CC BY
40
УДК 622.272 Штефан Петерс
СКВАЖИННЫЙ ВИДЕОЗОНД ДЛЯ ОЦЕНКИ СТРОЕНИЯ ПОРОД КРОВЛИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ КАМЕННОГО УГЛЯ
Семинар № 3
Автономный видеозонд наружным диаметром 23 мм для скважин штангового крепления является неприхотливым в эксплуатации инструментом для коротких шпуров малого диаметра. Он предназначен для мониторинга стенок скважины, определения разделяющих плоскостей, величины раскрытия трещин и литологии. Периодический осмотр скважин дает объективную информацию о процессе расслоения и состоянии кровли горных выработок. Специально разработанное программное обеспечение с помощью встроенных модулей позволяет осуществлять администрирование большого количества измерений, размещенных в банке данных, обработку изображений стенок скважины, а также их оценку и интерпретацию.
Крайне важным преимуществом скважинного видеозонда является возможность быстрого и не требующего значительных затрат определения структуры, что важно для безопасности оценки состояния массива пород и объективной документации при проходке горных выработок.
Области применения зонда
При проектировании и оптимизации анкерной крепи кровли горных выработок и, в особенности, при расчете анкеров важнейшую роль играет информация о свойствах горных пород. Для этого необходимы экономически рентабельные и по возможно-
ста количественные измерительные методы и технические средства, позволяющие получать необходимые результаты за короткое время.
В качестве измерительного инструмента, позволяющего решить указанные задачи и дающего возможность получения информации о структуре кровли в штреках, был разработан скважинный видеозонд (СВЗ). С его помощью в шпурах, предназначенных для анкерной крепи, могут быть определены структурные особенности горных пород. Этот прибор позволяет устанавливать важнейшие геомеха-нические свойства пород.
Автономный мобильный зонд вводится в скважину для оптической съемки его стенок. При этом определяется пространственное положение плоскостей ослабления и их частотное распределение, которые используются для установления ориентации систем трещин в висячем боку штрека или в кровле туннеля (рис. 1, [1]). Многократный осмотр скважины дает объективную информацию об ослаблении связей между слоями и блоками и об их изменении во времени. Путем получения информации из многих шпуров может быть определено состояние кровли в целом.
Полученные в результате съемки данные интерпретируются с помощью специально разработанного программного обеспечения (ПО), основой которого является банк данных.
ПО позволяет осуществлять использование и управление большими массивами данных, а также обработку, оценку и интерпретацию изображений стенок скважин [2, 3]. Для интерпретации ПО дает возможность автоматизированного определения ширины раскрытия трещин и сравнения новых данных с данными, полученными ранее. Благодаря этому становится возможным в полуавтоматическом режиме фиксировать изменения ширины раскрытия трещин. Целью проводимых операций является определение и визуализация в реальном времени и с минимальными стоимостными затратами изменений структуры в зонах дезинтеграций на основе отдельных измерений, проводимых в
различные моменты времени. Своевременное выявление таких зон облегчает быстрое принятие соответствующих мер [4, 5].
Конструкция скважинного зонда
СВЗ представляет собой беска-бельное автономное оптическое устройство с внешним диаметром 23 мм. Геометрические размеры зонда выбраны таким образом, чтобы цифровая съемка стенок шпура была бы оптимальной при его размерах в диапазоне от 25 до 30 мм. Благодаря малым размерам и весу зонд с помощью удлинительных штанг может вручную перемещаться по шпуру.
- Датчик перемещений
Электронный блок
Рис. 2. Скважинный зонд в разобранном виде Технические характеристики скважинного зонда
Батарейный
отсек
Питание 3 - 5 элементов ОыгасеИ МШ500 1,5У
Объем запоминающего устройства 32 МВ (256 МВ в перспективе)
Длина зонда 1300 мм
Диаметр зонда 23 мм
Вес зонда 2,2 кг
Видеоматрица ПЗС, цветная
Максимальная частота съемки 25 изображений в секунду
Максимальная скорость съемки 5 см/сек
Освещение 8 белых светодиодов
Защита группы 3 I По требованию заказчика
Измерение глубины Датчик пути, управляемый колесом
Конструкция зонда представлена на рис. 2. Он состоит из видеоголовки, блока датчика перемещений, электронного блока, блока памяти и батарейного отсека, содержащего также инфракрасный порт для обмена данными с внешними устройствами.
Питание СВЗ осуществляется с помощью миниатюрных батарей. Изображения стенок скважин воспринимаются цветной ПЗС-матрицей и в цифровом виде запоминаются в зонде. Емкости запоминающего устройства достаточно для проведения многих измерений, таким образом, необязательно считывать всю информацию из зонда и очищать его память после каждого измерения. Управление и калибровка СВЗ осуществляется с помощью нот-бук-компьютера или наладонника через
ИК-порт, размещенный в хвостовой части батарейного отсека.
Управление съемкой отдельных изображений осуществляется датчиком перемещений, который кроме управления съемкой осуществляет также измерение глубины и дает возможность точного измерения показателей, характеризующих структуру (например, расстояние между слоями и так называемый показатель НОЭ1, величину раскрытия трещин, мощность слоев и т. д.).
Технические характеристики зонда приведены в таблице.
1 RQD (Rock Quality Designation) - показатель качества горной породы, определяемый как отношение суммарной длины кусков керна длиной более 10 см к общей длине керна, выражается в процентах.
Рис. 3. Разделяющая плоскость, пер- Рис. 4. Восходящая и падающая плос-пендикулярная оси скважины, в трех- кости в трехмерном изображении (сле-мерном изображении (слева), и соот- ва) и их синусоидальные отображения ветствующая развертка стенки сква- на развертке (справа) жины (справа)
Досыльная штанга
По скважине зонд перемешается с помощью досыльной штанги. При разработке ее конструкции особе внимание было обращено на малый вес и вращательную жесткость соединительных узлов. Благодаря особому ребру жесткости, встроенному в каждое соединительное звено досыльной штанги, гарантируется хорошая ориентация зонда в скважине. Помимо варианта штанги из высококачественной стали дополнительно разработан вариант штанги из особенно легкого искусственного материала. Благодаря графитовому покрытию этот вариант обеспечивает хорошие антистатические свойства штанги.
Ориентация регистрируемых структур
СВЗ сканирует поверхность скважины в полном обзорном угле 360°, т. е. он охватывает полную окружность поверхности скважины. Цилиндрическая поверхность скважины преобразуется в виде развертки в двумерное изображение. Это приводит к тому, что плоские структуры, как, например, поверхности слоев, трещины и т. д., которые ориентированы не перпендикулярно оси сква-
жины, приобретают вид синусоидальных линий (рис. 3, 4). При вертикальном расположении скважины величина амплитуды синусоиды пропорциональна углу между осью скважины и перпендикуляром к секущей поверхности, т. е. чем круче расположена плоская структура, тем больше амплитуда. В предельном случае при угле между осью скважины и поверхностью, равном 90°, (т. е. когда угол между осью и перпендикуляром к поверхности равен 0°), амплитуда синусоиды равна нулю, вследствие чего плоская поверхность на двумерной развертке изображается в виде прямой линии.
Эти эффекты линейного отображения плоской структуры на развертке могут быть использованы для определения ее положения в пространстве. Если изображение строго ориентировано, т. е. на рисунке определено направление на север и оно принято за начало отсчета шкалы х=0, то по значению координаты х, соответствующей минимальному (отрицательному) значению синусоиды определяется направление падения секущей плоскости, а по соответствующей величине амплитуды у - угол
0° 90° 180° 270° 360°
N Е 5 V 1 1 V N
[а
т
падения (рис. 4 и 5). Если положение скважины отлично от вертикального, вычисляются кажущиеся параметры ориентации изучаемой структуры. Они затем могут быть пересчитаны в истинные значения.
В ПО, разработанном для скважинного зонда, плоские структуры в двумерном изображении с помощью простого щелчка мышью, по крайней мере, в трех точках автоматически аппроксимируются синусоидой. Изображения с полученной таким образом синусоидой затем могут быть отнесены к различным типам, например, к трещине, слою и т.д. Расчет их ориентации производится автоматически. Вся информация о структурах затем заносится в банк данных, в котором осуществляется администрирование.
Программное обеспечение
Разработанное программное обеспечение облегчает обработку и администрирование цифровых изображений, полученных с помощью СВЗ. С его помощью полученные данные могут быть обработаны за несколько шагов:
- оптимизация изображений и сопутствующей информации;
- оценка литологии и структуры;
- визуализация результатов;
- сравнение полученных новых данных с уже имеющимися измерениями в этой же или соседних скважинах.
Рис. 5. Определение параметров ориентации плоской структуры при помощи линейной развертки изображения стенок скважины; ориентация плоскости в данном случае 240/26
Рассмотрим эти возможности более подробно.
Оптимизация изображений и сопутствующей информации
Снимки, сделанные с помощью скважинного видеозонда, посредством иБВ-порта копируются из памяти прибора в компьютер и импортируются в формат программы обработки. Оператор при этом для каждого измерения вводит необходимую дополнительную информацию. Среди прочего возможно добавление комментариев к изображению, данных о длине и диаметре скважины, в добавление к полученным ранее изображениям и сведениям также координат и обозначений скважин, в которых проведена текущая съемка. Программное обеспечение дает также широкие возможности для графической обработки цифровых изображений, полученных с помощью зонда. Оператор может эти изображения обрезать, изменять контраст, яркость, гамма-коэффициент, характеризующий нелинейность передаточной функции, увеличивать резкость, смягчать и сглаживать. Наряду с этим имеется функция очистки для удаления артефактов.
Оценка литологии и структуры
С помощью программного обес=-печения из изображений стенок скважины могут быть определены данные о структуре пород, сквозь которые она пробурена. Определение ориентации разделяющих плоскостей производится в автоматизированном режиме путем расстановки на изображении распознаваемых структур опе-
Рис. 6. Развертка поверхности скважины с выделенными структурами
ратором отметок с помощью кнопки мыши и сортировки по различным категориям (трещина, слой и т.д.). Посредством изображений может быть составлено литологическое описание, соответствующее определенной глубине, и затем занесено в банк данных. Визуализация результатов Структуры могут быть размечены как на изображениях стенок скважины, так и в виде плоскостей на различных трехмерных изображениях. При этом сначала создаются двумерные виды отдельных измерительных сечений участка в соответствии с их размещением в скважине. Кроме того, программное обеспечение позволяет получить трехмерное изображение скважины (положение в тоннеле, штреке, окружающий скважину массив с разделяющими структурами), представленное на рис. 6.
Сравнение с уже имеющимися измерениями данной скважины или соседних скважинам
Банк данных, содержащийся в программном обеспечении, служит для архивации и администрирования изображений и информации о скважине (расположение, размеры, профиль тоннеля и т.д.). В частности оно позволяет производить сравнение новых данных с данными,
Рис. 7. Трехмерное изображение строения массива пород вокруг шпура с изображением секущих плоскостей трещин
ИтЭЕ N
От _|_|_|_|_I
0,25 т
0,50 т
Прослоек
слюды
Кварц, полевой шпат
10/50 доп
0,75 т
і Петр°ірафия
От ............
0,50 т
1,00 т
1,50 т
2,00 т
_| 0/50 доп _^5/35 доп 10/20 доп
/15/20 доп 7__|5/12 доп
| -__^110/80 доп
10/35 доп
X
X
X
X ■
X
X
X
X
X
X
X
У
X
X
X
X
Обозначения |у х| І I Трещина
Андезит Группа
трещин
б
Рис. 8. Результаты тестовых измерений; на рисунке глубина указана в метрах (т), единицей измерения угла на рисунках является гон (доп), представляющий собой 1/400 окружности
а
полученными в той же скважине ранее, или с данными других скважин (рис. 7).
Практические испытания скважинного зонда
Тесты, проведенные в скважинах на поверхности, позволили накопить первый опыт практического использования зонда.
На рис. 8, а представлены результаты ряда испытаний, полученных в 2003 г. В районе г. Нью-Йорк (США), испытания были проведены в открытой скважине диаметром 4,5 см для анкерного крепления. Изображение демонстрирует ясное разграничение литологических разновидностей и су-
шествующих поверхностей расслоений. Результаты, представленные на рис. 8, б, получены в 5-сантимет-ровых шпурах для канатной анкерной крепи на реке Хадсон в г. Джерси (США). Исследования с помощью зонда позволили получить данные о пространственном расположении и частоте трещин. Хотя зонд проектировался для скважин диаметром, находящимся в диапазоне от 25 до 32 мм, он показал работоспособность и в скважинах большего диаметра. На изображении структур рис. 8, б ясно прослеживаются очень темные породы (андезит). Сравнительно большой диаметр скважины величиной 5 см и непрерывный
приток воды не нанесли существенного ущерба качеству изображения.
Перспективы развития
Благодаря добавлению узлов оптимизированной передачи данных в дальнейшем возможно осуществить непрерывный мониторинг возникающих расслоений. При возникновении трудностей во время проходки выработок это даст возможность оперативного составления проекта на бурение шпуров для анкерного крепления кровли. В настоящее время также ведутся работы по введению в конструкцию зонда системы ориентации.
Благодарности
Разработка зонда осуществлялась при поддержке объединения ОеизеЬе БіеіпкоЬІе, а также в рамках исследовательского проекта земли Северный Рейн-Вестфалия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Polysos, N., Brandt, K.-H, Peters, S (2003): Geotechnische Gebirgsbewertung im Hinblick auf die Hangendbeherrschung im Strebraum - Glbckauf 139 (2003) Nr.10).
2. Peters, S.; Schlbter, R. (1995): Enhanced PC-Aided Applications in Coal Bed Methane Exploration European Coal Conference 95 Prague, Czech Republic.
3. Peters, S.; Polysos, N.; Tang, U.(2001): EDV-Programme fbr die Aufnahme und Dars-tellung von geotechnischen Gesteinsparame-tern im untertagigen Steinkohlenberbau. 4. Intern. Ankerkolloquium, Aachen, 2001.
4. Polysos, N, Peters, S., (2001): Determination and IT-supported evaluation of rock mechanical parameters and their utilisation during application of roof bolting techniques. 20th International Conference on Ground Control in Mining Morgantown, WV, USA 2001.
5. Opolony, K., Witthaus, H. (2002): Reuse of Rectangular Bolted Roadways in a Cover Depth > 1000 M. 21st International Conference on Ground Control in Mining Morgantown, WV, USA 2002. P. 53 - 57.
— Коротко об авторах---------------------------------------------------
Штефан Петерс (Stephan Peters) - дипломированный инженер-геолог, руководитель отделения инженерной геологии в горном деле фирмы «Немецкие горные технологии» (DMT), Германия.
