На правах рукописи

ГРИДНЕВ СЕМЁН ОЛЕГОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА

ОРИЕНТИРНО-СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ СЪЕМКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ЛАЗЕРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая

геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» и ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель: Охотин Анатолий Леонтьевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой маркшейдерского дела и геодезии ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: Сученко Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой геодезии и маркшейдерского дела ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»;

Панжин Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, ученый секретарь Института горного дела УрО РАН

Ведущая организация: ОАО «Иркутский научноисследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов», г. Иркутск

Защита состоится «12» декабря 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан «11» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Крупные успехи в области создания новых электронно-оптических средств измерений качественно изменили в последние годы рынок маркшейдерских и геодезических приборов. Неуклонно растет число пользователей дорогостоящих автоматизированных систем на основе лазерного сканирования. Конкуренция производителей стимулирует почти ежегодный выпуск новых систем, чем провоцирует внедрение в практику технических решений без должного научно-методического и нормативного обеспечения.

Актуальными задачами обеспечения безопасности функционирования шахтных стволов является маркшейдерский мониторинг положения проводников и состояния крепи ствола. Не менее актуальной является задача передачи в шахту дирекционного угла, плановых координат и высотной отметки.

Вышеперечисленные виды работ выполняются, как правило, известными традиционными методами.

Основные недостатки существующих способов – отсутствие контроля, обилие поправок в измерения (за температуру, за компарирование лент, проволок, мерных дисков, за удлинение от собственного веса и подвешенного груза и т. п.) и, как следствие, высокая погрешность определения превышения между реперами.

К числу других недостатков также можно отнести ограничения по глубине работ (шахтные ленты до 500 метров, длиномер ДА-2 до 1000 м), большие затраты времени, возможность обрыва мерных приборов.

При ориентировании выработок возникают проблемы с опусканием в ствол отвесов, а также их качанием, что сильно затрудняет измерения.

Нередко приходится останавливать ствол на сутки и более, что приводит к большим денежным потерям и невозможности использовать ствол в качестве запасного выхода.

Поиск эффективного и качественного решения этих задач на основе автоматизированных и высокопроизводительных систем измерений послужил основным мотивом представленных исследований.

Объект исследований. Маркшейдерские ориентирно-соединительные съемки.

Предмет исследования. Факторы, влияющие на точность маркшейдерской ориентирно-соединительной съемки с применением сканирующих систем.

Цель работы. Разработка геометрического способа ориентирносоединительной съемки на основе сканирующих систем и анализ возникающих погрешностей, с целью повышения эффективности и безопасности капитальных маркшейдерских работ в стволе.

Идея работы заключается в использовании возможности сканера автоматически определять координаты отражающих марок, попадающих в поле зрения прибора с высокой точностью.

Основные задачи исследований:

1. Разработать метод передачи через вертикальные и наклонные выработки элементов ориентирования маркшейдерских сетей по результатам лазерной локации специальных отражающих марок на глубину более 1 км.

2. Установить оптимальные значения углового разрешения и расстояния для вычисления центра отражающей марки с требуемой точностью.

3. Определить наиболее выгодную геометрию фигуры сканерного хода в стволе и обосновать количество связующих марок.

4. Выполнить анализ основных источников погрешностей предлагаемых решений.

5. Разработать методику предрасчета погрешности ориентирносоединительной съемки выполняемой лазерным сканером.

6. Обосновать требования к выполнению работ, к конструкции и размерам отражающих марок.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Погрешность определения центра марки находится в прямой экспоненциальной зависимости от углового разрешения сканирования и расстояния до сканера.

2. Погрешность ориентирно-соединительной съемки с помощью сканерного хода по стволу зависит от геометрии хода, количества связующих марок и возрастает прямопропорционально корню квадратному из числа позиций сканирования.

Новизна результатов:

разработан сканерный ход специальной конфигурации позволяющий передать элементы маркшейдерских сетей в подземные горные выработки;

получена формула, позволяющая рассчитать погрешность определения центра марки на различных расстояниях и с разным угловым разрешением;

получено выражение, позволяющее вычислить угловые ошибки трансформации системы координат сканера по связующим точкам;

получены формулы для предрасчета погрешности ориентирносоединительной съемки, выполненной посредством сканерного хода по горной выработке.

Научная значимость результатов исследований:

разработан новый геометрический способ выполнения ориентирносоединительной съемки с применением лазерной сканирующей системы;

исследована точность определения центра отражающей марки, и сделан вывод о возможности применения сканера для высокоточных измерений;

на основе исследований факторов, влияющих на точность ориентирно-соединительной съемки, обоснована геометрия фигуры сканерного хода и небходимое количество связующих марок.

Практическое значение работы. Разработанный способ может быть применён при выполнении ориентирно-соединительной съемки на стволах глубиной более 1000 м. Применение сканирующих систем для выполнения ориентирно-соединительной съемки значительно сокращает время производства работ по сравнению с традиционными методами. Методика повышает безопасность труда при проведении маркшейдерских работ, ствол во время работ не перекрывается и может работать как запасной выход. Выполненные в работе исследования и разработки позволяют эффективно использовать наземные лазерные сканеры для производства капитальных маркшейдерских работ.

Методы исследований. Теоретические методы (теория ошибок измерений, математическая статистика) – использовались для обоснования оценки погрешностей получаемых измерений. Методы имитационного моделирования – использовались для моделирования вариантов прокладывания сканерных ходов. Экспериментальные методы (анализ данных экспериментальных измерений, сравнивание с результатами традиционных методов, проверка измерений высокоточным тахеометром).

Достоверность научных положений и результатов подтверждается согласованностью теоретических с полученными практическими результатами, а также результатами математического моделирования и актом внедрения в производственную деятельность горного предприятия ОАО «ППГХО».

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, выполнении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях: научно-практической конференции «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Иркутск, 2009 г.); «Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела» (УланБатор, 2009 г.); научно-практической конференции «Игошинские чтения»

(Иркутск, 2010 г.); Международной научно-практической конференция «Маркшейдерия и геодезия в 21 веке» (Иркутск, 2011 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки-60» (Иркутск, 21–22 мая, 2012 г.); IV-й Международной научно-практической конференции «Геодезия, маркшейдерия, аэросъемка. На рубеже веков» (Москва, 2013 г.).

Основные результаты и исследования опубликованы в 4-х статьях, две из которых – в журналах рекомендованных ВАК. По результатам исследований получен патент на изобретение.

Соответствие работы паспорту специальности. Диссертационное исследование выполнено в рамках специальности 25.00.16. Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр (П. 1, 7, 10).

Объем и структура работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, список сокращений, список терминов, список литературы из 52 наименований. Объем диссертации — 101 страница машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 47 рисунков, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Своевременное и качественное выполнение капитальных маркшейдерских работ в стволе, к которым относятся ориентирование, передача высотной отметки и плановых координат в шахту, являются одними из важнейших задач.

Методика выполнения работ. Методика измерений, предложенная в диссертации, подразумевает использование лазерного сканера.

Из представленных на сегодняшний день сканеров не все пригодны для работы в условиях шахты. Для измерений в шахтном стволе прибор должен быть защищенным от пыли и влаги, а для применения в угольных шахтах ещё и взрывобезопасным. Кроме вышеперечисленных достоинств сканер должен быть достаточно точным, необходима также возможность закрепления сканера под клетью.

Способ соединительной съемки с помощью лазерного сканера разработанный в рамках диссертации, подразумевает следующий порядок действий:

1. Полигонометрический ход от подходных пунктов в надшахтное здание. Полигонометрический ход прокладывается в соответствии с требованиям Инструкции по производству маркшейдерских работ. Погрешность измерения углов 20”, число сторон не более трёх (рис. 1).

Рис. 1. Стандартная схема полигонометрического хода к устью ствола 2. Закрепление отражающих марок в надшахтном здании, на расстрелах вдоль ствола, а также на маркшейдерских точках в горизонтальных выработках.

После прокладывания полигонометрического хода предусматривается закрепление отражающих марок в надшахтном здании. Для ориентирования сканера в пространстве предлагается использовать плоские круглые отражающие марки на магнитах (рис. 2, 3). Координирование марок на поверхности производится безотражательным тахеометром. Количество марок 8–10 шт.

Опорные марки должны по возможности располагаться равномерно в поле видимости сканера, на максимальном расстоянии от клети и на различных высотах, что позволит минимизировать ошибку привязки сканера к местной системе координат.

Рис. 2. Схема расположения и съемки отражающих марок в надшахтном здании Вторым этапом работ являются подготовительные работы в подземных выработках. К этим работам относится закрепление отражающих марок в интересующих горизонтальных выработках (рис. 4), а также вдоль ствола на расстрелах (рис. 5). В горизонтальных выработках под маркшейдерскими точками подвешиваются или центрируются на штативах сферические, цилиндрические или плоские отражатели. Если отражатели подвешиваются под точками, тогда необходимо предварительно выключить или уменьшить вентиляцию, иначе качание отражателей внесет в конечный результат дополнительные ошибки.

Вдоль ствола отражатели располагают группами по 8 марок на смежных ярусах расстрелов, между группами необходимо выдерживать расстояние 30–40 метров в зависимости от применяемых отражателей и сканера, это расстояние должно обеспечивать надежное определение координат центра отражателя с требуемой точностью.

Расстановку марок удобнее производить с крыши клети, находясь под защитным козырьком. При этом необходимо соблюдать технику безопасности работы в стволе, пользоваться средствами индивидуальной защиты и монтажным поясом.

Рис. 4. Схема расположения отражающих марок в горизонтальных выработках Рис. 5. Схема расположения отражающих марок в стволе 3. Закрепляют сканирующую систему под днищем клети и прокладывают сканерный ход вдоль ствола с последовательной передачей координат от марок, закрепленных в надшахтном здании в горизонтальные выработки.

Установка оборудования в клети – один из важнейших этапов сканирования ствола, все узлы сканирующей системы необходимо надежно закрепить, и при этом должна обеспечиваться возможность выполнения измерений. Сканер устанавливается через технологическое отверстие в днище клети.

Прибор закрепляется таким образом, чтобы сканирование производилось вниз ствола, а вертикальная ось вращения сканирующей головки была перпендикулярной подземным горизонтальным выработкам.

1 – дневная поверхность; 2 – гор. выработка; 3 – крутонаклонная выработка; 4 – клеть;

5 – сканер; 6 – эл. тахеометр; точки n1…n5 марки в надшахтном здании; точки P1…P марки, закрепленные на расстрелах; S1, S2, S3 – номера сканпозиций;

MT1 и МТ2 – пункты маркшейдерской сети; m1 и m2 – марки подвешенные или сцентрированные под маркшейдерскими пунктами Лазерное сканирование, выполняется с последовательных позиций (в нашем примере – S1, S2, S3), (рис. 6).

– 1-я позиция сканирования (S1). Выполняется после закрепления лазерного сканера 5 под шахтной клетью 4 и приведения его в рабочее состояние, при этом клеть поднимается немного выше уровня головки рельса, чтобы в поле зрения прибора попали отражатели, расположенные в надшахтном здании (см. рис. 6). В результате измерений осуществляется сканирование поверхности, то есть привязка к отражающим маркам n1–n5, верхней части вертикального ствола 3 и передача координат на марки P1–P4.

– 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 отражающие марки P5–P8 и отражающие 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 отражающих марок. На этой позиции в данном случае полевые работы заканчиваются.

Вышеизложенный способ испытан на руднике ОАО «ППГХО» в г. Производственный эксперимент заключался в осуществлении ориентирносоединительной съемки ствола 6р. Для проверки способа маркшейдерской службой ОАО «ППГХО» выполнялось гироскопическое ориентирование, расхождение между измерениями, полученными сканером и гироприставкой, составили 1’44”, расхождение в передаче отметки с длиномером ДА-2 составило 34 мм. В том же году на руднике «Глубокий», для обеспечения сбойки штрека со стволом, сканер был использован для передачи координат и высотной отметки через восстающий.

В 2012 г. успешно выполнена работа по профилированию нефтяного ствола с канатными проводниками.

Все производственные эксперименты доказали состоятельность идеи использования сканирующей системы для ориентирно-соединительной съемки и профилирования. Однако эти задачи относятся к особо ответственным капитальным маркшейдерским работам, поэтому необходимо изучить влияние различных факторов на точность измерений.

Анализ погрешностей, возникающих при измерениях сканирующей системой. Очевидно, что важное влияние на надежность сканерного хода оказывает точность определения центра марок и геометрия фигуры их расположения относительно прибора. Определение центра отражателя происходит не по единичному измерению, как, например, тахеометром, а путем вычисления геометрического центра марки по многочисленным точкам лазерных отражений, принадлежащих марке.

Исходя из вышеизложенного можно сказать, что точность определения центра отражающей марки зависит от трех основных факторов:

1) паспортной точности прибора;

2) углового разрешения сканирования;

3) расстояния до марки.

Паспортная ошибка единичного измерения у сканирующих систем варьирует от 3 до 15 мм. Однако эта ошибка имеет случайный характер и по закону распределения случайных величин может в значительной мере компенсироваться при выполнении многократных измерений.

От углового разрешения и расстояния до марки зависит количество попавших точек на отражатель, что влияет на погрешность вычисления истинного центра марки.

Для выяснения нужного углового разрешения и расстояния до марки, обеспечивающих надёжное вычисление центра, математически было смоделировано случайное многократное попадание сетки лазерных отражений на марку (рис. 7), при этом в саму сетку по нормальному закону распределения вводилась угловая погрешность, равная паспортной точности сканера. В результате получена зависимость ошибки вычисления центра марки от углового разрешения и расстояния до отражателя.

Рис. 7. Пример случайных вариантов попадания точек на расстоянии 15 м Как видно из графиков (рис. 8), зависимость СКО определения центра марки близка к экспоненциальной, а ошибка при увеличении расстояния и углового разрешения возрастает.

Таким образом, формула, описывающая СКО определения центра марки с помощью сканера на расстоянии 15 м, имеет вид:

или где ms – СКО определения центра марки; k1 и k2 – коэффициенты, зависящие от расстояния до марки; – угловое разрешение сканирования.

Если в формуле (1.2) заменить k1 и k2 на выражения, описывающие их зависимость от расстояния (рис. 9), то формула (1.2) примет вид:

где d – расстояние до марки от центра сканирования.

Рис. 8. Графики зависимости СКО определения центра марки от расстояния Рис. 9. Графики зависимости k1 и k2 от расстояния:

Выражение (1.3) может быть использовано для расчета погрешности центра отражающей марки на нужном расстоянии при известном угловом разрешении сканирования.

Если известно расстояние и требуемая точность определения центра марки, из выражения (1.3) можно определить необходимое угловое разрешение сканирования:

Погрешность передачи дирекционного угла в горные выработки лазерной сканирующей системой. Ошибка передачи дирекционного угла посредством сканерного хода зависит от многих факторов и может быть выражена следующей формулой: где m() – ошибка дирекционного угла, обусловленная погрешностью полигонометрического хода от подходных пунктов; m()s1 – ошибка ориентирования сканера в надшахтном здании относительно оси Z; m()s – ошибка ориентирования сканера в стволе относительно оси Z; m()u – ошибка дирекционного угла, обусловленная погрешностью определения центров марок, центрированных под маркшейдерскими точками; N – количество сканпозиций.

Согласно Инструкции по производству маркшейдерских работ, для осуществления геометрического ориентирования в надшахтное здание прокладывается полигонометрический ход 2-го разряда с числом сторон не более трёх, следовательно:

Для того чтобы учесть остальные ошибки в формуле (1.5), необходимо сначала понять математический аппарат сканерного хода. Сканерный ход в сущности представляет собой трансформацию системы координат последующего скана в систему координат предыдущего скана по связующим точкам.

Переход от одной системы координат к другой может быть выражен матрицей 4-го порядка следующего вида:

Матрица (1.7) представляет собой последовательное произведение матриц поворотов M Z’, M X, M Z вокруг соответствующих осей и матрицы переноса координат M T:

Тогда матрица перехода от одной системы координат к другой примет вид:

Пусть К = (X, Y, Z, 1) – координаты связующих марок в системе принятой на руднике, а K’= (X’, Y’, Z’, 1) – координаты связующих точек в системе сканера, тогда:

0 (1.10) или 0. (1.11) Однако равенство (1.11) справедливо только тогда, когда не имеется ошибок измерений. В современных программах по обработке лазерного сканирования реализован алгоритм решения трансформации координат методом наименьших квадратов таким образом, чтобы разница между исходными и полученными координатами была минимальной (выражение 1.12):

K = Таким образом, система координат сканера повернётся вокруг каждой оси с ошибкой, обусловленной погрешностью определения центра марки, и будет уменьшаться с увеличением числа связующих марок и расстояния от них до центра тяжести координат марок в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения.

Главной задачей ориентирно-соединительной съемки является передача дирекционного угла, которая в данном случае складывается из угловых ошибок ориентирования сканера относительно связующих точек в плоскости XY. Такой поворот представляет собой один из углов Эйлера (рис. 10), который выполняется в последнюю очередь и описывается матрицей:

Поворот вокруг оси Z на угол может быть осуществлен по одной связующей марке, с ошибкой, обусловленной погрешностью определения координат центра этой марки на предыдущей и последующей сканпозиции.

Из рис. 11 следует, что ошибку ориентирования в плоскости X,Y по одной связующей марке можно вычислить, основываясь на теореме косинусов, по формуле:

arccos arccos 1, (1.14) где ms – СКО определения центра марки сканером; S – среднее расстояние до марок от Ц.Т. их координат в проекции на плоскость XY:

При условии привязки сканера в стволе по предлагаемой в диссертации методике предусматривается использование от 8 и более связующих марок, поэтому система координат после решения условия (1.12) методом наименьших квадратов повернется на средний угол из вычисленных по всем маркам.

Тогда ошибка поворота системы координат будет равна ошибке среднего и выражается формулой:

(1.16) или где ms – СКО определения центра марки сканером; n- количество связующих марок; = 206265.

При равномерном распределении марок в надшахтном здании на первой сканпозиции, погрешность ориентирования сканера в плоскостях XZ и YZ муле (1.17):

" – погрешность ориентирования сканера на первой сканпозиции.

где Из рис. 12 следует, что погрешность ориентирования сканера в плоскостях XZ и YZ в стволе при выполнении измерений по предлагаемой методике зависит от погрешностей ms, mz, длины и ширины клетевого отделения, а также расстояния между расстрелами. Ошибка в повороте в плоскости XZ для одной связующей марки вычисляется по формуле:

где a – длина клетевого отделения, h – расстояние между ярусами расстрелов.

Ошибка поворота системы координат сканера в плоскости XZ по нескольким маркам будет вычисляться, как ошибка среднего:

где n – число связующих марок.

Ошибка поворота системы координат сканера в плоскости YZ по нескольким маркам вычисляется аналогично:

где b – ширина клетевого отделения.

Так как дирекционный угол в итоге передается всего на две маркшейдерские точки в горизонтальной выработке, случайная ошибка положения марок может внести существенную погрешность в конечный результат, поэтому для повышения надежности предрасчета погрешности следует применять предельную ошибку:

3, (1.21) где ms – СКО определения центра марки сканером; mc – ошибка центрирования отражателей под маркшейдерскими пунктами.

Тогда ошибка дирекционного угла, обусловленная погрешностью определения центров марок сканером, а также их центрирования под маркшейдерскими точками:

где mu – ошибка положения марки под маркшейдерской точкой; Lm – расстояние между марками, расположенными в горизонтальной горной выработке.

Согласно инструкции РД 07-603-03 п.163, ориентирование подземной маркшейдерской опорной сети производят независимо дважды (одним или разными методами). Расхождение в результатах ориентирования одной и той же стороны допускается не более 3’.

Теперь, зная допустимую погрешность передачи дирекционного угла, а также глубину ствола, подставив значения в формулу (1.5), можно выразить необходимую точность ориентирования сканера в шахте и выбрать нужное количество связующих марок. Точно также, зная значения всех угловых ошибок и расстояния между сканпозициями в стволе, из формулы (1.5) можно вычислить предельную глубину, на которую можно передать дирекционный угол с требуемой точностью.

Погрешность передачи лазерным сканером плановых координат и высотной отметки в горные выработки. Кроме передачи дирекционного угла ориентирно-соединительная съемка подразумевает также передачу плановых координат и высотной отметки. В инструкции РД 07-603-03 описаны требования к точности вышеперечисленных работ.

Расхождение в положении пункта, определенного по двум независимым проектированиям через одну вертикальную выработку, допускается не более 5 см при Н < 500 м и величины 0,01Н см, при Н > 500 м, где Н – глубина ствола, м.

Погрешность передачи координат марок от одной сканпозиции к следующей зависит от ошибки ориентирования сканера в плоскостях XZ, YZ и расстояния между сканпозициями:

sin ; (1.23) sin ; (1.24). (1.25) или где d – расстояние между сканпозициями.

Следовательно, общая ошибка передачи плановых координат лазерной сканирующей системой в шахту:

где N – число сканпозиций.

Допустимое расхождение между двумя независимыми передачами высот по вертикальным выработкам определяется по формуле:

0,0003, (1.26) где H – глубина шахтного ствола.

При допустимом расхождении за окончательное значение высоты принимают среднеарифметическое из двух определений.

Ошибка передачи высотной отметки сканирующей системой зависит от погрешности дальномера сканера, количества связующих марок и глубины ствола. Кроме того, отметка передается непосредственно на головку рельса в интересующей выработке и определяется по облаку точек, принадлежащих головке рельса. Поэтому ошибка передачи отметки может быть выражена формулой:

, (1.27) где mcloud – ошибка облака точек, обусловленная погрешностью лазерного дальномера и непостоянным коэффициентом отражения поверхности, эта ошибка на современных сканерах варьирует от 5 до 15 мм и указывается в паспортных характеристиках прибора.

В качестве подтверждения расчетов и работоспособности формулы (1.3) выполнены практические измерения с помощью лазерного сканера Riegl Z420 i и высокоточного тахеометра Sokkia NET05.

Определить ошибки измерений лазерного сканера, сравнивая координаты марок, полученные сканером и тахеометром, не представляется возможным, так как начальные координаты и направления осей измерений у тахеометра и лазерного сканера не совпадают, а соответственно не совпадают и получаемые измерения. Для определения погрешности принята методика, описанная в диссертации Е.В. Волкович, в которой предложено для определения ошибки сканера сравнивать расстояния между одноименными марками определенными сканером и тахеометром. Отличием является то, что определяется не трехмерная ошибка, а по отдельности ошибка в плоскости ZX и ошибка в плоскости ZY.

Ошибка по ZX обусловлена погрешностью угломерной части прибора и количеством точек, попавших на марку, и вычисляется, как разность расстояний 1–2, 4–3, 1–4, 2–3 (рис. 3).

Ошибка по ZY обусловлена погрешностью лазерного дальномера и вычисляется, как разность расстояний 1–5, 2–6, 4–8, 3–7 (рис. 13).

В процессе эксперимента измерены координаты 26 точек, после вычисления соответствующих расстояний получены следующие результаты:

3 мм. (1.29) Максимальная ошибка не превысила 5 мм, что соответствует паспортной точности сканера.

0,9 мм.

Результаты измерений доказывают правильность учета ошибок раздельно в плоскостях ZX и ZY, и позволяют говорить о том, что сканирующие системы могут быть использованы не только для съемочных работ, но и для высокоточных маркшейдерских и геодезических работ.

Для проверки правильности учета ошибок m()s, m()s и m()s, в программе Mathcad реализован алгоритм (1.16), позволяющий трансформировать систему координат по связующим точкам любого количества, но не менее трех. Также в программе AutoCAD создана модель измерений сканера на одной сканпозиции с размерами, повторяющими условия в реальном шахтном стволе, кроме того, AutoCAD позволяет пользователю снять координаты объекта в любой заданной системе. Таким образом, можно получить координаты набора одних и тех же точек в двух разных системах координат имитирующих систему координат рудника и систему сканера (рис. 14).

Рис. 14. Модель измерений в системе координат рудника (а) и сканера (б) Затем в набор координат марок в системе сканера по нормальному закону распределения вводилась ошибка, в координаты X,Y вводилась предельная ошибка со стандартным отклонением равным ms, а в координату Z – паспортная ошибка лазерного дальномера. При этом в марки 13, 14 и 11,12 погрешность не вводилась, таким образом, после трансформации системы координат сканера в систему рудника, по координатам точек 11–14, можно вычислить ошибки m()s, m()s и m().

Далее в программе Mathcad многократно вычислены координаты марок в системе координат рудника с различным количеством связующих точек (от 6 до 10), при этом по разности полученных координат точек 11–14 вычислены значения m()s, m()s и m()s. В результате получены следующие значения СКО (табл. 1).

СКО углов ориентирования сканера, результат моделирования Расчетная СКО углов ориентирования сканера Разница значений в табл. 1, 2 подтверждают правильность формул (1.17), (1.19), (1.20).

Для подтверждения работоспособности методики выполнения ориентирно-соединительной съемки сканером и расчетов представленных в диссертации, осуществлен эксперимент, имитирующий сканерный ход по стволу. Измерения производились в длинном коридоре, марки закреплялись на ширмах, по размерам совпадающих с расстрелами стандартного клетьевого отделения таким образом, чтобы у смежных сканпозиций имелось 8 общих марок. Сканерный ход состоял из пяти сканпозиций, длина хода составила 120 м, контроль измерений производился высокоточной измерительной системой MONMOS Sokkia.

Получены следующие результаты эксперимента:

1. Ошибка ориентирования сканера в надшахтном здании по 12 маркам составила 8”.

2. Ошибка ориентирования сканера в стволе по 8 маркам в среднем составила 20”.

3. Разница между дирекционным углом вычисленным по координатам марок определенных сканером и высокоточной системой MONMOS, составила 42”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предлагается решение актуальной задачи по разработке способа ориентирно-соединительной съемки с применением наземных лазерных сканирующих систем, оценки точности таких измерений и расчету затрат времени на их производство.

Основные научные и практические результаты исследований состоят в следующем:

Выполнен анализ основных источников погрешностей предлагаемых решений.

Получена формула позволяющая рассчитать оптимальные значения углового разрешения и расстояния для вычисления центра отражающей марки с требуемой точностью.

Получено выражение, позволяющее вычислить угловые ошибки трансформации системы координат сканера по связующим точкам.

Разработан метод исследования точности наземной сканирующей системы.

Разработан новый метод передачи через вертикальные и наклонные выработки элементов ориентирования маркшейдерских сетей по результатам лазерной локации специальных отражающих марок на глубину более 1 км.

Разработан алгоритм предрасчета погрешности ориентирносоединительной съемки, выполняемой лазерным сканером.

Обоснована наиболее выгодная геометрия фигуры сканерного хода в стволе и необходимое количество связующих марок.

Предлагаемый способ уменьшает затраты времени, также значительно повышает безопасность выполнения капитальных маркшейдерских работ в стволе.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается согласованностью теоретических с полученными практическими результатами, результатами математического моделирования и актом внедрения в производственную деятельность горного предприятия ОАО «ППГХО».

Исследования и разработки диссертации позволяют эффективно использовать наземные лазерные сканеры для производства капитальных маркшейдерских работ в подземных условиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в научных журналах ВАК 1. Гриднев С.О. Профилирование, ориентирование и передача высотной отметки в вертикальных и наклонных стволах с помощью наземной сканирующей системы // Маркшейдерский вестник. – 2009. – № 5. – С.37–39.

2. Гриднев С.О., Охотин А.Л., Анализ погрешностей ориентирносоединительной съемки, выполненной лазерной сканирующей системой // Вестник ИрГТУ. – Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. – № 9 (80). – С. 123–132.

Работы, опубликованные в других изданиях 3. Пат. № 2011106487/03, Российская Федерация, МПК G01C7/06. Способ соединительной съёмки / С.О. Гриднев, А.Л. Охотин, А.В. Волохов; патентообладатель ФГБОУ ВПО ИрГТУ; заявл.: 21.02.2011; опубл.: 10.08.2012.

4. Соболев А.В., Охотин А.Л., Гриднев С.О. Новейшие методы производства маркшейдерских работ // Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела : Междунар. сб. – Улан-Батор (Монголия), 2009. – С.67–69.

Подписано в печать 29.10.2013. Формат 60 х 90 / 16.

Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,75.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12. Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова,