Станция профилирования шахтных стволов
MINE SHAFT PROFILING STATION

Заявленное изобретение относится к горнодобывающей отрасли, в частности к оборудованию, предназначенному для выполнения маркшейдерских работ в вертикальных и наклонных шахтных стволах. Изобретение может быть использовано при профилировании жестких проводников шахтных стволов, а также для получения трехмерного облака точек, позволяющего решить различные задачи, в том числе определение зазоров между подъемным сосудом и элементами армировки по всему контуру подъемного сосуда, контроль расположения коммуникаций в стволе, контроль сечения ствола и состояния обделки, построение трехмерных моделей ствола.
Известна станция контроля параметров проводников шахтного ствола, Добкин И.И. и др. Маркшейдерские работы при установке и эксплуатации шахтного подъемного оборудования. - М.: Наука, 1983, с. 68 - 105. Известная станция имеет большой вес, габариты, проводные соединения, сильно затрудняющие работу с ней. Применяющиеся датчики и измерители приводят к значительным погрешностям при регистрации измеряемых величин. Запись измерений осуществляется на фотопленке и вощеной бумаге, требуя значительных затрат на обработку данных. Кроме того, станция не позволяет полноценно измерять зазоры между подъемным сосудом и армировкой ствола, и не имеет возможности выполнять съемку стенок ствола.
Известна станция контроля параметров проводников шахтного ствола СПШ, RU, патент, 2098630 С1, 10.12.1997. Данная станция имеет большой вес, габариты, и множество проводных соединений, сильно затрудняющих работу с ней. Данные измерений передаются в блок управления, который в свою очередь подключается к ноутбуку, что влечет за собой трудности защиты системы от влаги, температурных перепадов, а также обеспечения бесперебойного электропитания. Кроме того, станция не позволяет измерять зазоры по всему контуру подъемного сосуда, а только в четырех точках, где закреплены механические измерители зазоров. Также станция не имеет возможности измерять отклонение проводников от вертикали, измеряя лишь искривления проводников, и не позволяет выполнять съемку стенок ствола.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является станция профилирования проводников шахтных стволов СПП-1, Кашников Ю.А. и др. Новая станция профилирования проводников шахтных стволов. Маркшейдерский вестник. - 2014. - №3. - С. 12-18. Рассматриваемый аналог состоит из нескольких блоков: модуля управления, несущих платформ-кареток (2 шт.), измерителей 4 шт., набора штанг. Для снятия измеренных величин на каждый проводник навешивается платформа (каретка) с обхватывающими роликами (6 точек касания). На каретке реализованы электронномеханические способы измерений положения проводников с использованием высокоточных лазерных триангуляционных датчиков, абсолютных двухосевых инклинометров и энкодеров с EnDra технологией, в совокупности с технологией беспроводной передачи данных в компьютер (планшет). К недостаткам станции следует отнести большой размер и вес транспортировочных кейсов, возможность загрязнений окон лазерных измерителей износа проводников и зазоров, препятствующих измерениям или их искажающих, способ измерения зазоров между подъемным сосудом и армировкой осуществляемый только в четырех точках, отсутствие системы съемки стенок ствола.
Наличие новой совокупности существенных отличительных от прототипа признаков в заявляемой станции профилирования шахтных стволов позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
Проведенный дополнительный сопоставительный анализ патентной и научно-технической информации не выявил источники, содержащие сведения об известности совокупности отличительных признаков заявляемой станции профилирования шахтных стволов, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Техническим результатом является повышение полноты данных, оперативности и точности маркшейдерских работ в вертикальных шахтных стволах.
Изобретение предназначено для контроля параметров обделки, армировки и жестких проводников шахтных стволов всех типов в движении и представляет собой станцию профилирования шахтных стволов, состоящую из нескольких основных узлов.
На фиг. 1 показаны основные узлы станции в рабочем положении: 1 - каретка К1; 2 - каретка К2; 3 - лазерный сканер; 4 - узлы ходовых роликов; 5 - узлы рабочих роликов; 6 - узлы прижимных роликов; 7 - узлы опорных роликов; 8 - контроллер К1; 9 - контроллер К2; 10 - распорные штанги; 11 - тросик измерения ширины колеи.
Технический результат достигается применением станции профилирования шахтных стволов, состоящей из лазерного сканера и двух кареток, выполненных с возможностью крепления к подъемному сосуду, с помощью распорных штанг, с входящими в их конструкцию контроллерами, узлами прижимных, ходовых, и рабочих роликов, согласно изобретению, применением двух узлов ходовых роликов, а также наличием закрепляемого лазерного сканера на подъемном сосуде, плоскость сканирования которого, расположена перпендикулярно оси ствола с обеспечением обзора на 360 градусов.
Станции профилирования шахтных стволов состоит из лазерного сканера 3 и двух кареток 1, 2 с входящими в их конструкцию контроллерами 8, 9 распорными штангами 10, узлами прижимных 6 и рабочих роликов 5, а также двух узлов ходовых роликов 4, обеспечивающих минимизацию влияния ошибки измерения глубины. Станция предусматривает наличие закрепляемого на подъемном сосуде лазерного сканера 3, предназначенного для получения трехмерного облака точек в движении с целью построения профилей стенок ствола, определения геометрических элементов крепи ствола, положения расстрелов, зазоров между подъемным сосудом и армировкой ствола, расположения коммуникаций и состояния ходового отделения ствола, плоскость сканирования которого, расположена перпендикулярно оси ствола с обеспечением обзора на 360 градусов. Каретки 1, 2 закрепляемые на подъемном сосуде, с помощью вращающихся роликов узлов 4, 5, 6, 7 обжимают проводники с трех сторон, при этом два ходовых ролика, измеряющие с помощью энкодеров пройденный путь, связаны тросиком с энкодерами закрепленными на каретках, измеряющими износ проводников. В конструкциях кареток предусмотрены электронные инклинометры, измеряющие угол отклонения кареток от вертикали. В процессе работы каретки 1, 2 соединяются тросиком 11, с одной стороны жестко закрепленным с кареткой №1 и с другой стороны закрепленным через шкив с энкодером каретки №2, измеряющим ширину колеи. В конструкциях кареток и лазерного сканера предусмотрены микроконтроллеры, считывающие данные с инкрементальных энкодеров и инклинометров, отображающие данные на дисплеях кареток в реальном времени и записывающие их на съемную карту памяти, а также выполняющие синхронизацию таймера во всех микроконтроллерах по беспроводной связи Wi-Fi для обеспечения согласованности данных и определения координат траектории движения центра лазерного сканера.
Порядок работы со станцией:
1. На каретках 1, 2 с помощью штангенциркуля выставляются и фиксируются прижимные ролики 6 на одинаковом расстоянии от рамы кареток с таким расчетом, чтобы свободный ход рабочего 5 и ходового ролика 4 был не менее 5 см.
2. Каретки 1 и 2 устанавливаются на проводники и крепятся к подъемному сосуду с помощью распорных штанг 10, таким образом, чтобы ролики 4, 5, 6, 7 обжимали проводники с трех сторон.
3. На подъемном сосуде закрепляется лазерный сканер 3 плоскость сканирования которого, располагается перпендикулярно оси ствола с обеспечением обзора на 360 градусов.
4. Выполняются начальные измерения ширины колеи, ширины проводников, высотной отметки ходовых роликов 4 с помощью лазерной рулетки или других обеспечивающих точность приборов.
5. Включаются контроллеры 8, 9 в режиме наблюдения и ожидается синхронизация временных меток контроллеров по беспроводной связи. После синхронизации, контроллеры кареток 8, 9 и лазерного сканера 3 начинают запись данных на собственные карты памяти, при этом беспроводная связь отключается для надежности и приборы работают автономно.
6. Дается команда на движение подъемного сосуда со скоростью 0,3-0,5 метра в секунду. В процессе движения оператор может наблюдать измеряемые параметры на дисплеях контроллеров в реальном времени. При этом есть возможность осуществления остановок, не влияющих на качество профилирования.
7. После выполнения профилирования, контроллеры 8, 9 выключаются с помощью тумблеров расположенных на контроллерах кареток, сканер 3 выключается дистанционно по сети Bluetooth с помощью мобильного устройства.
Работа станции после начала движения основана на микроконтроллерах, фиксирующих импульсы, отражающие изменение углов поворота инкрементальных оптических энкодеров ходовых роликов, шкивов измерения ширины колеи и износа проводников, а также фиксирующих показания инклинометров установленных внутри контроллеров кареток, предназначенных для определения углов отклонения проводников от вертикали. Значение линейных перемещений, измеряемых станцией, рассчитывается, как число импульсов энкодеров, умноженное на шаг измерений, который в свою очередь вычисляется для каждого ролика при калибровке путем деления известного расстояния на число импульсов энкодера, полученных для прохождения данного расстояния. Каждое измерение вместе с временной меткой записывается на встроенную карту памяти в файл с уникальным названием с настраиваемым интервалом измерений от 1 до 5 Гц. Лазерный сканер 3 состоит из двумерной лазерной сканирующей головки с максимальным расстоянием сканирования 40 м, одноплатного компьютера управляющего и записывающего данные сканирования в виде файла, содержащего углы, длины и временную метку измерения, инклинометра и микроконтроллера управляющего дистанционным запуском и выключением лазерного сканера, а также передачей данных углов наклона лазерного сканера на одноплатный компьютер. Запись временной метки каждого измерения в единой системе отсчета времени позволяют согласовать все данные в единый файл, а также путем интерполирования траектории движения кареток по времени, вычислить полные трехмерные координаты центра лазерного сканера 3 в каждый момент времени, что позволяет получать трехмерное облако точек ствола в движении. Станция позволяет выполнять профилирование в обе стороны с возможностью уравнивания измерений, полученных в прямом и обратном направлениях. Время непрерывной работы контроллеров станции 8 ч, обеспечивается встроенными литий ионными аккумуляторами напряжением 3, 7 В и емкостью 3500 мАч. Питание сканера осуществляется от внешнего аккумулятора 5-12 В емкостью 9 Ач.
Предлагаемое изобретение разработано в связи с необходимостью выполнения маркшейдерских съемок обделки и армировки стволов в одном цикле с профилированием проводников. Разработанная станция профилирования вертикальных шахтных стволов представляет собой опытно-промышленный образец, прошедший апробацию в действующем вертикальном стволе, подтвердивший все свои характеристики и работоспособность.