Способ соединительной съемки

Изобретение предназначено для горнодобывающей отрасли, в частности к способам производства горизонтальных и вертикальных соединительных съемок подземных горных выработок через вертикальные стволы или другие крутонаклонные выработки. Техническим результатом является повышение оперативности передачи заданных координат и дирекционного угла с дневной поверхности в подземные выработки при сохранении высокой точности. Способ соединительной съемки осуществляют следующим образом: за один ход сканирования ствола сверху вниз определяют а) плановые координаты X, Y одной и/или более точек маркшейдерской подземной сети в системе координат, принятой на поверхности; б) ориентирование подземных горизонтов - передача дирекционного угла с поверхности в шахту; в) абсолютную высотную отметку (координату Z) точек подземной маркшейдерской сети в горных выработках в единой с поверхностью системе координат. 1 ил.

 

Заявленное изобретение предназначено для горнодобывающей отрасли, в частности к способам производства горизонтальных и вертикальных соединительных съемок подземных горных выработок через вертикальные стволы или другие крутонаклонные выработки, например, шахтные восстающие.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению науки и техники «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых», так направлено на решение проблемы геометрической связи между съемками на земной поверхности и в подземных горных выработках в принятой на поверхности системе координат X, Y и Z.

Известен способ ориентирования с помощью гирокомпаса, например, МВТ2, МВТ4 (Маркшейдерское дело: Учеб. для вузов. - В двух частях / Под ред. И.Н. Ушакова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989. - Часть 1 / И.Н. Ушаков и др. - С.127-144), который относится к физическим способам ориентирования - определения дирекционного угла подземной маркшейдерской сети с использованием гироскопического принципа.

Согласно известному способу сначала определяется гироскопический азимут какой-либо стороны подземной маркшейдерской опорной сети, затем, через соответствующую поправку (определенную на поверхности), находят ее дирекционный угол. При гироскопическом ориентировании задачи центрирования и ориентирования подземных горизонтов решаются раздельно.

Общими признаками известного аналога с существенными признаками заявляемого способа являются проведение подготовительных работ путем определения дирекционного угла и выполнение камеральной обработки.

К недостаткам аналога относятся:

- достаточно высокая трудоемкость подготовительных и исполнительных (полевых) работ, что увеличивает время, необходимое для ориентирования (определения дирекционного угла) подземной маркшейдерской опорной сети в системе координат, принятой на поверхности (следовательно, и подземных горизонтов);

- самостоятельное выполнение работ по определению координаты Z в шахте (вертикальная соединительная съемка), что приводит к необходимости монтажа дополнительного оборудования, увеличивающего трудоемкость и сроки проведения всего комплекса ориентирно-соединительной съемки.

Известен способ вертикальной соединительной съемки (Маркшейдерское дело: Учеб. для вузов. - В двух частях / Под ред. И.Н. Ушакова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989. - Часть 1 / И.Н. Ушаков и др. - С.145-147), который выполняет задачу передачи высотной отметки с поверхности в шахту с помощью длинной шахтной ленты.

Общими признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются также проведение подготовительных работ в виде монтажа оборудования и передача координаты Z на исходный репер на поверхности.

К недостаткам аналога относится низкая оперативность определения отметки маркшейдерской точки в подземной выработке и недостаточная точность из-за введения поправок в результаты полевых измерений за компарирование ленты (рулетки), за температуру, за удлинение ленты от собственного веса и подвешиваемого груза.

Также известен способ (Маркшейдерское дело: Учеб. для вузов. - В двух частях / Под ред. И.Н. Ушакова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989. - Часть 1 / И.Н. Ушаков и др. - С.148-150) передачи высотной отметки с поверхности на исходный пункт (репер) подземной маркшейдерской опорной сети с помощью длинномера ДА-2.

Общими признаками данного аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является: монтаж оборудования на поверхности (в надшахтном здании), передача отметки (координаты Z) на исходный репер в надшахтном здании и в подземную выработку, камеральная обработка результатов измерений.

К недостаткам вышеуказанного способа относятся невысокая точность передачи отметок из-за введения приборных поправок и необходимость в использовании одновременно двух бригад исполнителей для работ дополнительного монтажа специального оборудования, что увеличивает сроки передачи отметки с поверхности в шахту и снижает точность конечного результата.

Известен способ передачи высотной отметки в шахту с применением светодальномера, например СТ5. (Снетков В.И. Теоретические основы и практические способы передачи высотной отметки с поверхности в шахту с помощью светодальномеров / В.И. Снетков // Маркшейдерский вестник. - 2004. - №3. - С.42-45).

При этом передача высотной отметки осуществляется следующим образом. На крыше шахтной клети, выставленной на уровне нулевой площадки на дневной поверхности, устанавливается штатив и на нем закрепляется группа призменных отражателей; клеть опускается на горизонт передачи отметки. Затем производится перекрытие досками устья ствола, установка светодальномера на перекрытии, определение отметки оптического центра светодальномера от репера с помощью нивелира. Определение отметок призменных отражателей, расположенных на крыше клети, осуществляется путем измерения вертикальных расстояний светодальномером до отражателей. Далее, с помощью нивелира отметка от отражателей передается на репер, заложенный в подземной выработке, или на маркшейдерскую точку (пункт).

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявленного способа, являются: передача высотной отметки на оптический центр светодальномера; последующая передача отметки на группу призменных отражателей; определение абсолютной отметки репера (маркшейдерского пункта) в подземной выработке.

К недостаткам этого способа относятся следующие положения:

- способ применим только в вертикальных и сухих выработках;

- выполняется самостоятельно в дополнение к способам передачи дирекционного угла в шахту и плановых координат X, У;

- повышенная опасность производства маркшейдерских работ на подземном горизонте в связи с тем, что защитный козырек на клети для обеспечения прямой видимости «светодальномер-отражатели» на время передачи отметки убирается.

- участие во всех измерениях непосредственно человека, вводящего дополнительные ошибки (человеческий фактор).

За прототип заявленного способа принят способ горизонтальной соединительной съемки, относящийся к геометрическим способам ориентирования, где задействовано два отвеса (Борщ-Компаниец В.И. Геодезия. Маркшейдерское дело: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1989 - С.310-315) и который решает две задачи:

- центрирование подземных маркшейдерских сетей;

- ориентирование подземных маркшейдерских сетей, то есть передачу дирекционного угла с поверхности в шахту.

Центрирование сети заключается в определении плановых координат Х и Y исходного пункта подземной полигонометрии и может производиться с помощью одного отвеса. Ориентирование маркшейдерских сетей осуществляется геометрическим и физическим (в частности, гироскопическим) способами.

Способ по прототипу, представляющий собой геометрический способ передачи дирекционного угла через один вертикальный ствол, включает следующие операции:

- проектирования, выполняемого с помощью двух отвесов, опущенных с поверхности в шахту;

- центрирования;

- примыкания, складываемого из геодезических измерений на поверхности и в шахте.

Ориентирование подземного горизонта в этом случае осуществляется посредством виртуальной плоскости, проходящей вертикально через опущенные отвесы. Плоскость служит передаточным звеном для определения дирекционного угла начальной стороны подземной полигонометрической сети с поверхности в шахту. В качестве инструмента решения задачи примыкания к отвесам на поверхности и в шахте используются соединительные геометрические фигуры: треугольники или четырехугольники.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: монтаж оборудования на поверхности, проведение подготовительных работ, связанных с определением координат на поверхности (в надшахтном здании) и в околоствольных подземных выработках, измерение расстояний, горизонтальных и вертикальных углов и последующую камеральную обработку результатов измерений с помощью ЭВМ.

Недостатки прототипа заключаются в следующем:

1. Малое расстояния между отвесами, ограниченное как существующим диаметром ствола (крутонаклонной выработки), так и выбором места для беспрепятственного спуска отвесов, что ведет к снижению точности передачи дирекционного угла.

2. Высокая вероятность запутывания проволок отвесов во время спуска или их подъема из-за наличия в стволе различного оборудования (направляющих проводников, трубопроводов, канатов и др.), что снижает оперативность способа и увеличивает его трудоемкость.

3. Необходимость в постоянном «успокоении» отвесов из-за движения воздуха в стволе и влияние качания отвесов на точность ориентирования.

4. Осуществим только в вертикальном шахтном стволе (восстающей выработке) и не может быть реализован в крутонаклонных выработках из-за невозможности опускания отвесов.

5. Повышенная опасность выполнения работ на шахтном горизонте (при примыкании к отвесам) из-за вероятности падения посторонних предметов в ствол с поверхности или с вышележащих горизонтов с высоты от 60 м и более.

6. Раздельное выполнение горизонтальной и вертикальной соединительных съемок, увеличивающее трудоемкость и продолжительность всего комплекса работ вследствие монтажа и демонтажа оборудования при определении плановых координат X, У и дирекционного угла и последующего монтажа нового оборудования для передачи высотной отметки с поверхности в шахту.

7. Ограничение глубины передачи дирекционного угла до 500 м.

8. Необходимость проведения работ по способу-прототипу в относительно большой промежуток времени (до 1-2 суток), отрицательно сказывающаяся на производительности шахты по выдаче горной массы на поверхность.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи передачи единой системы координат X, Y, Z и дирекционного угла с дневной поверхности в подземные выработки за один сканерный ход.

Технический результат заключается в повышении оперативности передачи заданных координат и дирекционного угла с дневной поверхности в подземные выработки при сохранении высокой точности.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в способе соединительной съемки, включающем закрепление отражательных марок на поверхности и вдоль ствола (крутонаклонной выработке), а также под маркшейдерскими точками на заданных горизонтах, проведение измерений расстояний, горизонтальных и вертикальных углов с помощью лазерного сканера и последующую камеральную обработку полученных измерений. Согласно изобретению отличительными признаками является то, что в качестве оборудования, монтируемого на поверхности, используют лазерный сканер (лидар). Причем сначала расставляют отражательные марки на поверхности и в стволе (крутонаклонной выработке), затем закрепляют отражательные марки на заданных горизонтах под маркшейдерскими точками, далее закрепляют лазерный сканер под днищем клети и выполняют сканирование. Сканер закрепляют через технологическое отверстие под днищем клети, ось вращения сканирующей части располагают перпендикулярно подземным горным выработкам. Расстояние между сканерными позициями в стволе выбирают от 40 до 70 м в зависимости от условий окружающей среды в стволе, его технической характеристики и типа применяемых отражательных марок. Передачу плановых координат, дирекционного угла и высотной отметки в шахту осуществляют одновременно посредством лазерного сканирования за счет того, что сканер последовательно передает координаты от отражательных марок, находящихся на дневной поверхности и в стволе к маркам, закрепленным в подземных выработках.

Отличительные признаки, выявленные при сравнении заявленного способа с прототипами, подтверждают «новизну» заявленного технического решения.

Использование лазерного сканера позволяет значительно повысить оперативность и точность соединительной съемки. Закрепление сканера под клетью в технологическом отверстии дает возможность выполнять сканерную съемку заданного пространства как на поверхности, так и в стволе (крутонаклонной выработке). Применение отражательных марок позволяет осуществлять поэтапную ступенчатую передачу координат через отражательные марки, установленные на поверхности и в стволе, в подземную выработку на отражательные марки, закрепленные под маркшейдерскими точками. Использование шахтной клети позволяет осуществлять передвижение вмонтированного под ней лазерного сканера в любую точку сканирующей позиции. Фиксацию клети домкратом (т.е. создание клети неподвижности) достаточно выполнить с одной стороны на период передачи координат с поверхности в ствол для достижения необходимой точности лазерной съемки.

Одновременная передача дирекционного угла, плановых координат и высотной отметки с поверхности в шахту в несколько раз ускоряет и упрощает выполнение соединительной съемки через один вертикальный шахтный ствол или крутонаклонную восстающую выработку.

Известно достаточно широкое использование лазерных сканеров для поверхностных съемок рельефа местности, лесных массивов, существующих зданий и сооружений, различных конструкций, то есть получение изображений в условиях прямой видимости. Что касается использования лазерного сканирования для передачи плановых координат, отметки и дирекционного угла в горные выработки, то для специалиста в данной области решение подобной задачи явным образом не следует из существующего уровня данной техники. В этом случае нет прямой видимости и связи дневной поверхности с подземной горной выработкой, но имеется наличие стесненных условий работ как в вертикальных, так и в крутонаклонных выработках (например, лифтовых восстающих).

Преодоление этих «барьеров» в заявляемом способе достигается путем реализации ступенчатого (многоступенчатого) лазерного хода (вертикального, горизонтального, комбинированного), при котором координаты поэтапно передаются через отражательные марки, установленные на поверхности (в надшахтном здании), в стволе или в шахтных лифтовых (крутонаклонных) восстающих, а также в подземных околоствольных выработках. При этом за один сканерный ход в заявляемом способе возможна передача плановых координат X, У, дирекционного угла и высотной отметки с поверхности в шахту в системе координат, принятой на поверхности.

Таким образом, в процессе реализации заявляемого способа:

а) определяются плановые координаты X, Y одной и (или) более точек маркшейдерской подземной сети в системе координат, принятой на поверхности;

б) выполняется ориентирование подземных горизонтов (передача дирекционного угла с поверхности в шахту);

в) вычисляется абсолютная высотная отметка (координата Z) точек подземной маркшейдерской сети в горных выработках в единой с поверхностью системе координат.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема работ по предлагаемому способу соединительной съемки (передаче дирекционного угла, плановых координат и высотной отметки) лазерным сканером с поверхности (нулевой площадки) в подземную околоствольную горизонтальную выработку через вертикальный ствол.

Ниже приведены цифровые обозначения элементов чертежа:

1 - поверхность места работ (дневная поверхность);

2 - околоствольная горизонтальная подземная выработка;

3 - вертикальный ствол;

4 - шахтная клеть;

5 - лазерный сканер;

6 - электронный тахеометр;

S₁ - исходная позиция шахтной клети на поверхности;

S₂ - промежуточная позиция шахтной клети в стволе между поверхностью и заданным горизонтом (околоствольной выработкой);

S₃ - позиции шахтной клети в стволе напротив одного из подземных горизонтов (околоствольной выработкой);

n₁, n₂, n₃, n₄, n₅ - отражательные марки, закрепляемые на поверхности;

р₁, р₂, р₃, р₄, р₅, p₆, р₇, р₈ - отражательные марки, установленные в стволе;

m₁, m₂ - отражательные марки, закрепленные под маркшейдерскими точками (постоянными пунктами);

МТ₁, МТ₂ - маркшейдерские точки начальной стороны подземной маркшейдерской сети на горизонте.

Способ включает ряд рабочих этапов, выполняемых в определенном порядке и необходимых для получения планируемого результата, в том числе несколько позиций сканирования (в данном случае - три), количество которых зависит от глубины размещения горизонтальной выработки под землей.

Пример.

1. Подготовительный этап. На поверхности места работ, например в надшахтном здании вдоль вертикального ствола 3 (крутонаклонной выработки), а также в околоствольной горизонтальной подземной выработке 2 закрепляют отражательные марки n₁-n₅, р₁-р₈ и m₁-m₂. Затем определяют плановые координаты X, У отражательных марок n₁-n₅, например, с помощью электронного тахеометра 6 типа Nikon и их высотную отметку. Далее приподнимают шахтную клеть 4 на 1,0-1,5 м над поверхностью места работ 1, например, над уровнем головки рельс нулевой площадки (на чертеже не показано) и устанавливают лазерный сканер 5 (в данном случае, Riegl LMS Z420i) в технологическом отверстии под шахтной клетью 4.

2. Этап лазерного сканирования, выполняемый с последовательных позиций (в нашем примере - S₁, S₂, S₃):

- 1-ая позиция сканирования (S₁). Выполняется после закрепления лазерного сканера 5 под шахтной клетью 4 и приведения его в рабочее состояние «запуск», в результате чего осуществляется сканирование поверхности, то есть привязка к отражательным маркам n₁-n₅, верхней части вертикального ствола 3 и передача координат на марки р₁-р₄;

- 2-я позиция сканирования. Устанавливается путем переезда шахтной клети 4 по вертикальному стволу 3 и остановки ее на точке S₂. Затем производится лазерная съемка, итогом которой является привязка к координатам отражательных марок p₁-p₄ и определение координат нижележащего куста марок-отражателей p₅-p₈,

- 3-я позиция клети для сканирования (S₃). Выставляется таким образом, чтобы одновременно была прямая видимость с лазерного сканера 5 на нижележащие отражательные марки p₅-p₈ и отражательные марки, установленные в околоствольной горизонтальной подземной выработке 2, m₁, m₂. Далее запускается сканирование, выполняется лазерная съемка всех видимых участков горных выработок, в том числе и отражательных марок. На этой позиции в данном случае полевые работы заканчиваются.

3. Этап камеральной обработки - математической обработки данных лазерного сканирования. На этом завершающем этапе осуществляется передача полевых данных со сканера на компьютер и их последующая обработка, например, с помощью стандартного программного обеспечения, поставляемого с лазерным сканером Riscan Pro. Полученный таким образом дирекционный угол начальной стороны МТ₁-МТ₂ подземной маркшейдерской сети в околоствольной горизонтальной подземной выработке 2 отличается от контрольного, определенного методом гироскопического ориентирования, на 00°01'44”, и находится в пределах технологического допуска, что свидетельствует о высокой точности заявляемого способа.

Разность высотных отметок, определенных с помощью сканера и длинномера ДА-2 не превышает требований «Инструкции по производству маркшейдерских работ (РД 07 - 603 - 03). Серия 07. Выпуск 15 / Колл. Авт. - М.: ФГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. - 120 с.» и составляет 0,034 м, что также свидетельствует о высокой точности заявляемого способа.

Заявляемый способ позволяет при выполнении в полевых условиях работ в течение только одной смены решить задачу с достижением технического результата по одновременному определению и плановых координат начальных пунктов подземной маркшейдерской сети, и ее ориентированию, и передаче высотной отметки с поверхности в шахту.

Проведение полевых маркшейдерских работ в одну смену является существенным фактором, позволяющим избегать длительной «задолженности» ствола, сказывающимся на повышении производительности вертикального ствола по выдаче горной массы на поверхность.

Способ соединительной съемки, включающий монтаж оборудования на поверхности, проведение подготовительных работ, связанных с определением координат на поверхности и в околоствольных выработках, измерение расстояний, горизонтальных и вертикальных углов и последующую камеральную обработку результатов измерений с помощью ЭВМ, отличающийся тем, что в качестве оборудования, монтируемого на поверхности, используют лазерный сканер, который перед проведением измерений расстояний, горизонтальных и вертикальных углов закрепляют под днищем клети с обеспечением направления области сканирования вниз от клети и в стороны рассечки подземных горизонтов, в процессе проведения подготовительных работ, связанных с определением координат на поверхности, в стволе и в околоствольных выработках устанавливают отражательные марки, причем в околоствольных выработках отражательные марки размещают под маркшейдерскими точками, передачу дирекционного угла, плановых координат и высотной отметки в шахту осуществляют одновременно посредством лазерного сканирования за один сканерный ход вдоль ствола сверху вниз, производя последовательное поэтапное лазерное сканирование ствола сверху вниз, начиная с дневной поверхности и заканчивая заданным горизонтом в шахте, для этого лазерное сканирование на дневной поверхности производят, привязывая сканер к отражательным маркам, расположенным на поверхности и в стволе, передавая одновременно координаты на ближайшие отражательные марки, находящиеся в стволе, а далее производят последовательное поэтапное ступенчатое сканирование ствола, передавая координаты от верхних отражательных марок к нижним и к отражательным маркам, расположенным в околоствольных горизонтальных выработках, при этом перед запуском сканирования производят фиксацию клети с одной стороны посредством распирания ее домкратом.