивов горных пород хибинских апатитовых рудников. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2003. С. 168-190.
