Подземная и шахтная геодезия: научно-методический обзор

Аннотация. В статье рассматриваются теоретические и методические

основы подземной (шахтной) геодезии как специализированного раздела

маркшейдерского дела. Освещены исторические этапы развития

дисциплины, задачи и методы подземных геодезических работ, включая

построение опорных сетей, соединительную съёмку и ориентирование

выработок. Представлен обзор применяемого оборудования и нормативной

базы. Особое внимание уделено современным технологическим решениям и

перспективам автоматизации подземных геодезических измерений. Статья

адресована специалистам горного профиля, преподавателям, аспирантам и

студентам геодезических и горных специальностей.

Ключевые слова: подземная геодезия, шахтная геодезия, маркшейдерия,

опорная сеть, соединительная съёмка, ориентирование шахт, гирокомпас,

лазерное сканирование.

Введение

Подземная (шахтная) геодезия представляет собой специализированный

раздел геодезической науки, предметом которого является изучение методов

пространственно-геометрических измерений в недрах земли и на

соответствующих участках её поверхности с последующим отображением

результатов на планах, картах и разрезах при горных и геолого-разведочных

работах. Данная дисциплина выступает неотъемлемой частью

маркшейдерского дела — отрасли горной науки и техники, обеспечивающей

безопасное и эффективное ведение горных работ.

Актуальность подземной геодезии обусловлена необходимостью точного

пространственного позиционирования горных выработок, контроля их

геометрических параметров, обеспечения сбойки встречных забоев, а также

мониторинга сдвижения горных пород. Развитие горнодобывающей отрасли,

увеличение глубин разработки и усложнение горно-геологических условий

предъявляют повышенные требования к точности и оперативности

подземных геодезических измерений.

Цель настоящей статьи — систематизированное изложение научно-

методических основ подземной геодезии, включая исторический контекст,

задачи, методы, приборное обеспечение, нормативное регулирование и

направления технологической модернизации.

Исторический очерк развития подземной геодезии

Зарождение подземной геодезии неразрывно связано с развитием горного

промысла. Маркшейдерское дело возникло как естественный ответ на

запросы горнодобывающей отрасли в части фиксирования, учёта и контроля

проходческих и добычных работ. Уже в XVI веке в европейских горных

регионах (Саксония, Чехия) формируются первые систематические подходы

к подземным измерениям.

В России маркшейдерское дело получило развитие в петровскую эпоху в

связи с активным освоением рудных месторождений Урала и Сибири.

Значительный вклад в становление отечественной школы подземной

геодезии внёс профессор Ф.В. Галахов, который в начале 30-х годов XX века

первым обратил внимание научного сообщества на необходимость

применения гироскопов для ориентирования подземной съёмки и ввёл

теорию гироскопов в программу маркшейдерского дела. По его инициативе в

1925 году был созван Первый общероссийский маркшейдерский съезд,

заложивший организационные основы отрасли.

Советский период характеризовался интенсивным развитием методик

подземных измерений, созданием специализированных приборов и

формированием нормативной базы. Особую роль в совершенствовании

технологии построения подземных опорных сетей сыграл ВНИИ горной

геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). В постсоветский период

происходит активное внедрение электронных и лазерных средств измерений,

автоматизация камеральной обработки данных.

Задачи подземной геодезии

Комплекс задач, решаемых подземной геодезией, можно классифицировать

по функциональному признаку:

1.

Планово-высотное обоснование горных работ. Создание и развитие

маркшейдерских опорных сетей на земной поверхности и в горных

выработках, представляющих собой главную геометрическую основу

всех маркшейдерских съёмок.

2.

Пространственное ориентирование выработок. Передача координат

и дирекционных углов с земной поверхности в подземные горные

выработки через вертикальные стволы, наклонные стволы или

штольни.

3.

Съёмка горных выработок. Определение фактического

пространственного положения подготовительных и очистных

выработок, камер, целиков, а также контуров рудных тел с целью

составления горной графической документации.

4.

Контроль геометрических параметров. Обеспечение заданного

направления проходки выработок, контроль их поперечного сечения,

соблюдение проектных уклонов и радиусов закруглений.

5.

Сбойка встречных забоев. Обеспечение точного соединения

выработок, проходимых с противоположных направлений.

Погрешность сбойки регламентируется техническими инструкциями и

зависит от назначения выработки. Примером высокоточного

выполнения сбойки может служить соединение рудников «Скалистый»

и «Комсомольский» в 2019 году, где при длине сбойки более 2 км

отклонение по высоте составило всего 3 см.

6.

Мониторинг сдвижения горных пород. Наблюдение за

деформациями земной поверхности и горных выработок под влиянием

горных работ, обоснование мер охраны сооружений от вредного

воздействия подработки.

7.

Подсчёт объёмов и запасов. Определение объёмов выполненных

горных работ и подсчёт запасов полезных ископаемых на основе

геометризации месторождений.

Методы подземных геодезических работ

Построение опорных сетей

Маркшейдерская опорная сеть служит геометрической основой для всех

видов съёмок. На земной поверхности координаты пунктов сети определяют

геодезическими методами: триангуляцией, полигонометрией, трилатерацией;

высоты — геометрическим и геодезическим нивелированием. Координаты

пунктов подземной опорной сети определяют проложением в горных

выработках полигонометрических или теодолитных ходов, а высоты —

геометрическим и тригонометрическим нивелированием.

Подземная опорная сеть строится и развивается по всему шахтному полю.

Наиболее широко используется построение сетей полигонометрическими

ходами, разделёнными на секции. В каждой секции одну из сторон

ориентируют гироскопическим способом, определяя дирекционный угол с

помощью гирокомпаса.

Соединительная съёмка и ориентирование

Соединительная съёмка проводится с целью составления планов земной

поверхности и подземных выработок в единой системе координат. Она

включает три основных компонента:

1.

Ориентирование — определение дирекционных углов сторон

подземной опорной сети относительно геодезической сети на

поверхности.

2.

Центрирование — определение координат пунктов подземной сети в

системе, принятой на поверхности.

3.

Передача высотных отметок с земной поверхности на горизонты

горных работ.

Ориентирование выполняют двумя основными способами —

гироскопическим и геометрическим (с помощью шахтных отвесов). При

гироскопическом ориентировании на одном из пунктов геодезической сети

на поверхности определяют гироскопический азимут и вычисляют поправку

гирокомпаса. Затем гирокомпас устанавливают в шахте на ориентируемой

стороне, определяют гироскопический азимут и, учитывая поправку, а также

разность сближения меридианов, вычисляют дирекционный угол подземной

стороны.

Геометрический способ ориентирования шахтными отвесами заключается в

создании условной вертикальной плоскости между поверхностью и

ориентируемым горизонтом. Дирекционный угол этой плоскости определяют

на поверхности и в шахте, а примыкание к плоскости отвесов осуществляется

построением геометрических фигур, вершинами которых служат проекции

отвесов и примыкающие к ним пункты сетей.

Центрирование сети осуществляется проектированием точки с земной

поверхности в шахту одним отвесом. Координаты отвеса на поверхности

определяют съёмкой, а в шахте их используют как исходные данные для

вычисления подземных полигонов.

Подземные съёмки

Основным методом подземных съёмок является полигонометрия —

проложение теодолитных (полигонометрических) ходов по горным

выработкам. Точность измерений регламентируется техническими

инструкциями и обеспечивается соответствующей методикой угловых и

линейных измерений, а также количеством ориентируемых сторон.

Приборное обеспечение

Приборный парк подземной геодезии включает широкий спектр

оборудования:

•

Гирокомпасы — применяются для автономного определения

дирекционных углов в подземных выработках. Современные

маркшейдерские гирокомпасы обеспечивают точность ориентирования

до 5-10 угловых секунд.

•

Электронные тахеометры — универсальные приборы для измерения

углов и расстояний с автоматической регистрацией данных.

•

Лазерные сканеры — ключевой инструмент для оперативной съёмки

горных выработок, позволяющий формировать трёхмерные «облака

точек» и создавать цифровые модели подземного пространства.

•

Цифровые нивелиры — для высокоточного определения

превышений.

•

Спутниковое геодезическое оборудование (GNSS) — применяется

для создания опорных сетей на земной поверхности.

•

Приборы поиска подземных коммуникаций — используются при

инженерно-геодезических изысканиях для обнаружения кабелей,

трубопроводов и иных подземных объектов.

Нормативное обеспечение

Производство подземных геодезических работ регулируется системой

нормативных документов, включающей:

•

Техническую инструкцию по производству маркшейдерских

работ — основной документ, устанавливающий требования к точности

измерений и методике их выполнения.

•

СП 126.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 3.01.03-84)

«Геодезические работы в строительстве» — распространяется на

производство геодезических работ, контроль точности геометрических

параметров конструкций, мониторинг смещаемости и

деформативности.

•

СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для

строительства» — устанавливает правила выполнения съёмки

подземных коммуникаций при инженерно-геодезических изысканиях.

•

ГОСТ 22268-76 «Геодезия. Термины и определения».

Современные технологии и направления развития

Современный этап развития подземной геодезии характеризуется активным

внедрением цифровых технологий. Ключевыми направлениями

модернизации выступают:

1.

Лазерное сканирование подземных выработок. Данный метод

позволяет получать детальные трёхмерные модели горных выработок с

высокой плотностью точек, что значительно повышает

информативность маркшейдерской документации и оперативность

контроля параметров выработок.

2.

Автоматизация гироскопического

ориентирования. Совершенствование конструкций гирокомпасов и

алгоритмов обработки данных сокращает время ориентирования при

сохранении высокой точности.

3.

Создание глубокошахтных аппаратов для обследования

вертикальных выработок.Разработанный в ИРНИТУ аппарат

«СканДинАвиа» представляет собой систему на основе лебедки с

видеокамерой и лазерным сканером, обеспечивающую стабилизацию

прибора в условиях сильной вентиляции и большой глубины. Он

позволяет обследовать вертикальные стволы, не имеющие подъёмных

комплексов.

4.

Интеграция с ГИС-технологиями. Формирование единых

геоинформационных систем горных предприятий, объединяющих

данные подземной съёмки, геологические модели и проектные

решения.

5.

Применение беспилотных технологий. Использование дронов для

съёмки карьеров и открытых горных выработок с последующей

интеграцией данных с результатами подземных измерений.

Заключение

Подземная геодезия представляет собой динамично развивающуюся научно-

техническую дисциплину, обеспечивающую пространственно-

геометрическую основу безопасного и эффективного ведения горных работ.

Её методический арсенал включает построение опорных сетей,

соединительную съёмку, гироскопическое и геометрическое ориентирование,

подземную полигонометрию и нивелирование.

Современные технологические тренды — лазерное сканирование,

автоматизированные измерительные комплексы, цифровая обработка данных

— открывают новые возможности для повышения точности и оперативности

подземных геодезических измерений. Дальнейшее развитие дисциплины

связано с углублением интеграции подземной геодезии с

геоинформационными системами и технологиями автоматизированного

управления горным производством.

Литература

1.

Маркшейдерское дело / под ред. Д.Н. Оглоблина. — М.: Недра, 1981.

2.

Глейзер В.И. История развития отечественной маркшейдерской

гироскопии // Маркшейдерский вестник. — 2018. — № 2. — С. 26-31.

3.

Методические указания по построению и обработке подземных

маркшейдерских опорных сетей.— Л.: ВНИМИ, 1975.

4.

Попов В.Н., Чекалин С.И. Геодезия и маркшейдерия. — М.: Горная

книга, 2007.

5.

Техническая инструкция по производству маркшейдерских работ. —

М.: Недра, 1986.

6.

СП 126.13330.2017 «Геодезические работы в строительстве».

7.

*СП 11-104-97* «Инженерно-геодезические изыскания для

строительства».

8.

Уваров А.И., Пархоменко Н.А., Пронина Л.А. Инженерно-геодезические

изыскания: учебное пособие. — Омск: Омский ГАУ, 2023. — 99 с.