Введение к работе
Актуальность темы исследования Применение наземных лазерно-сканирующих систем даёт возможность производить тотальную съёмку внутреннего пространства тоннелей, подземных горных выработок с высокой степенью плотности съёмочных точек. Большой объём получаемой съёмочной информации позволяет создавать высококачественные трёхмерные точечные и полигональные модели внутреннего пространства тоннелей, горных выработок, что, до недавнего времени, было невозможно. Высокая точность получаемой трехмерной модели позволяет производить достоверную оценку деформаций крепи тоннелей и подземных горных выработок.
На сегодняшний день основной проблемой лазерного сканирования тоннелей является отсутствие научно-методического и нормативного обоснования съёмки такого специфичного для лазерного сканера внутреннего пространства тоннелей и подземных горных выработок. Разработка научно и экспериментально обоснованной методики съёмки тоннелей и подземных горных выработок с учётом современных достижений в области лазерного сканирования является актуальной задачей, востребованной при маркшейдерском обеспечении строительства подземных сооружений и ведения подземных горных работ.
Поиск эффективных и качественно новых решений маркшейдерских задач на основе автоматизированных и высокопроизводительных лазерно-сканирующих систем съёмки подземных горных выработок послужил основным мотивом для проведения представленных исследований.
Проведённые исследования выполнялись с учётом работ А.В. Комиссарова, Е.М. Медведева, А.И. Науменко, А. В. Середовича, В. А. Середовича - известных учёных в области применения лазерно-сканирующих технологий для геодезических съёмок.
Цель работы. Разработка методики производства съёмки с применением лазерно-сканирующих технологий и оценки деформационного состояния крепи подземных горных выработок (тоннелей, штреков, стволов) по результатам лазерного сканирования.
Идея работы заключается в применении лазерно-сканирующих технологий при съёмках тоннелей и подземных горных выработок для получения точной трехмерной модели, по которой возможно производить оценку деформационного состояния крепи.
Задачи исследований:
- оценка и анализ существующего опыта лазерно-сканирующих съёмок подземных горных выработок;
- обоснование методических рекомендаций и требований к точности и достоверности производства лазерно-сканирующих съёмок подземных горных выработок;
- разработка методики лазерно-сканирующей съемки крепи вытянутых подземных горных выработок;
- разработка рекомендаций по оценки деформационного состояния крепи подземных горных выработок на основе трехмерной модели, полученной по результатам лазерного сканирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Съёмку таких вытянутых объектов, как тоннели, необходимо производить с учётом закономерного уменьшения плотности точек лазерных отражений от поверхности обделки тоннеля с увеличением расстояния от неё до сканера, которая в пределе, на определённом расстоянии, значительно меньшем максимальной дальности сканера, стремится к нулю.
2. При расположении марок внешнего ориентирования на прямой линии одновременно в их проекциях на горизонтальную и вертикальную плоскости задача определения пространственного положения лазерного сканера не имеет решения, а при расположении марок не на прямой линии погрешность определения положения сканера тем меньше, чем больше отклонение марок от прямой в их проекциях на эти плоскости и чем больше расстояние между марками в проекции на вертикальную плоскость.
Научная новизна работы:
1. Получена закономерность плотности точек лазерных отражений от угла отражения лазерного сигнала от поверхности обделки тоннеля: чем меньше угол падения к поверхности обделки, тем меньше плотность точек лазерных отражений (ТЛО). Используя выявленную закономерность, определён предельный угол, соответствующий оптимальной плотности ТЛО, достаточной для построения полигональной поверхности по этому количеству ТЛО без разрывов её сплошности.
2. Установлено, что при отклонении марок, расположенных в горной выработке с одной из сторон лазерного сканера, от прямой линии в проекции на вертикальную плоскость за счёт одной марки точность определения пространственного положения лазерного сканера выше, чем при отклонении от прямой линии за счёт двух марок. В обоих случаях точность определения положения сканера тем выше, чем ближе к сканеру расположены марки внешнего ориентирования.
3. Выявлена зависимость погрешности положения лазерного сканера от расстояния между марками в проекции на вертикальную плоскость, выражающаяся в том, что чем больше расстояние между марками, тем меньше погрешность определения положения сканера. Установлена связь этой зависимости с геометрическими размерами горной выработки.
Методы исследований.
- теоретические методы (наименьших квадратов, теория ошибок измерений) использовались при исследовании влияния на погрешность регистрации сканов геометрических параметров расположения марок внешнего ориентирования;
- анализ данных лазерно-сканирующей съемки гидротехнических тоннелей Зеленчукской ГАЭС, наклонного тоннеля станции метро «Адмиралтейская» (г. Санкт-Петербург);
- моделирование измерительных процессов регистрации сканов;
- методы математической статистики и автоматизированной обработки данных лазерно-сканирующей съёмки.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается согласованностью теоретических с полученными практическими результатами сканирования тоннелей Зеленчукской ГАЭС и экспериментальным моделированием лазерно-сканирующей съемки.
Практическое значение работы
1. Получены аналитические зависимости снижения плотности точек лазерного отражения от расстояния между сканером и отражающей поверхностью тоннеля.
2. Выполнены исследования влияния геометрического положения марок внешнего ориентирования относительно прибора на точность регистрации сканов;
3. Разработана методика проведения лазерно-сканирующих съёмок и методика создания трехмерных моделей объектов вытянутых подземных горных выработок по данным наземного лазерного сканирования;
4. Определены оптимальные параметры проведения лазерно-сканирующей съёмки и разработана методика создания трехмерных моделей таких вытянутых объектов, как тоннели и подземные горные выработки;
5. Результаты диссертационной работы рекомендуется применять
- при оценке технического состояния тоннелей и подземных горных выработок на горно-добывающих предприятиях и в организациях, строящих тоннели различного назначения;
-в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Лазерно-сканирующие технологии в маркшейдерском деле»
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практической конференции молодых учёных и специалистов “Инновационное развитие горно-металлургической отрасли” (Троицк, ноябрь 2009 г.), научный симпозиум “Неделя горняка-2010” (Москва, МГГУ, 2010 г.), международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела» (г. Екатеринбург, 2010 г.) и на заседаниях кафедры маркшейдерского дела НМСУ «Горный».
Личный вклад автора
- проведение анализа различных способов съемок подземных горных выработок;
- установление аналитических зависимостей снижения плотности сканирования с увеличением расстояния от лазерно-сканирующей системы до марок внешнего ориентирования;
- установление оптимальных геометрических параметров установки марок внешнего ориентирования при производстве лазерно-сканирующей съемки тоннелей и подземных горных выработок.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 публикациях, из них 3 в журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, библиографический список из 87 наименований. В работе 84 рисунка и 10 таблиц.
