Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

Долгіх Олександр Вікторович

УДК 622.1:622.83

Розробка методу сумісного аеро- і наземного знімання для вдосконалення маркшейдерського забезпечення об’єктів видобувних підприємств

Спеціальність 05.15.01 - Маркшейдерія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кривий Ріг – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі маркшейдерії Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | – доктор технічних наук, професор

Федоренко Павло Йосипович,

Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри маркшейдерії.

Офіційні опоненти | – доктор технічних наук, професор

Сидоренко Віктор Дмитрович,

Криворізький технічний університет

Міністерства освіти і науки України, проректор з наукової роботи.

– кандидат технічних наук, доцент

Чирва Олександр Іванович,

асоціація „Укррудпром”,

головний спеціаліст відділу спеціальних маркшейдерсько-геодезичних досліджень.

Провідна установа– | Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України,

м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “ 18 ” березня 2005 року о “ 10 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, т. (0564) 71-95-30.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету (50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37).

Автореферат розісланий “ 14 ” лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к. т. н, професор |

Г. Т. Фаустов

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В час стабілізації виробничих потужностей гірничодобувних підприємств України, після різкого падіння в середині 90-х років, найбільш актуальною стала проблема автоматизації маркшейдерських робіт. Вітчизняний і закордонний досвід показує, що впровадження прогресивних технологій, таких як автономних супутникових систем визначення місцеположення GPS, геоінформаційних систем, аерокосмічних зйомок допомагають економити значні кошти за рахунок оптимізації прийняття рішень.

Криворізьке родовище залізних руд, наприклад, характеризується витягнутою формою з великою довжиною по простяганню. Це обумовлює типову форму кар’єрів – велику довжину і глибину. На початковому етапі розробки родовища проектна глибина кар’єрів складала до 300 метрів, а зараз більшість кар’є-рів мають значно більшу глибину. Для таких глибоких кар’єрів класичні методики автоматизації маркшейдерських робіт не завжди ефективні. Вирішення задачі ускладнюється сумісною відкритою і підземною розробкою родовища.

Сумісна відкрита і підземна розробка криворізького родовища використовувалася з 30-х років минулого століття. Вона характеризується проведенням відкритих гірничих робіт на окремих ділянках, в зонах можливого утворення воронок та провалів. В Кривбасі сумісна розробка здійснюється на ВАТ „Північний ГЗК” (Першотравневий кар’єр), ВАТ „Центральний ГЗК” (кар’єр № 1), ВАТ „Криворіжсталь” (кар’єр № 3) тощо. З метою раціонального використання земель на ряді кар’єрів басейну здійснювалось розміщення відвалів в зонах воронок і провалів. Так в сімдесятих роках, воронки і провалля, що утворилися від підземних гірничих робіт на шахті „Октябрська”, ВАТ „Центральний ГЗК” засипав розкривними породами з кар’єру №2 шляхом розмішення відвалів в зоні воронкоутворення. Контроль за безпечним проведенням відкритих гірничих робіт в цих умовах здійснюють маркшейдерські служби кар’єрів, які проводять спостереження за зсувами гірських порід та земної поверхні і стійкістю бортів кар’єрів та відвалів шляхом спостережень на спеціально закладених профільних лініях за методикою, впровадженою кілька десятків років тому, використовуючи при цьому електронні тахеометри, світловіддалеміри та електронні нівеліри. Безпечне проведення цих спостережень в зонах ймовірного утворення воронок і провалів потребує нового підходу до вирішення цієї задачі.

Сучасної єдиної дистанційної системи моніторингу стану поверхні маркшейдерія Кривбасу не має. Для умов сумісної розробки криворізького родовища повинна бути розроблена окрема, нетипова система моніторингу стану поверхні і надр, в основу якої був би покладений дистанційний метод вимірювання. Для виконання прогнозування на значний проміжок часу потрібна методика, яка б враховувала динаміку та характер зрушень протягом декількох десятків років.

В основу методу дистанційного моніторингу стану поверхні і надр для умов сумісної розробки криворізького родовища може бути покладено використання матеріалів аерофотозйомок, за якими складалися маркшейдерські плани з початку 70-тих років.

В нашій країні і закордоном зараз активно ведеться робота по розробці цифрових знімальних камер, наземних лазерних сканерів, сучасних фотограмметричних методик, які з більшою ефективністю дозволять вирішувати задачі автоматизації маркшейдерських робіт на кар’єрах. На підприємствах, в більшості випадків, робиться акцент на менш ефективні методи, які автоматизують вузьке коло робіт, наприклад, використання електронних тахеометрів для складання планів, GPS для визначення просторових координат тощо.

Узагальнюючи викладене, можна зробити висновок про те, що в теперішній час виникла необхідність розробки нових методів автоматизації маркшейдерського забезпечення гірничих робіт на основі використання як сучасних приладів і технологій, так і вже існуючих досягнень минулого століття. Саме рішенню цієї актуальної задачі і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень відповідає цільовій науково-технічній програмі „Руда”, концепції „Розвиток гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року”, програмі „Розвиток науково-технічного прогресу в гірничодобувній і металургійній промисловості України на 1996-2003 роки”, плану наукових досліджень Відділення металевих корисних копалин Академії гірничих наук України до 2005 року, а також госпдоговірній темі №8 - 473 – 04 „Визначення геодезичними методами деформацій основних газопроводів і газових свічок ВАТ „Криворіжсталь” (№ ДР 0104U007087), яка виконувалась по плану наукових досліджень Криворізького технічного університету.

Метою роботи є автоматизація маркшейдерських робіт на основі розробки нового фотограмметричного методу для визначення деформацій бортів кар’єрів та відвалів, параметрів підйомних установок, кренів споруд баштового типу, деформацій трубопроводів та створення системи глобального моніторингу поверхні, порушеної підземною і відкритою розробкою родовища за різночасними аерофотознімками.

В основу роботи покладена ідея використання геоінформаційної системи деформацій земної поверхні, порушеної відкритими і підземними гірничими роботами на базі різночасних аерознімків для створення універсальної методики спостережень.

Об’єктом досліджень є земна поверхня, порушена відкритою і підземною розробками; підйомні установки шахт; борти кар’єрів та відвалів; кар’єрні дороги; споруди баштового типу; газопроводи і трубопроводи іншого призначення.

Предметом досліджень роботи є деформації об’єктів гірничо-металургійних підприємств: зрушення, крени, осадки тощо.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні наукові задачі:

1. Узагальнити результати застосування фотограмметричних методів для автоматизації маркшейдерських робіт на об’єктах гірничо-металургійного комплексу шляхом аналізу:

- розробок минулих років і нових методів та технологій щодо застосування їх на об’єктах гірничодобувних підприємств;

- стану сучасної фотограмметрії і фотограмметричного приладобудування для використання їх в гірничій справі.

2. Розвинути теоретичні положення і розробити методики щодо використання наземних і повітряних фотограмметричних зйомок з метою:

- розробки методики створення глобального моніторингу земель, порушених відкритою і підземною розробками, та розробки геоінформаційної системи „Зрушення і деформації земної поверхні, порушеної відкритими і підземними гірничими роботами” за різночасними аерофотознімками;

- визначення деформацій бортів кар’єрів та відвалів;

- перевірки геометричних параметрів шахтних підйомних установок;

- визначення кренів споруд баштового типу;

- визначення уклонів лінійних споруд об’єктів гірничо-видобувного комплексу, таких як кар’єрні авто- і залізничні дороги, конвейєри, трубопроводи тощо.

Методи досліджень. У роботі застосовано комплексний метод досліджень, що включає: аналітичні дослідження ходу променів в заломлюючій насадці до знімальної камери і способів наземного та аерознімання для спостереження за деформаціями об’єктів; експериментальні (інструментальні) дослідження деформацій земної поверхні порушеної підземними і відкритими розробками, стійкості бортів кар’єрів та відвалів, уклонів кар’єрних авто- і залізничних доріг, трубопроводів, конвейєрів; статистичні методи обробки експериментальних даних.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації :

1. Підвищення ефективності робіт та забезпечення безпечних умов праці при визначенні геометричних параметрів підйомних установок шахт, кренів споруд баштового типу, деформацій бортів кар’єрів та відвалів досягається застосуванням нового фотограмметричного метода зйомки з заломлюючою насадкою до цифрової або фотографічної камери, що повністю виключає перебування виконавців на висоті, виконання зйомки на значній відстані від споруди для захоплення її по висоті з забезпеченням дистанційності вимірів та фотодокументованості результатів.

2. Підвищенню ефективності робіт по визначенню і прогнозуванню параметрів деформацій ділянок земної поверхні, порушених відкритими і підземними гірничими розробками, сприяє створена на основі використання різночасних аерознімків, геоінформаційна система „Зрушення і деформації земної поверхні, порушеної відкритими і підземними гірничими роботами”, що дозволить вирішити питання безпечної експлуатації інженерних споруд на територіях проблемних ділянок, оперативно визначати їх деформації і своєчасно усувати можливі негативні наслідки.

3. Використання цифрової камери для визначення уклонів кар’єрних авто- та залізничних доріг забезпечує зменшення об’єму польових робіт у 30 разів і камеральних - у 2,2 рази. За рахунок впровадження безпосереднього способу визначення шуканих величин, використання цього ж методу при визначенні уклонів трубопроводів різного призначення дозволяє досліджувати деформації навіть на тих ділянках, де повністю зруйнована мережа деформаційних марок об’єкта.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- на основі використання різночасних аерознімків розроблені основні принципи і методи створення системи глобального дистанційного моніторингу поверхні та геоінформаційної системи „Зрушення і деформації земної поверхні, порушеної відкритими і підземними гірничими роботами”;

- встановлена незалежність визначення шуканих величин зрушень земної поверхні від деформації опорної планово-висотної мережі за період досліджень при використанні системи глобального дистанційного моніторингу;

- запропоновані формули зв’язку координат точок знімка і місцевості для методу фотограмметричної зйомки заломленим променем;

- вирішена головна проблема, що стримувала застосування наземної фотограмметричної зйомки при визначенні деформацій високих споруд на щільно забудованих територіях.

Наукове значення роботи полягає у подальшому розвитку наукових основ цифрових фотограмметричних методів для автоматизації маркшейдерського забезпечення об’єктів гірничо-видобувних підприємств.

Практичне значення роботи полягає в розробці:

- методики створення дистанційного моніторингу і геоінформаційної системи „Зрушення і деформації земної поверхні, порушеної відкритими і підземними гірничими роботами” яка передбачає використання різночасних аерофотознімків;

- нових фотограмметричних методів перевірки шахтних підйомних установок і визначення кренів споруд баштового типу, які дозволяють підвищити ефективність та безпеку виконання робіт;

- методики визначення уклонів кар’єрних авто- і залізничних доріг та інших лінійних споруд за результатами цифрової зйомки та доведена ефективність методу, навіть, при повністю зруйнованій мережі деформаційних марок;

- методу наземної зйомки з використанням заломлюючої призми для визначення деформацій бортів кар’єрів та відвалів.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень і висновків підтверджується збіжністю з результатами, отриманими за допомогою класичних маркшейдерсько-геодезичних методів визначення шуканих величин.

Точність запропонованих методик узгоджується з вимогами інструкцій і нормативних документів. Розбіжність величин кренів, отриманих запропонованим методом і методом вертикального проектування складає 1–2мм, величин кутів девіації з результатами перевірки класичними методами – 0,1'. Деформації газопроводів отримані з точністю 2 мм. Точність методу дистанційного моніторингу при визначенні планово-висотного положення точок складає 10 см.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень реалізовані на об’єктах гірничо-видобувного комплексу, а саме:

- методика створення системи дистанційного моніторингу земної поверхні на базі різночасних аерознімків - на проблемній ділянці району кар’єр № 1 ВАТ „Центральний гірничозбагачувальний комбінат” – ст. Вечірній Кут – Піонер – КРЕС;

- методика визначення кренів споруд баштового типу і визначення уклонів лінійних споруд - на об’єктах ВАТ „Криворіжсталь”, а визначення уклону кар’єрної дороги та стійкість бортів кар’єрів – на кар’єрі №1 ВАТ „Центральний гірничозбагачувальний комбінат”;

- методика визначення геометричних параметрів шахтної підйомної установки - на шахті Орджонікідзе ВАТ „Центральний гірничозбагачувальний комбінат”.

Новий фотограмметричний метод визначення кренів споруд впроваджено на ВАТ „Криворіжсталь” для дослідження газових свіч 3, 4, 5 газового цеху. Визначення деформацій газопроводу за допомогою цифрової камери впроваджено для дослідження перемички коксового газу на ДП-7.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно обрана і обґрунтована тема дисертаційної роботи. Автор особисто сформулював мету і задачі досліджень, ідею, наукові положення і висновки. Ним же були розроблені і досліджені всі вище перераховані нові методи визначення параметрів гірничо-металургійних об’єктів і споруд. Впровадження нових методів проводилося за планом договору-підряду на ВАТ „Криворіжсталь”, де автор був в якості виконавця.

Апробація результатів роботи. Основні наукові положення роботи обговорені і схвалені на засіданнях кафедри маркшейдерії Криворізького технічного університету (2004 – 2005рр.), а також на науково-технічній конференції „Проблеми криворізького залізорудного басейна (м. Кривий Ріг, 2003р.), на XVII науково-технічній конференції молодих спеціалістів (м. Кривий Ріг, „Криворіжсталь”, 2003р.), на міжнародній науково-технічній конференції „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості (м. Кривий Ріг, 2004р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 9 наукових праць у фахових виданнях, з яких 4 написані без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, висновку, списку літератури з 150 найменувань на 20 сторінках і трьох додатків на 21 сторінці. Загальний обсяг дисертації - 171 сторінка, з яких основний текст - 130 сторінок і містить 44 рисунка і 24 таблиці.

Автор висловлює глибоку подяку науковому керівнику, д.т.н., професору П.Й.Федоренку за цінні поради та постійну увагу при підготовці дисертації, а також співробітникам кафедр маркшейдерії і геодезії Криворізького технічного університету і інженерно-технічним працівникам гірничо - металургійного комплексу Кривбаса.

Основний зміст роботи

Перший розділ містить результати аналізу літературних джерел за темою дисертації про стан автоматизації маркшейдерських робіт на підприємствах гірничо-металургійного комплексу.

Над проблемою автоматизації маркшейдерського забезпечення вчені працюють вже декілька десятків років. З розвитком техніки вимірювань, обчислень та зберігання результатів маркшейдерсько-геодезичних робіт змінюються можливості вирішення цієї проблеми. При цьому автоматизація здійснюється на основі використання аеро- і наземного знімання, нових приладів і відповідного програмного забезпечення.

З п’ятидесятих років на кар’єрах впроваджувалася наземна стереофотограмметрична зйомка, яка через значний обсяг польових робіт не одержала широкого поширення. У восьмидесяті роки автоматизація полягала у використанні аерофотозйомки і аналітичних методів обробки знімків для згущення планово-висотної основи, обчислення об’ємів виймання корисних копалин, визначення деформацій тощо. Автоматизацією маркшейдерських робіт за допомогою фотограмметричних методів займалися Фінковский В. Я., Фінаревский И. И., Могильний С.Г. та інші. Автоматизацією вирішення задач визначення об'ємів виймання корисних копалин та розкривних порід за результатами аерофотознімання з застосуванням ЕОМ займалися Тиренков И. В., Беляков Н. Н., Могильний С. Г., Айзенштейн Г. Л., Добринін Н. Ф., Забродін Г. В. Більшість робіт було спрямовано на вдосконалювання методу цифрових моделей кар’єру. Але класичні методи підрахунку об’ємів, згущення планово-висотної основи, вирішення різних інженерних задач за результатами наземної фототеодолітної зйомки та аерофотознімання, вже не відповідають сучасним вимогам, і практично не автоматизують кропітку ручну працю по обробці знімків, підготовці даних для обчислення за програмами, не виконують аналізу отриманих результатів тощо.

Кінець ХХ – початок ХХІ сторіччя характеризуються високим рівнем розвитку комп’ютерної техніки, космічних зйомок, використанням GPS-зйомок, геоінформаційних систем, систем дистанційного зондування високої дозвільної спроможності, лазерного сканування, комп'ютерного зору, розпізнавання образів, реконструкції зображень, зору роботів, ідентифікації однойменних точок і областей стереопари знімків тощо.

З вдосконаленням методів зчитування інформації зі знімків, технологій їх опрацювання та теорії аналізу отриманих результатів суттєво змінився погляд на спосіб автоматизації маркшейдерсько-геодезичних робіт, але основним при цьому залишилося використання фотограмметричних методів як таких, що забезпечують максимальний ефект.

Сучасні тенденції розвитку фотограмметричного приладобудування характеризуються появою цифрових фотограмметричних станцій, цифрових аерознімальних камер, високоточних сканерів. Застосовуються GPS для прив’язки аерознімків, а також нефотограмметричні цифрові камери і сканери, виконується їх калібрування для цілей крупномасштабного картування, екологічного моніторингу тощо. Але для вирішення задач складання карт і планів кар’єрів, для вирішення таких задач як підрахунок об’ємів гірської маси і розкриву найчастіше застосовується аерофотознімання з подальшим скануванням знімків на спеціальних сканерах і подальшою обробкою на цифрових фотограмметричних станціях.

Результати аеро- і наземної фотограмметричних зйомок є основою геоінформаційних систем гірничодобувних підприємств. Цьому сприяє вдосконалення аерофотознімального обладнання і фотоматеріалів: підвищення роздільної спроможності аерофотокамер і аероплівок, зменшення похибок тощо.

На даний час, в більшості випадків, напрямок автоматизації, по якому йде більшість гірничодобувних підприємств є малоефективним, адже автоматизує вузьке коло робіт. Маркшейдерські служби користуються методиками, впровадженими декілька десятків років тому. Недостатньо використовувати тільки нові геодезичні прилади, вкрай необхідна розробка і впровадження нових фотограмметричних приладів і методик, що мають на меті автоматизацію маркшейдерського забезпечення об’єктів гірничо-видобувного комплексу.

У другому розділі наведена методика створення методу глобального моніторингу земної поверхні, порушеної відкритою і підземною розробками на основі використання періодичних аерофотозйомок і доведена необхідність створення ГІС „Зрушення земної поверхні при відкритій і підземній розробці родовища” на територію Криворізького родовища.

При великих об’ємах видобутої гірської маси в умовах сумісної відкритої і підземної розробки родовища звичайні методи виявлення зрушень і деформацій поверхні не досить дієві. Вирішенням проблеми є повне обстеження територій Кривбасу для своєчасного виявлення деформацій і прийняття необхідних заходів для запобігання екологічної катастрофи. Виконання такого об’єму робіт класичними методами неможливе.

Тому пропонується метод спостереження за деформаціями з використанням цифрових фотограмметричних станцій і періодичних аерофотозйомок, які з початку 70-х років ХХ століття регулярно виконувались на території Кривого Рогу для складання планів кар’єрів, промислових майданів, для картування міста тощо.

Методика робіт наступна. Вибираються стереопари за початкову і кінцеву дати аерофотозйомок на досліджувану територію. В роботі об’єктом досліджень є ділянка залізничної станції Вечірній Кут за період з 1973 по 1994 рік (рис. 1).

Залізниця проходить по цілику. За п’ятдесят метрів на захід знаходяться відвали ВАТ ЦГЗК, які представляють собою ділянку гірничотехнічної рекультивації - зони виходу на поверхню воронок від гірничих робіт шахти Октябрська, засипані породами. Далі на захід, за 200 м від залізниці, знаходиться кар’єр №1 ВАТ ЦГЗК довжиною до 5 км, шириною 1 км, глибиною понад 350 метрів. За 500-600 метрів на схід знаходиться річка Саксагань, русло якої було створено штучно. На півдні ділянки знаходиться старий недіючий кар’єр.

Внутрішнє орієнтування знімків за початкову дату виконувалося за метричними характеристиками камери. Взаємне орієнтування аерофотознімків виконувалося по розширеній схемі з похибками 0,1 - 0,2 мкм. Для зовнішнього орієнтування знімків використовувалися точки Зона, Контур, Базис, 1099, Орт, які являються опорною маркшейдерсько-геодезичною мережею 1973-1976 років (рис. 3). Середні квадратичні похибки зовнішнього орієнтування склали 10 см. По зорієнтованим знімкам визначалися координати додаткових точок в стандартних зонах знімків для того, щоб по них потім зорієнтувати знімки за кінцеву дату (Кп, Коп, КЖ, Д1).

Точки вибиралися таким чином, щоб вони були присутні на знімках за обидві дати і знаходилися на значній відстані від досліджуваної ділянки. Виконувалося внутрішнє, взаємне і зовнішнє орієнтування знімків за кінцеву дату, при цьому для зовнішнього орієнтування бралися точки, координати яких визначені по зорієнтованих знімках за 1973 рік. Векторизоване зображення об’єктів за 1973 рік проектувалося на растрове зображення 1994 року. Визначалися координати точок за початкову і кінцеву дати та величини зміщень. По різницям координат визначалися деформації, які порівнювалися з величинами зміщень. Фрагмент таблиці результатів досліджень наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Результати дослідження деформацій

№ | 1973 рік | 1994 рік | Деформації

Х, м | Y, м | Z, м | X, м | Y, м | Z, м | DX, м | DY, м | DZ, м

1 | 150.22 | 2977.64 | 86.86 | 150.18 | 2978.87 | 86.20 | -0.04 | 1.23 | -0.66

2 | 155.53 | 2979.86 | 86.75 | 155.40 | 2981.13 | 85.88 | -0.13 | 1.27 | -0.87

3 | 139.74 | 3002.10 | 85.90 | 139.37 | 3003.07 | 85.88 | -0.37 | 0.97 | -0.02

4 | 145.20 | 3004.28 | 86.12 | 144.66 | 3005.36 | 85.67 | -0.54 | 1.08 | -0.45

5 | 162.14 | 2982.26 | 83.23 | 161.95 | 2983.49 | 83.46 | -0.19 | 1.23 | 0.23

6 | 151.54 | 3006.99 | 83.26 | 151.12 | 3008.37 | 83.46 | -0.42 | 1.38 | 0.20

На ділянці визначено координати 66 точок. З результатів досліджень можна зробити висновок, що за 21 рік поверхня досліджуваної ділянки піддалася деформаціям величиною до 1.5 метра (рис 2). Після значних ушкоджень залізничної колії в листопаді 1997 року виконувалося обстеження ділянки. При обстеженні знайдено ряд тріщин: в осях 146-227 паралельно залізничній колії із середнім розкриттям 30 мм довжиною до 800 метрів; на східному борті відвалу в осях 230-250 тріщини довжиною 400-900 метрів з розкриттям 50-70 мм, амплітудою 50-150 мм. Тріщини на досліджуваній ділянці з’являлися і раніше в районі старих кар’єрів №1, №4 і ствола ш. Комінтерн. Зараз деформації земної поверхні на досліджуваній ділянці складають до 80 мм на рік.

Для контролю отриманих результатів вирішувалася обернена задача, згідно з якою, орієнтувалися спочатку знімки за кінцеву дату, визначалися координати в стандартних зонах знімків і по них орієнтувалися знімки за початкову дату.

Запропонований метод визначення просторових деформацій є дистанційним, дає можливість визначення деформацій за період 25 і більше років з незалежністю вимірів від деформацій опорної мережі. Запропонований метод забезпечує наочність при визначенні деформацій земної поверхні, їх розподіл в просторі і зміни в часі. Впровадження методу дає можливість досліджувати великі за площею ділянки зі значною економією часу і коштів. Точність визначення деформацій точок для зображення масштабу 1:10000, при розмірі піксела 7 мкм, складає 10 см в плані і 5 см по висоті.

Результати спостережень є вихідними даними для створення геоінформаційної системи „Зрушення земної поверхні при відкритій і підземній розробці родовища” на територію всього Кривбасу.

В третьому розділі наведено новий фотограмметричний метод зйомки за допомогою камери з заломлюючою призмою для автоматизації робіт по визначенню геометричних параметрів об’єктів, кренів баштових споруд, деформацій бортів кар’єрів тощо.

Дотепер застосування наземних фотограмметричних методів для визначення кренів споруд баштового типу було обмеженим. Найважливішою причиною цього була необхідність встановлювати інструмент на відстані вдвічі більшій від висоти споруди для охоплення зйомкою одночасно верху і низу. В умовах щільної забудові, при встановленні інструмента на необхідну відстань, втрачається одночасна видимість верху і низу споруди. Тому на практиці використовують в основному геодезичні способи вертикального проектування та координування.

При визначенні крену пропонується для зйомки використовувати фототеодоліт або цифрову камеру з заломлюючою призмою, а визначати величину і напрям крену - за допомогою ЦФС „Дельта” або AutoCAD. Пропонується наступна методика: точки для зйомки вибираються на відстані 16-20 метрів від об’єкту так, щоб головні промені перетинатися на об’єкті під кутом приблизно 90° (рис. 4). Зйомка з кожної точки виконується двічі: з насадкою для зйомки верху; без насадки для зйомки низу. Знімки, отримані з однієї точки зі сталими елементами внутрішнього і зовнішнього орієнтування, мають одну вертикальну вісь, від якої визначається положення середини верху і середини низу споруди.

Вертикальна вісь утворюється з’єднанням верхньої і нижньої міток знімків. Спочатку для кожної точки знімання від вертикальної вісі визначаються положення середин верху і низу з врахуванням масштабів зображень. Потім обчислюється крен, як різниця цих величин.

Після опрацювання знімків з кожної точки, як показано на рис. 5 і 6, обчислюються перша і друга складові крену за формулами:

, (1)

, (2)

Повний крен r обчислюється за формулою:

, (3)

При визначенні величин , , , враховується масштаб зображення, який обчислюється за однією з формул:

(4) або (5)

В формулах (1 – 5): і координати середин низу і верху споруди з першої точки; і - координати середин низу і верху споруди з другої точки; - масштаб зображення низу; - масштаб зображення верху; - відстань до низу споруди; - відстань до верху споруди.

Точність визначення крену розраховується за формулою

(6)

Запропонована методика досліджень впроваджена для газових свіч №3, 4, 5 газового цеху ВАТ „Криворіжсталь”. В табл. 2 наведені розбіжності результатів визначення кренів методом вертикального проектування і запропонованим фотограмметричними з застосуванням заломлюючої насадки.

Таблиця 2

Дослідження деформацій газових свіч

№ свічки | Деформації газових свічок, визначенні за допомогою | Розбіжність результатів, мм

теодоліта, мм | фототеодоліта, мм

№ 3

№ 4

№ 5 | 434

125

162 | 433

127

159 | -1

+2

-3

Висновок. Запропонований метод зйомки дозволяє спостерігати деформації високих споруд на щільно забудованих територіях, має високу точність, характеризується наявністю фотографічної документованості, дозволяє перевірити результати спостережень саме на час зйомки, дозволяє використовувати нові цифрові камери і технології. Метод є безпечним і не має потреби у створенні біля основи споруди планово-висотної основи.

Для автоматизації робіт по визначенню геометричних параметрів шахтних підйомних установок запропоновано новий метод зйомки цифровою камерою з заломлюючою призмою.

Визначення кутів девіації вимагає від виконавця знаходження його на висоті, що пов'язано з небезпекою, а застосування класичного методу наземної фотограмметричної зйомки, для визначення кутів девіації неможливе. Тому пропонується новий метод визначення кутів девіації за допомогою цифрової камери з заломлюючою насадкою.

Роботи виконуються в декілька етапів: перший – складання проекту робіт; другий – підготовчі роботи і роботи по винесенню вісі барабану на майданчик, з якого передбачається виконувати фотографування; третій - безпосередньо зйомка за допомогою фототеодоліта чи цифрової камери; четвертий – камеральна обробка знімків.

Зйомка виконується з точки, розташованої на вісі Х підйому, з орієнтуванням оптичної вісі перпендикулярно до вісі барабану (рис. 7). Зйомка може виконуватись з базису, паралельного вісі барабану. Використання насадки до об’єктива фототеодоліту, заломлюючої оптичний промінь, дозволяє при фотографуванні виводити в поле зору шківи.

Растрове зображення канатів, видимих частин шківів і інших елементів векторизується. Координатні мітки знімка з’єднуються і отримані вісі сполучаються з осями підйому. В AutoCAD між осями знімка і векторизованими зображеннями канатів виміряються кути девіації.

Визначення кутів девіації виконується по знімках, на яких положення канату знаходиться в двох граничних положеннях. Для визначення кута розвороту шківа відносно осі підйому і вертикальності шківа пропонується виконувати зйомку з базису, і по стереоскопічній моделі визначати просторові координати полярних точок шківа (рис. 8).

Запропонований метод апробований при перевірці підйомного комплексу на шахті „Орджонікідзе” ВАТ ЦГЗК. Отримані результати повністю збігаються з результатами перевірки класичними методами.

Пропонований метод перевірки геометричних параметрів підйому ґрунтується на використанні фототеодолітної (або цифрової) зйомки і сучасного цифрового способу опрацювання фотографічного зображення. За результатами виконаних досліджень можна зробити висновок про доцільність та ефективність використання пропонованого фотограмметричного метода з використанням заломлюючої призми для перевірки геометричних параметрів шахтних підйомних установок, який дозволяє безпечно і документовано (наявність знімків), оперативно і з дотриманням вимог до точності перевіряти геометричні параметри підйому.

Для забезпечення стабільної роботи кар’єру і більш ефективного і безпечного визначення деформацій бортів кар’єрів пропонується метод визначення деформацій бортів кар’єрів за допомогою цифрової камери з заломлюючою насадкою.

Актуальність розробки такого методу полягає у тому, що з поглибленням кар'єрів збільшується висота неробочих бортів, і одночасно росте небезпека їх деформації. Для умов Кривбасу, коли глибина кар’єрів перевищила 300 метрів, несвоєчасне визначення деформацій може призвести до катастрофічного зсуву борту і порушенню роботи кар’єру на значний термін. Для умов сумісної відкритої і підземної розробок актуальність питання зростає в декілька разів. Застосування фотограмметричних методів доцільно тому що, порівняно з геодезичними, є можливість: дослідження деформацій неприступних точок та визначення взаємної деформації великої кількості точок на один фізичний момент.

При традиційному способі наземної фотограмметричної зйомки, коли фототеодоліт встановлюється на протилежному борті, зображення має дрібний масштаб і низьку точність вимірювання. Цей недолік може бути усунений використанням камери з заломлюючою призмою (рис. 9).

Пропонується метод визначення деформацій бортів кар’єрів за допомогою камери з заломлюючою насадкою, при якому зйомка виконується з дна кар’єру, або з нижче лежачого уступу. При цьому спостерігаються деформації верхніх бровок уступів.

Доцільна рівнонахилена зйомка, при якій

, (7)

де .

Якщо = 90о , то формули (7) приймають вид:

(8)

Нехтуючи величиною перевищення між суміжними станціями Bz , .

З врахуванням вищенаведеного формули (8) приймають вигляд

(9)

Формули (9) подібні до формул обчислення фотограмметричних координат точок аерофотознімка, але мають протилежні знаки по осям Y i Z. Це означає, що при куті нахилу 90о, зйомка буде подібною до аерофотозйомки з протилежним напрямом оптичного променя.

Запропонованою методикою визначалися деформації східного борту кар’єру № 1 ЦГЗК. Закладено 5 станцій спостереження, з яких було визначено деформації 28 точок за період 6 місяців. Результати показали відсутність значних деформацій на дослідженій ділянці, які складають 2-3 мм.

Висока точність визначення координат, пов’язана зі зменшенням відстані до об’єкта, і тому з крупнішим масштабом знімання. При виконанні зйомки традиційним способом виконувати зйомку об’єкту необхідно з відстаней вдвічі більших за висоту об’єкта, і вчетверо за відстані, прийняті при зйомці запропонованим способом.

До фототеодоліта та цифрової камери пропонується насадка, яка заломлює промінь на 90о. Для виготовлення насадки було досліджено два види призм. В роботі розроблені два види заломлюючої насадки: одна до фототеодоліта, а друга – до цифрової камери.

У четвертому розділі наведено метод визначення уклонів споруд з використанням зйомки цифровою камерою.

Актуальність розробленого методу полягає у тому, що при маркшейдерському обслуговуванні інженерних об’єктів, таких як кар’єрні дороги, конвейєри, канатні дороги, трубопроводи різного призначення тощо, необхідно визначати їх уклон. Для конвейєрів, галерей і трубопроводів контролюється сталість їх положення визначенням зміни проектного уклону, яка характеризує величину деформації. Виконання цих робіт з використанням нівелювання ускладнюється багатьма факторами, такими як: значні вібрації споруд; необхідність виконання нівелювання на значних висотах 10-20 метрів і більше; наявність великих перепадів висот на об’єкті досліджень; скупченість деталей, наприклад, декількох ниток трубопроводів; наявність допоміжних споруджень; наявність запиленості повітря, підвищеної газової небезпеки, що потребує додаткових заходів безпеки тощо.

Для кар’єрних доріг, роботи по визначенню уклону ускладнюються великими перепадами висот, що істотно впливає на кількість станцій нівелювання. Їх кількість збільшується через зменшення відстані між нівеліром і рейками. На кар’єрах Кривбасу довжини кар’єрних доріг досягають декількох кілометрів, тому визначення уклонів доріг – тривала і кропітка робота. В зв’язку з чим питання автоматизації цих робіт гостро стоїть перед маркшейдерською службою кар’єру.

На кар’єрах автоматизувати процес перевірки доріг можна за допомогою використання GPS або інших сучасних приладів – електронних тахеометрів, нівелірів. Використання сучасного геодезичного обладнання спрощує ці роботи і сприяє зменшенню часу на їх виконання, але не вирішує проблеми їх автоматизації взагалі. Вирішенням проблеми є використання дистанційних методів.

Методика робіт включає наступне: складання проекту і вибір місця зйомки; знімальні роботи в кар’єрі; орієнтування знімків; векторизація зображення дороги за допомогою ЦФС “Дельта”; вимірювання в AutoCAD кута нахилу дороги, який утворюється горизонтальною лінією і векторизованим зображенням дороги; експортування у вигляді звіту даних вимірів в Word або Excel, після чого, при необхідності, визначаються уклони дороги, як тангенс кута уклону; аналіз та збереження даних у електронному вигляді в базі даних, або у вигляді, сполученому з растровим зображенням.

Для зйомки кар'єру використовувалась цифрова камера Nikon COOLPIX 5400. При перевірці уклонів кар’єрних доріг і трубопроводів на точність їх визначення впливають масштаб знімання і ціна поділок рівня, за допомогою якого камера приводиться в горизонтальне положення. Від точності нівелювання камери залежить величина кута розвороту знімка (каппа). Значення величини кута каппа приймається за похибку визначення кута нахилу. При точності нівелювання камери 15" похибка в визначенні кута нахилу теж буде складати 15", а помилка в визначенні уклону - 0.07 ‰.

Зйомку доцільно виконувати з протилежного борту кар’єру.

Економічна доцільність і ефективність методу полягає у зменшенні кількості виконавців на польових роботах з чотирьох до одного, а також у зменшенні часу на виконання роботи. Взагалі, при визначенні уклону кар’єрної дороги довжиною 1,6 км за допомогою технічного нівелювання на польові роботи потрібно 3.15 години, а на камеральні - 3.26 години. Час, необхідний для визначення уклону досліджуваної кар’єрної дороги одним виконавцем за допомогою цифрової камери складає 1.9 години. При першій зйомці додатково витрачається час на вибір місця фотографування і складання проекту робіт (1 година). При наступних зйомках по перевірці кар’єрної дороги, на зйомку витрачається приблизно 0.4 години.

Більша ефективність впровадження цифрової камери для визначення уклонів кар’єрних доріг порівняно з традиційним методом полягає у зменшенні об’єму польових робіт у 32 рази, а камеральних робіт у 2.2 рази. При визначенні уклону дороги пікетні точки можуть вибиратися з будь-якою щільністю, а одержані результати більш наочні і фотографічно документовані.

Розроблений метод може використовуватись для дослідження деформацій різних лінійних споруд. Метод впроваджений на ВАТ „Криворіжсталь” для дослідження газопроводів.

Методика перевірки деформацій газопроводів фотограмметричним методом включає наступне: зйомку об’єкту; векторизацію зображення газопроводу з врахуванням усіх стиків і вигинів труб; створення горизонтальної і вертикальної осей з’єднанням лівої і правої, та верхньої та нижньої міток знімку; вимірювання кутів нахилів - кутів між горизонтальною віссю та векторизованим зображенням газопроводу; аналіз даних і визначення зміни уклонів труб.

Метод визначення деформацій газопроводу впроваджено при визначенні уклонів газопроводу „Перемичка коксового газу на ДП-7” ВАТ „Криворіжсталь”. Необхідність застосування запропонованого методу обумовлена тим, що на газопроводі „Перемичка коксового газу на ДП-7” зруйновано 90% деформаційних марок, по яких велися спостереження в минулі роки. Тобто, визначення деформацій класичними методами неможливе.

При визначенні уклонів труб газопроводів фотограмметричний метод має такі переваги перед геодезичним:

- безпека виконавців при виконанні польових робіт;

- можливість визначити деформації навіть при повністю зруйнованій мережі деформаційних марок досліджуваного об’єкта;

- фотографічна документованість і можливість перевірити результати без повторного проведення польових робіт;

- висока точність вимірів і детальність зйомки.

Загальні висновки

В дисертаційній роботі дається нове рішення актуальної науково-практичної задачі по розробці методу сумісного аеро- і наземного знімання для вдосконалення маркшейдерського забезпечення об’єктів видобувних підприємств, який дозволяє автоматизувати трудомісткі роботи.

Основні наукові і практичні результати, висновки та рекомендації роботи полягають у наступному:

1. З аналізу літературних джерел встановлено, що маркшейдерські роботи по виконанню моніторингу поверхні, складанню планів, згущенню планово-висотної основи великої площі повинні виконуватись за результатами аерофотознімання, а вирішення таких задач як систематичне поповнення цифрових планів, маркшейдерське забезпечення буропідривних робіт, визначення деформацій об’єктів та поверхонь - за результатами наземних фотограмметричних зйомок.

2. Розроблений метод моніторингу земної поверхні за результатами аерозні-мання. Доведено, що він більш ефективний і безпечний за класичні методи, якими користуються при визначенні деформацій порушених ділянок. Новий метод дистанційного глобального моніторингу ділянок порушених відкритими і підземними розробками є актуальним для Кривбасу, дозволяє визначати деформації за значний проміжок часу, виключає похибки опорної маркшейдерсько-геодезичної мережі і значно зменшує витрати часу і коштів.

3. Доведена необхідність створення геоінформаційної системи „Деформації ділянок, порушених відкритими і підземними розробками” на території Криворізького залізорудного басейну. Запропонований принцип створення цієї геоінформаційної системи на базі аеро- і наземного знімання.

4. Запропонований в роботі метод визначення уклонів кар’єрних доріг за результатами наземної фотографічної або цифрової зйомок, зменшує об’єм польових робіт в 32 рази, а камеральних в 2.2 рази.

5. Встановлено, що дистанційний метод визначення уклонів трубопроводів і конвейєрів за допомогою фотографічної або цифрової зйомок сприяє підвищенню безпеки виконавців і дозволяє визначати деформації лінійних споруд навіть тоді, коли зруйновані всі деформаційні марки. Метод має найбільшу ефективність в умовах підвищеної газонебезпеки та високої щільності забудови.

6. Розроблений новий фотограмметричний метод визначення кренів споруд баштового типу за допомогою заломлюючої призми. Аналітично і експериментально встановлено, що метод за точністю не поступається геодезичним і вирішує головну проблему застосування наземних фотограмметричних зйомок при визначенні геометричних параметрів об’єктів – необхідність захоплення всієї споруди по висоті, при збереженні крупного масштабу знімання.

7. Запропонований новий метод визначення кутів девіації і інших параметрів підйомних установок, який є альтернативою до класичних методів, і характеризується дистанційністю вимірів, оперативністю і фотодокументованістю. Його використання для перевірки геометричних параметрів шахтного підйому виключає знаходження виконавців на висоті і сприяє забезпеченню безпечних умов праці.

8. Встановлено, що метод зйомки заломлюючою призмою для визначення деформацій бортів кар’єрів являється безпечним, ефективним і має достатню точність для виявлення деформацій бортів кар’єрів на початкових стадіях. Метод найбільш ефективний для глибоких кар’єрів і ділянок, де неможливе, або небезпечне перебування людини.

Список опублікованих здобувачем робіт
з теми дисертації

1. Долгих Л.В., Долгих А.В., Колчина М.С. Исследование деформаций газопроводов и газовых свечей // Разработка рудных месторождений. –