Анализ использования методов учёта горных пород и полезного ископаемого при подземном и открытом способе разработки месторождений, с использованием лазерно

РЕФЕРАТ на тему:

«Анализ использования методов учёта горных пород и полезного ископаемого при подземном и открытом способе разработки месторождений, с использованием лазерного сканирования, GPS навигации и способа инструментальной съемки»

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УЧЕТЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО, ИЗВЛЕЧЕННЫХ ИЗ НЕДР

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ УЧЕТА ГОРНОЙ МАССЫ В СКЛАДАХ И ОТВАЛАХ

2.1 Маркшейдерские замеры для учета горной массы

2.2 Лазерное сканирование, как метод учета горной массы

2.3 GPSсъемки, как метод учета горной массы СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ВВЕДЕНИЕ Высокие темпы развития промышленного производства сопровождаются интенсивной добычей полезных ископаемых из земных недр, что приводит к накоплению огромных объемов горной массы в отвалах.

Полезные ископаемые также извлекаются из горного массива и складируются в специально отведенные для этого места — склады.

Одной из задач маркшейдерской службы горного предприятия является определение объемов горных пород и полезного ископаемого в складах и отвалах.

Данные сведения необходимы для контроля выполнения объемов добычных и вскрышных работ, а также для контроля запасов.

Также объемы горной массы в отвале определяют для установления воздействия на окружающую среду и платы за ее загрязнение.

Наряду с этим, отвальные породы могут представлять интерес в качестве источника вторичного минерального сырья. Поднятая из недр и складированная горная порода содержит полезные ископаемые; и чем старее отвалы, тем богаче они полезными компонентами, т.к. развитие технологий позволяет разрабатывать не кондиционные запасы полезных ископаемых. В этом случае также необходимо знание объемов заскладированных пород.

Таким образом, задача определения и учета объемов горных пород и полезного ископаемого при открытом и подземной способе добычи является актуальной.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УЧЕТЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО, ИЗВЛЕЧЕННЫХ ИЗ НЕДР Проверка учета извлечения полезных ископаемых и объемов реализованных добычных работ на горнодобывающих предприятий является одной из важных задач маркшейдерского отдела.

Существует три различных типа учета добычи: бухгалтерский, оперативный и маркшейдерский.

Бухгалтерский учет ведется по данным об отгрузке полезного ископаемого и его остаткам на складах.

Оперативный статистический учет проводится диспетчерской службой по числу и массе (нетто) транспортных сосудов или по данным прямого (на вагонных весах) взвешивания полезного ископаемого, попадающего из горных выработок за отчетный период.

Объем добычи полезного ископаемого за отчетный период определяется по формуле

Д = Qj — Qн + Qк ,

где Qj — масса полезного ископаемого, добытого и отправленного по данным бухгалтерского учета потребителям (в том числе на собственные нужды); QH и QK — остатки полезного ископаемого на складах, в бункерах, а также в вагонах, загруженных, но не проведенных по расходу, соответственно на начало и конец отчетного периода.

Остатки полезного ископаемого на складах и в бункерах устанавливают посредством маркшейдерских измерений.

По данным оперативного учета оценивается динамика процесса добычных работ и производится начисление заработной платы.

Маркшейдерский учет производится ежемесячно на основании съемок горных выработок и геологической документации по каждой учетной единице — по рудному телу (угольному пласту), эксплуатационному блоку (лаве), камере, панели, этажу, подэтажу при подземной разработке, а при открытой разработке — по горизонту, уступу, подуступу, а также съемок и замеров полезного ископаемого на складах.

Остатки полезного ископаемого на складах и в бункерах подсчитывают с разбивкой по сортам, а массу определяют умножением объема штабелей (отвалов) или заполненной части бункеров на объемную массу полезного ископаемого в штабелях или бункерах.

Маркшейдерский отдел шахт и карьеров обязательно ведет Книгу учета движения запасов или Книгу учета движения горной массы.

В таких книгах указываются данные и маркшейдерского и оперативного учета, а также приводятся вспомогательные справочные материалы по массе и плотности пород и полезных ископаемых. Кроме того там же приводятся контрольные подсчеты. Учет ведется. Как правило, отдельно для всех структурных подразделений (участкам, горизонтам), а затем сводится в общий по предприятию.

Исходя из вышеприведенного можно сказать, что все способы учета горной массы на горном предприятии разделяются на три вида [3]:

— непосредственные (по замерам и взвешиванию);

— расчетные;

— комбинированные.

В настоящее время маркшейдерские работы по учету горной массы, извлеченной из горного массива открытым способом регламентируются соответствующей инструкцией.

В указанном нормативном документе предписывается порядок работ по учету запасов, выполнению инструментальных наблюдений, взвешиваний и пр.

Также регламентируются погрешности определения объемов маркшейдерскими замерамиони не должны превышать 10%, что в условиях высокопроизводительных карьеров является достаточно значимой цифрой (до нескольких сот тыс. т в год). А вот допустимая погрешность определения объемов горной массы оперативным способом (взвешивание) в два раза меньше — 5%.

Маркшейдерские замеры производят, как правило, в конце отчетного месяца (периода).

При открытом способе измеряют положение горных работ на каждом горизонте, объемы взорванной горной массы в карьере.

При подземном способе добычи определяют положение забоев горных выработок (капитальных, подготовительных, нарезных и очистных). Замеры проводятся от постоянных маркшейдерских точек линейными промерами, что позволяет определить подвигание забоя за соответствующий период.

Как уже отмечалось при учете горной массы также необходим контроль полезного ископаемого на складе и породы в отвале. Такой контроль производится ежемесячно.

Упомянутой выше Инструкцией нормируются также допустимые погрешности определения остатков на складе и пород в отвале. Так для отвалов допустимые погрешности, выраженные в %, тем меньше, чем больше объем отвала.

Объем пород в отвале, как правило, определяют по результатам маркшейдерских съемок или линейных обмеров (с помощью рулетки).

Объем полезных ископаемых на закрытом складе определяют путем измерения его незаполненной части.

В зависимости от применяемых методов и оборудования расхождений между данными оперативного и маркшейдерского контроля быть не должно.

Предусмотрено заполнение форм отчетности по данным наблюдений и замеров, а именно № 70-тп и № 71-тп.

При добыче полезных ископаемых подземным способом маркшейдерские работы по съемке складов и отвалов выполняются в соответствие с Инструкцией.

Инструкция предписывает выполнять съемку объемов отвалов сложной формы тахеометрическим, мензульным, фотограмметрическим способом либо способом параллельных профильных линий. При этом подсчет объемов ведется способами вертикальным или горизонтальных сечений либо другими, которые обеспечивают требуемую точность.

Также объемы пород в небольших отвалах производят нивелированием поверхности по сетке или линиям.

Обзор способов для условий открытой разработки приведен в таблице 1.

В тоже время объемы горной массы в небольших отвалах правильной формы и складах полезного ископаемого рекомендуется определять рулеточным обмером с подсчетом объемов по формулам геометрических тел.

Инструкция регламентирует допустимое отклонение двух независимых (основного и контрольного) определений объемов отвалов и складов по объему отвала: для отвалов объемом до 20 тыс. м3 эта величина не может превышать 12%, а для отвалов объемом более 200 тыс. м3 — не более 3%.

Таблица 1 — Способы определения объемов выемки горной массы [6]

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ УЧЕТА ГОРНОЙ МАССЫ В СКЛАДАХ И ОТВАЛАХ Согласно Инструкции существуют следующие методы учета горной массы:

— по маркшейдерской съемке;

— по результатам взвешивания;

— лазерное сканирование;

— GPSсъемки.

2.1 Маркшейдерские замеры для учета горной массы Среди инструментальных способов учета горной массы для условий открытой разработки месторождений наиболее часто применимым являются способы горизонтальных и вертикальных сечений. Для применения указанных способов предварительно выполняется инструментальная съемка и строится план объекта в масштабах 1:500 или 1:1000.

При подсчете выемки угля из очистного забоя при подземной разработке маркшейдерской службой производится измерение мощности вынимаемого пласта (средняя) и подвигания забоя.

При подсчете горной массы, вынутой при проведении горных выработок, определяется фактическое сечение выработки в проходке и если выработка проведена сплошным забоем, то площадь сечения умножается на величину подвигания выработки, в результате чего получается объем изъятой горной массы. В случае, если выработка проведена раздельным забоем (отдельно вынимался уголь и порода), то подсчитывается отдельно площадь угольного и породных забоев, каждая из которых умножается на величину подвигания, а полученные произведения характеризуют объемы вынутого полезного ископаемого и горной породы соответственно.

Таким образом, при подземном способе добычи полезного ископаемого для учета его объема и движения запасов, главной определяемой величиной является мощность вынимаемого пласта.

Мощность пласт и обмеры сечения выработки производятся рулеточно. А величина подвигания определяется как простыми линейными промерами, так и с помощью маркшейдерско-геодезического оборудования (например, теодолитов). В случае, когда темпы проведения выработки высоки, то подвигание определяется проложением теодолитного хода от пунктов постоянной маркшейдерской сети, при этом учитывается положение забоя выработки на предыдущую отчетную дату.

Основные погрешности определения объемов горной массы связаны с инструментальными обмерами мощности пласта.

В работе указывается на наличие систематической погрешности между маркшейдерским и статистическим способами учета горной массы, которая может достигать 20%. Автор работы объясняет это различным подходом к объекту учета: маркшейдерский учет ведется в «чистом» угле, а статистический учет в товарном угле.

В работе также отмечается ошибка измерения мощности пласта в очистном забое в результате отжима угля.

Для условий открытой выемки полезного ископаемого учет горной массы с помощью маркшейдерских замеров производится несколько иначе.

В этом случае также во вскрышных и выемочных забоях производится замеры высоты уступов, длины фронта работ и подвигания забоя. Перемножением этих величин получается объем вынутой горной массы.

Также, при рыхлении пород в массиве с помощью буровзрывных работ, одним из способов маркшейдерского замера объемов горной массы является определение объемов развала горной массы после взрыва. В этом случае замеры производятся после проведения БВ-работ. Также определяется коэффициент разрыхления горной массы. Для таких условий замеры производятся отдельно по каждому блоку.

Для открытого и подземного способов разработки месторождений существует общий способ определения объемов горной массы, изъятой из массива, который реализуется по планам и разрезам, на которых отражается подвигание каждого забоя за отчетный период.

Как правило, данный способ используется как контрольный вышеописанным.

Съемку горной массы в складах и отвалах производят топографическими и нивелирными способами с учетом плотности укладки полезного ископаемого (горной породы). Координаты точек на поверхности отвала определяются теодолитно-полигонной съемкой или в случае недоступности — засечками и тригонометрическим нивелированием. Обязательно ведется абрис и полевой журнал. Результаты съемки наносят на план площадки склада в виде контуров и горизонталей поверхности отвалов. Сечение горизонталей принимается в зависимости от сложности по-верхности и высоты отвалов равным 0,25- 0,50 м (при средней высоте отвала до 3 м) и 0,5−1,0 м (при средней высоте более 3 м).

Подсчет объема отвалов производится по формуле трапеции по горизонтальным или вертикальным параллельным сечениям, составляемым по совмещенному плану площадки склада и поверхности отвала.

Описанный способ наиболее применим для отвалов и складов округлой формы.

Для вытянутых в плане отвалов (складов) чаще применяют способ профилей, при котором тахеометрическую съемку выполняют по профилям, разбитым через 5 м.

Для отвалов и складов также могут применяться рулеточные обмеры. Для того вдоль отвала (склада) натягивается проволока, которая закрепляется кольями, измеряются расстояния.

2.2 Лазерное сканирование, как метод учета горной массы В последние годы существенно и кардинально изменились методы проведения съемок. Появился метод наземного лазерного сканирования, который кроме прочего позволяет определять объемы взорванной породы, объемы изымаемой горной массы и др., что позволяет использовать его как метод учета горной массы.

Лазерное сканирование — это метод, позволяющий создать цифровую модель окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Несмотря на принципиальную новизну данного метода, его можно рассматривать как логическое продолжение развития безотражательных технологий и их использования в геодезических инструментах. Основное отличие метода лазерного сканирования от традиционных тахеометров — гораздо большая скорость измерений, сервопривод, автоматически поворачивающий измерительную головку инструмента в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а самое главное — скорость (5000 измерений в секунду) и плотность (десятки точек на 1 кв. сантиметр поверхности). Полученная в результате измерений цифровая модель объекта представляет собой набор от сотен тысяч до нескольких миллионов точек, имеющих пространственные координаты с высокой точностью. Кроме этого в большинстве современных сканеров имеется встроенная цифровая камера, позволяющая для каждой точки трехмерного растрового изображения определить показатели интенсивности отражения и истинного цвета, которые на этапе камеральной обработки используются не только для трансформации растрового изображения в векторный формат, Характерной особенностью данного способа является возможность его применения как при открытой, так и при подземной добыче полезных ископаемых.

Система для наземного лазерного сканирования состоит из наземного лазерного сканера и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. Сканер состоит из лазерного дальномера, адаптированного для работы с высокой частотой, и блока развертки лазерного луча.

При использовании для съёмки лазерно-сканирующих систем перед началом собственно съёмки ориентировочно намечаются позиции установок сканера (скан-позиции) относительно снимаемого объекта из расчёта охвата съёмкой возможно большей части объекта.

Число станций сканирования (скан-позиций) должно быть достаточным для полного охвата снимаемого объекта, но при этом необходимо минимизировать их количество для уменьшения времени проведения съёмки и количества измерительной информации о снимаемом объекте.

Исследованиями установлено, что максимальная дальность импульсных сканеров больше, чем у фазовых, что необходимо учитывать при выборе типа оборудования для проведения съемки в зависимости от размеров снимаемого объекта.

Принцип работы лазерного сканера тот же, что и у обычного электронного тахеометра, — измерение расстояния до объекта и двух углов — горизонтального и вертикального, что в конечном итоге дает возможность вычислить пространственные координаты точки. Лазерный излучатель с заранее определенным временным интервалом генерирует пучок электромагнитных волн, который отражается от поверхности снимаемого объекта и возвращается в приемник, как показано на рис. 1. Одновременно с генерацией сигнала излучатель посылает сигнал «старт», который поступает в электронный блок обработки сигналов; в этот же блок поступает сигнал «стоп» от приемника, когда он получает отраженный от объекта сигнал. Излученный и принятый сигналы сравниваются, и по времени прохождения вычисляется расстояние до объекта.

Вращающаяся призма, или зеркало, распределяет лазерный пучок по вертикали с заранее заданным шагом, например 0,1°. Таким образом, в отдельно взятом вертикальном скане будут измерены все точки с дискретностью 0,1°, что при вертикальном угле сканирования, равном 140°, даст 1400 съемочных точек. Затем высокоточный сервопривод поворачивает блок измерительной головки на угол, равный шагу измерения, и цикл измерений повторяется снова. При такой же дискретности 0,1° полный оборот сканера состоит из 3600 отдельных вертикальных плоскостей.

Рис. 1 — Принцип работы лазерного сканера [13]

Таким образом, полная цифровая картина пространства будет представлена в виде набора из более чем 5 миллионов (5 040 000) точек с известными пространственными координатами, для получения которой необходимо затратить около 30 минут времени. Как правило, весь процесс съемки полностью автоматизирован, оператору необходимо только ввести параметры съемки — граничные углы в вертикальной и горизонтальной плоскостях и дискретность съемки. Данные измерений в реальном времени записываются на внешний или внутренний накопитель, а встроенная система визуализации выдает изображение на дисплей специального компьютера.

Типовая система лазерного сканирования способна проводить работы по получению трехмерной цифровой модели с точностью от долей миллиметра до 5 см на расстоянии от нескольких десятков до 2500 метров за время от нескольких секунд до десятков минут. Лазерный сканер имеет поле зрения от 40°х40° до 360°х180° и подходит для съемки и моделирования местности и инженерных объектов.

После проведения лазерного сканирования осуществляются камеральные работы, состоящие в обработке полученных изображений.

Обработка включает в себя: предварительную обработку сырых сканов; объединение (сшивку) сканов; трансформирование координат; создание поверхностей.

В результате получается план поверхности, по которому можно определить необходимые при учете горной массы подвигание забоев.

2.3 GPSсъемки, как метод учета горной массы

GPSсъемки начали развиваться в конце прошлого столетия, однако в последние годы они стали более широко применяться на предприятиях, в том числе горнодобывающих.

Спутниковая радионавигационная система, или глобальная система определения местоположения GPS, обеспечивает высокоточное определение координат и скорости объектов в любой точке земной поверхности, в любое время суток, в любую погоду, а также точное определение времени. Точность определения координат составляет от 5−10 м до миллиметров.

Основная идея этой технологии состоит в том, что один из приемников (базовый приемник) помещается на точку с заранее известными координатами, так называемую базовую станцию, и ведет непрерывные спутниковые наблюдения весь сеанс GPS — съемки. В результате такого наблюдения определяется величина ионосферной поправки, равная разнице заранее известных координат точки и ее координат, полученных в результате сеанса спутниковых наблюдений. Полученная величина ионосферной поправки вводится в результаты спутниковых наблюдений на определяемых точках. При этом главным условием работы в режиме дифференциальной ОР5 является обеспечение одновременного приема сигнала от общих спутников базовым и полевым приемниками. Так как величина ионосферной поправки является постоянной на довольно обширных территориях, то технологию дифференциальной GPS возможно использовать без снижения точности определения координат для наблюдения базовых линий длиной от 1 м до 1000 км. учет горный маркшейдерский лазерный На сегодняшний день существуют несколько технологий, используемых для наблюдения векторов в геодезической GPS — сети. Эти методы сбора и обработки данных различны по точности определения координат пунктов, времени наблюдений и производительности. Для успешного выполнения любого вида GPS — съемки необходимо обеспечить следующие условия:

одновременную работу как минимум двух GPS — приемников, с последующим объединением полученных данных;

одновременный прием радиосигналов как минимум от четырех спутников, что бывает иногда затруднительно в застроенных или залесенных районах;

отсутствие в районе GPSизмерений мощных работающих телеи радиотрансляционных устройств, особенно с перископической схемой усиления радиосигнала, которые могут заглушать или искажать принимаемый от спутников радиосигнал.

Для определения положения полевого приемника относительно базового можно использовать различные методы измерений, которые отличаются способом накопления данных:

Для измерений в режиме реального времени используется радиомодем, который передает данные с базового приемника на полевой, при этом результаты измерений получаются непосредственно в поле.

Методы измерений с постобработкой требуют записи данных на базовом и полевом приемниках, с последующим их объединением и обработкой на офисном компьютере.

Основные технологии GPSсъемок приведены в табл. 2 в порядке возрастания их точности.

Таблица 2 — Основные технологии GPSсъемок

После выполнения GPS-съемки также производится ее обработка, в том числе перевычисление координат точек в принятую систему координат.

По результатам съемки, также как и при лазерном сканировании строится план поверхности, по которому определяются требуемые для учета горной массы параметры.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Букринский В. А. Геометризация недр. — М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2002 — 334 с.

Колосов В. А. Методы учета фактических величин показателей извлечения руды // Вестник Криворожского технического университета, 2012. — Вып. 33. — С. 8−11.

Висенте Карлос Бауте Жозким. Разработка методов учета объема горной массы и продуктов ее переработки применительно к условиям разработки месторождения Напама (Мозамбик): автореф. дисс. … канд. техн. наук «Маркшейдерия»; Днепропетровск: Государственная горная академия Украины, 1997. — 23 с.

Инструкция по маркшейдерскому учету объемов горных работ при добыче полезных ископаемых открытым способом // Утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 06.06.2003 № 74.

РД 07−603−03 Инструкция по производству маркшейдерских работ // Утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 06.06.2003 № 73.

Маркшейдерия: Учебник для вузов / Под ред. М. Е. Певзнера, В. Н. Попова. — М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003. — 419 с.

Синанян Р. Р. Маркшейдерское дело: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1988. — 312 с.

Бруй А. В. Маркшейдерский учет добычи угля: моногр. — Д.: Национальный горный университет, 2012. — 121 с.

Чернышов И.А., Боев В. А. Маркшейдерский учет добычи угля на шахтах //Тр. ВНИМИ, сб. VI. — Л.: Углетехиздат.-1949. С. 44−49.

Халимендик Ю.М., Бегичев С. В., Бруй А. В. Влияние отжима на учет добычи угля в условиях Западного Донбасса //Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: Изд. МГГУ.- 2004. № 5. С. 191−192.

Маркшейдерский контроль и учет объемов горных работ: метод. указания по выполнению практических работ для студентов горных специальностей [Электронный ресурс] / сост. А. А. Григорьев, Ю. С. Капитонова; Дальневосточный федеральный университет, Инженерная школа. — Электрон. дан. — Владивосток: Издательский дом Дальневост. федерал. ун-та, 2013. — 22 с. — Режим доступа: http://www.dvfu.ru/web/is/metodiceskie-rekomendacii.

Нестеренко Е. А. Методика съемки карьеров, отвалов и складов на основе применения трехмерных лазерно-сканирующих систем: автореф. дисс. … канд. техн. наук; Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр. — Санкт-Петербург, 2010. — 20 с.

Маркшейдерские работы при разработке месторождений открытым способом: Учебное пособие // Под ред. проф. В. А. Гордеева. — Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. — 155 с.

Маркшейдерские работы и безопасность недропользования // Информационный бюллетень Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. — 2012. — № 3 (60). — С. 29−38.

Жуков Г. П., Лабутин Е. Н. Количественная и качественная оценка использования балансовых запасов угля при подземной добыче в условиях реструктуризации угольной промышленности России //Маркшейдерский вестник. — № 3(25)-98 июль-сентябрь.- С. 25−27.