Использование инновационных маркшейдерских приборов при строительстве и эксплуатации подземных сооружений

Решение большинства задач, возникающих при горном производстве, невозможно без проведения комплекса маркшейдерских работ. В свою очередь, залогом качественного и эффективного маркшейдерского обеспечения является использование маркшейдерских приборов, обеспечивающих необходимый уровень точности и оперативности представления результатов измерений.

К сожалению, со времен распада СССР в русскоязычных научно-технических изданиях приводятся только отрывочные сведения (и то в виде рекламы) о состоянии мирового парка маркшейдерского оборудования, что отрицательно сказывается на развитии маркшейдерского обеспечения горных работ, особенно в провинции. Не имея необходимой информации, исполнители маркшейдерских работ зачастую даже не подозревают, насколько увеличились возможности современных маркшейдерских приборов, и, следовательно, не способны реально помочь в решении многих задач современного горного производства, сложность которых из года в год возрастает.

В настоящей работе приведен краткий обзор практически всех приборов, предлагаемых сегодня для производства маркшейдерских работ, с целью сопоставления их возможностей с требованиями решаемых в современном горном производстве задач, связанных с необходимостью выполнения маркшейдерских измерений. В статье сознательно не приводятся данные о GPS, которые представляют собой класс приборов геодезического позиционирования, а не маркшейдерских измерений в их классическом представлении. Для ознакомления с приборами GPS рекомендуем обратиться к книге М. А. Журавкова «Геомеханический мониторинг горных массивов». Также в статье не приводятся описания и технические характеристики приборов, выпускаемых на бывших советских заводах в Екатеринбурге и Изюме, которые можно найти в любом учебнике по маркшейдерскому делу или инженерной геодезии, начиная с 80-х годов прошлого века.

Краткий обзор современного маркшейдерского приборостроения. За последнее десятилетие маркшейдерское приборостроение существенно изменилось. Основными признаками этого можно считать следующие факты:

• · значительно возросла доля приборов, способных выполнять точные и высоко точные измерения;
• · подавляющее большинство маркшейдерских приборов стало оснащаться различными электронными модулями, способными на порядок повысить производительность не только полевых, но и камеральных работ;
• · практически исчезло с рынка оборудование, предназначенное специально для выполнения маркшейдерских измерений в подземных горных выработках, что можно расценивать как одно из проявлений кризиса в подземной горнодобывающей отрасли в целом;
• · перестали существовать знаменитые маркшейдерские «брэнды» XX века, такие АКБ «Карл Цейсе» или «Вильд».

Эпоха глобализации привела к тому, что на мировом рынке осталось практически только 4 производителя маркшейдерских приборов, ассортимент и цена продукции которых очень схожа. Ими являются транснациональные корпорации «Leica», «Topcon», «Trimble» и «Sokkia».

Компания «Leica Geosystems AG» (www.leica-geosystems.com) возникла в результате объединения трех предприятий маркшейдерского и геодезического приборостроения — фирм «Kern», «Wild» и «Magnavox». Сегодня компания, штаб-квартира которой расположена в городе Хеербруг, Швейцария, имеет ежегодный товарооборот в размере около 450 млн. USD. На заводах «Leica» работают более 2900 человек, а представительства компании расположены в 128 странах мира, в том числе и в нашей стране (прим.ред.:автор имеет в виду Республику Беларусь). Забегая вперед, необходимо отметить, что «Leica Geosystems AG» пока единственный из основных мировых производителей маркшейдерского оборудования, имеющий официального представителя в Республике Беларусь, каковым является Республиканский научно-технический центр «Экомир». Еще одним существенным фактом является то, что в государственный реестр средств измерений РБ из современного маркшейдерского оборудования включены только приборы «Leica Geosystems AG».

Другой всемирно известный производитель оптического оборудования компания «Торсоn Corporation"(www.topcon.com), штаб-квартира которой расположена в Токио, была основана в 1932 году. В настоящее время, филиалы этой корпорации рассредоточены по многим странам мира, в основном в США.

В Токио расположена штаб-квартира еще одной компании, производящей маркшейдерские приборы — «Sokkia Co., Ltd.» (www.sokkia.com), образованной в результате слияния в 1990;х годах американской Lietz Company и японской Sokkisha Co., Ltd. Сегодня в компании работают в разных странах более чем 1500 человек, в том числе около 130 — в Европе.

Наконец, самая молодая из мировых лидеров маркшейдерского приборостроения — «Trimble Navigation Limited"(www.trimble.com), была основана в 1978 году в Калифорнии, США, как компания по производству систем глобального позиционирования — GPS. В июле 2000 года Trimble приобрел группу европейских предприятий Spectra Precision, куда в свое время вошли всемирно известные марки «Geodimetr» и «Zeiss». Сегодня на заводах Trimble трудятся более 2000 человек в 20 странах мира.

Электронные тахеометры (тотальные станции). Электронные тахеометры или тотальные станции (Total station) — электронно-оптические приборы, предназначенные для измерений углов между линиями (направлениями) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также длин линий. Областями их применения являются маркшейдерское обеспечение открытых и подземных горных работ и тоннелестроения, геодезические, тахеометрические и топографические съемки, геодезическое обеспечение строительства.

В настоящее время фирмы-производители предлагают потребителю около 75 моделей электронных тахеометров. В целях достижения максимальной эффективности продаж приборы позиционируются на рынке в виде серий. В состав каждой серии, как правило, входит от 2 до 4 моделей (не считая их возможных модификаций).

Главным различием моделей одной серии является точность угловых измерений, которая в зависимости от назначения серии может принимать значения от 0,5 до 10 секунд. Самыми высокоточными приборами (ошибка измерения угла не более 0,5 секунд), которые предназначены для наблюдений за деформациями инженерных и промышленных сооружений, являются тахеометры Leica (модели ТС2003, ТСА2003, TDM5005 и TDA5005). маркшейдерское приборостроение горный тахеометр Высокую точность угловых измерений обеспечивает применение высококачественной оптики. Увеличение зрительной трубы составляет от 26 до 32 крат, минимальное расстояние визирования зависит от производителя и составляет: для приборов Leica — 1,7 м, для приборов Trimble — 1,5 м, для приборов Topcon — 1,3 м, для приборов Sokkia- 1,0 м.

Значения угловых измерений (как горизонтального, так и вертикального угла) при работе с тотальными станциями выводятся на экран дисплея прибора в непрерывном режиме с дискретностью долей секунд. Причем все современные модели имеют возможность выбора отображения результатов измерений практически во всех применяемых сегодня единицах: градусы-минуты-секунды, грады (gon), градусы и доли градусов, тысячные (mil). Стандартными функциями любого электронного тахеометра является возможность обнуления отсчета по горизонтальному кругу после наведения на цель (заднюю точку), а также выбор направления измерения горизонтальных углов (левый или правый).

Для обеспечения необходимой точности измерений электронные тахеометры снабжены жидкостными компенсаторами вертикального круга. В большинстве моделей они двухосевые. Величина компенсируемых наклонов зависит от производителя и колеблется от 3 минут (Sokkia и Topcon) до 6 минут (Trimble 5600). Точность компенсации не превышает 2 секунд.

Для измерения длин линий в электронных тахеометрах стандартно используется невидимый инфракрасный лазерный луч, который выходит из объектива зрительной трубы. Дальность измерения длины зависит от используемого отражателя, которым может служить как стеклянная призма, так и специальная пластиковая отражающая пластина или пленка. Как правило, дальность измерения в инфракрасном диапазоне не превышает 3500 метров для стеклянных призм и 250 метров для пластикового отражателя.

Важным функциональным признаком последних моделей современных тотальных станций является возможность измерения расстояний от естественных поверхностей без применения отражателей (режим DR — Direct Reflex). В этом случае в дополнение к инфракрасному лазеру встроенный в электронный тахеометр дальномерный модуль имеет красный лазер видимого диапазона, луч которого также выходит из объектива зрительной трубы. Это направление развития геодезического и маркшейдерского приборостроения возникло сравнительно недавно и сразу стало популярным по нескольким причинам.

Во-первых, возможности дальномерной системы DR идеально подходят для тех работ, где устанавливать отражатель невозможно, неудобно или опасно.

Во-вторых, дальность измерения расстояний, как на стеклянную призму, так и с использованием других видов отражателей, в режиме DR до двух раз больше. Однако при этом стоит отметить, что в этом случае дальность измерений гораздо более существенно зависит от условий видимости.

В третьих, применение режима DR позволяет использовать видимый луч лазера в качестве ориентира задаваемого направления, что особенно важно при работе в подземных горных выработках.

Что касается дальности измерений без применения отражателей, главным фактором, влияющим на нее, является физическая структура и цвет отражающей поверхности. Наименьшая дальность присуща темным неровным поверхностям. Максимальную дальность измерения от таких поверхностей (до 200 метров) сегодня имеют тахеометры серии Trimble 5600. Дальность измерений других моделей, оснащенных режимом DR, не превышает 80−100 метров.

В отличие от точности угловых измерений точность измерений длины не представляется значимым критерием оценки технических характеристик современного оборудования. Подавляющее большинство моделей имеет постоянную составляющую ошибки измерения длины при использовании стеклянной призмы в пределах 2−3 мм и переменную составляющую в пределах 2−4 мм на 1 км измеряемого расстояния, что не позволяет провести какое-либо существенное разграничение между ними по этому признаку. Исключения составляют уже упоминавшиеся высокоточные тахеометры Leica, у которых точность измерения длины повышена до 1 мм + 1ppm, а также некоторые из моделей тахеометров с ошибкой измерения угла 9−10 секунд, имеющих погрешность измерения длины до 5 мм + Зррm. Точность измерения длины при измерениях без отражателя в 1,5−2 раза ниже.

Одним из отличительных признаков различных серий современных электронных тахеометров являются конфигурация встроенного программного обеспечения, служащего для решения различных топографических и геодезических задач, и объема внутренней памяти.

С использованием встроенных программ функциональные возможности тотальных станций повысились. Появившаяся возможность использовать хранящиеся во внутренней памяти прибора величины при определенных условиях защищает пользователя от ошибок ввода данных. В то же время, как и многие другие компьютерные программы, встроенное программное обеспечение современных тотальных станций пока не содержит в себе алгоритма, производящего вывод средних величин и отбраковку негодных измерений, а также осуществляющего надежный контроль ручного ввода исходных данных. Кроме этого, ни одна из программ не содержит в своем описании расчетных формул или алгоритмов.

Исходя из этого, следует признать, что своего главного назначения (освобождение исполнителя от рутинных вычислений и возможность проведения их на месте производства полевых работ) использование встроенного программного обеспечения сможет достигнуть только при проведении предварительных тестовых измерений и правильно организованном контроле за исходными данными расчетов со стороны исполнителя.

Наиболее простыми и самыми распространенными программными модулями в современных тотальных станциях являются:

• · расчет координат точек полигонометрического хода или тахеометрической съемки;
• · вычисление разбивочных элементов для выноса проектов в натуру различными способами;
• · определение наклонных расстояний, горизонтальных проложений, превышений и горизонтальных углов между двумя пикетами;
• · вычисление площади участка, ограниченного отрезками, соединяющими точки, на которых выполнялись наблюдения;
• · определение координат точки установки инструмента по нескольким точкам с известными координатами.

Для работы с программным обеспечением и визуального считывания данных измерений и расчетов электронные тахеометры оборудуются клавиатурой с жидкокристаллическим дисплеем. Большинство тотальных станций оснащено клавиатурой с обеих сторон, однако отдельные модели имеют только одностороннюю клавиатуру, что может создать значительные неудобства при работе в стесненных условиях. Фирма Sokkia для некоторых своих серий (SET-10, SET-30R, SET-120) предлагает в качестве дополнительной опции внешнюю клавиатуру, используя которую можно управлять процессом измерений и производить ввод данных дистанционно. Однако наиболее интересным в этом плане следует признать съемную панель управления Geodimetr CU, используемую на тотальных станциях Trimble 3600DR и Trimble 5600.

Наряду со встроенным программным обеспечением практически все тахеометры (исключение Trimble 3306DR и Trimble TS305) обладают внутренней памятью, предназначенной для хранения исходных данных и результатов измерений. Абсолютными рекордсменами по емкости внутренней памяти являются приборы Leica серии TPS1100 и Topocon серии GTS-800- 2 MB, что соответствует около 18 000 блоков данных или более чем 30 000 твердых точек.

Очень важным представляется то, что на сегодняшний день у ряда моделей (Trimble серий 3300DR, 3300Xtreme, Topocon серий GTS-600, GTS-800, Sokkia серий 10 и 30R) используется полностью русифицированное программное обеспечение, что, несомненно, значительно облегчает процесс обучения работе с тотальной станцией.

Еще одним весьма перспективным направлением развития современных тотальных станций следует признать применение сервомоторов и, как следствие, режима автоматического наведения на цель, что позволяет в итоге при проведении съемки работать одному.

Тахеометры, оборудованные сервомоторами, автоматически устанавливаются в заданном направлении. Эта функция эффективна при выносе проектных координат на местность, выполнении многократно повторяющихся измерений и наблюдений за деформациями инженерных сооружений. Помимо того, что моторизация сама по себе увеличивает производительность выполнения измерений до 30%, она является необходимой платформой для дальнейшей автоматизации этого процесса.

В автоматических тахеометрах моторизованное управление комбинировано с автоматическим наведением на цель и слежением за ее движением. При этом, используя модуль дистанционного управления, исполнитель выполняет и контролирует процесс измерений, находясь на точке визирования.

Кроме моторизации и полной автоматизации выполнения измерений, существует еще промежуточны вариант полуавтоматической работы (так называемая технологи Autolock) при котором тахеометр отыскивает цель, автоматически наводится на нее и отслеживает ее перемещение между точками. Таким образом, исполнителю, находящемуся возле прибора, необходимо только в нужный момент нажатием клавиши зафиксировать измерение. Увеличение производительности достигается за счет того, что не требуется точного наведения и фокусировки зрительной трубы, не возникает проблем при работе в темноте (инструмент разыщет цель в любой ситуации).

Моторизованные и автоматизированные тотальные станции присутствуют в модельных рядах всех без исключения производителей маркшейдерского оборудования. Как правило, для обозначения моторизованных моделей к их цифровому индексу добавляется буква М, а для обозначения автоматизированных моделей — буква А.

Для тахеометров, не оборудованных сервоприводом, скорость и удобство наведения на визирную цель зависит от расположения наводящих винтов и их конструктивных особенностей.

В приборах Sokkia и Topocon реализована система соосных закрепительных и микрометренных винтов, расположенных с одной стороны на взаимно перпендикулярных плоскостях (винты горизонтального круга на боковой стороне, винты вертикального круга — на лицевой, со стороны объектива). Причем в более высокоточных моделях микрометренные винты являются двухскоростными.

Серии Trimble 3300 и Trimble TS300 оборудованы соосными закрепительными и микрометренными винтами с правой стороны (приборы этих серий имеют одностороннюю клавиатуру). В отличие от них, в серии Trimble 3600 применяются бесконечные винты наведения. При этом винты горизонтального и вертикального наведения расположены справа на одной оси, что представляется оптимальным в случае необходимости одновременной с наведением на цель подсветкой сетки нитей внешним источником освещения.

Однако, вследствие того, что современные тахеометры, как правило, снабжены встроенной подсветкой нитей, наиболее эргономичной можно считать систему наведения самых новых серий Leica (TPS300, TPS400, TPS700, TPS1100). В этих приборах реализована система наведения бесконечными винтами, расположенными по обе стороны. Таким образом, становится возможным наведение на визирную цель одновременно двумя руками (одной по горизонтали, второй — по высоте).

В современных тотальных станциях, в зависимости от производителя, предлагаются различные системы центрирования и горизонтирования (нивелирования) прибора. Все тахеометры Sokkia и Topocon, а также приборы серий Trimble 3300, Trimble TS300 и более ранних серий Leica (TPS1000, ТС2003) оснащены «классической» системой горизонтирования, состоящей из жидкостных круглого (точность от 6 до 10 минут) и цилиндрического (точность 20−40 секунд) уровней. В зависимости от модели, круглый уровень размещается на трегере или на алидадной части прибора.

Последние серии Leica (TPS300, TPS400, TPS700, TPS 1100) и серии Trimble3600 и Trimble5600 кроме круглого жидкостного уровня используют электронный уровень точностью от 6 до 20 секунд. Преимуществом электронного уровня является возможность более быстрого точного горизонтирования прибора без обязательного поворота алидадной части на 90 градусов. Правда при этом электронный уровень, поверяемый так же как и жидкостной, требует юстировки исключительно в специализированных сервисных центрах, что в случае его ненадежной работы крайне неудобно.

Невозможность юстировки на месте производства измерений относится и к лазерным отвесам, применяемым на ряде моделей Leica, Trimble и Topocon для центрирования над пунктом. При высоте инструмента около 1,5 м средний диаметр точки составляет 1,5−2,5 мм. Все остальные модели вместо лазерного оснащены оптическими двухили трехкратными центрирами.

Для центрирования под пунктом используется точка, нанесенная на ручке переноса прибора. Исключение составляют тахеометры Trimble 3300 и Trimble TS300, у которых вследствие отсутствия такой ручки точка центрирования нанесена на визире, прикрепленном к трубе.

Отсутствие ручки переноса прибора сделало эти тахеометры наиболее компактными. При высоте инструмента 268 мм они имеют вес 3,5 кг (с транспортировочным ящиком — 6 кг). Остальные модели тотальных станций при высоте от 316 до 405 мм весят порядка 5−8 кг.

Наибольшую защиту от пыли и влаги (IP66) имеют тотальные станции Topocon серий GTS-200, GPT-2000 и Sokkia серий SET-30R, SET-10. Эта степень защиты гарантирует качественную работу тахеометра даже под сильным ливнем.

Диапазон температур применения современных тотальных станций составляет от -20°С до +50°С. Исключение — тахеометры Trimble 3300Xtreme, нижний предел использования которых составляет -35°С.

Работу электронной системы тахеометров обеспечивает электропитание от аккумуляторной батареи блока питания напряжением 6 вольт (тотальные станции Topocon -7,2 вольт). Время работы до полной разрядки батареи у моторизированных приборов составляет от 2,5 часов (Trimble 5600) или 400 измерений (Leica TCA1800) до 6 часов (Topocon GTS-800/A). Немоторизованные модели имеют больший ресурс работы от одной батареи — до 10 часов (Topocon GTS-200). Использование режима DR существенно сокращает ресурс работы до 6 часов (исключение составляет Trimble 3600DR — 8,5 часов). Кроме этого, возможно внешнее питание при напряжении источника 11,5−14 вольт.

Исходя из описанных функциональных возможностей приборов к поверкам электронных тахеометров относятся следующие процедуры:

• · поверки уровней;
• · поверки лазерного (оптического) отвеса, а также точки центрирования под пунктом;
• · поверка положения видимого лазерного луча относительно визирной оси трубы (для приборов оснащенных режимом DR);
• · определение коллимационной ошибки;
• · поверка места нуля.

При этом современные модели тотальных станций обеспечивают автоматическую коррекцию коллимационной ошибки, места нуля, кривизны Земли, рефракцию, наклон оси вращения.

Отдельное слово необходимо сказать о возможности использования электронных тахеометров для съемки подземных горных выработок. К сожалению, приходится констатировать, что ни одна серия современных тотальных станций в полной мере не предназначена для выполнения этих работ. В первую очередь это относится к непригодности их использования в агрессивных или взрывоопасных средах. Кроме этого, при использовании электронных тахеометров в подземных условиях могут возникать претензии к их весу, габаритам, способу центрирования под точкой, минимальному расстоянию визирования.

Тем не менее, современные тотальные станции могут успешно применяться при маркшейдерском обеспечении подземных горных работ, значительно повышая его эффективность. В первую очередь это относится к таким их функциональным особенностям, как измерение расстояний в режиме DR, встроенная подсветка сетки нитей, удобство считывания результатов измерений. При этом важнейшим условием такого использования электронных тахеометров должно быть обеспечение постоянного мониторинга за состоянием рудничной атмосферы в месте производства измерений.

В настоящее время цена электронного тахеометра зависит не столько от производителя, сколько от функциональных особенностей той или иной модели. Модель тотальной станции, оснащенная стандартным программным обеспечением и характеризующаяся точностью угловых измерений 6−9 секунд стоит 6−7 тысяч USD. Увеличение точности угловых измерений на 1 секунду приводит к удорожанию модели в среднем на 5−10 процентов. Оснащение режимом DR увеличивает стоимость прибора на 700−1500 USD. Использование расширенного встроенного программного обеспечения (решение до 18 задач) влечет за собой изменение цены на величину до 2 тысяч USD. Автоматизированные модели стоят не менее чем в 1,5 раза больше, чем их обычные аналоги.

Приятным для потребителя исключением можно считать серию Trimble 3300DR. К примеру, модель 3305DR (СКО угла 5 секунд, режим DR, программное обеспечение — 12 задач) стоит около 7 тысяч USD. Сегодня это можно признать наиболее выгодным предложением соотношения цены изделия и его технических характеристик.

Теодолиты. Еще недавно самый популярный класс маркшейдерских инструментов — теодолиты, в настоящее время значительно уступает по ассортименту тотальным станциям. Причем падение интереса со стороны потребителей к этим приборам прямо пропорционально снижению стоимости электронных тахеометров. Это естественно, так как в принципе теодолит можно считать некой «усеченной» версией тахеометра, с помощью которого можно производить только угловые измерения. Однако вследствие невысокой цены современные теодолиты еще могут с успехом применяться на производстве, обеспечивая в некоторых случаях оптимальный уровень затрат на поддержание и модернизацию маркшейдерских средств измерений.

Современный «парк» теодолитов определяется количеством около 25 моделей и их модификаций. Согласно конструктивным и функциональным особенностям их целесообразно разделить на 4 группы: оптические, электронные (цифровые), лазерные (лазерно-цифровые) и моторизованные теодолиты.

Широкое внедрение электроники в средства измерений привело к тому, что на сегодняшний день количество моделей выпускаемых оптических теодолитов сократилось до одной. Этой моделью является Sokkia TM1A — высокоточный прибор с точностью угловых измерений 1 секунда. Применяемый при считывании отсчетов специальный метод «двойного проецирования» позволяет получать значения измеряемых углов с дискретностью 0,5 секунды. Теодолит оснащен компенсатором вертикального круга (точность установки 0,3 секунды) и 30-кратной зрительной трубой. Кроме этого он имеет специальную защиту от пыли и влаги. Вес ТМ1А составляет 6,1 кг, стоимость — около 10 тысяч USD.

В отличие от оптических теодолитов электронные теодолиты сегодня производят все мировые производители маркшейдерских средств измерений. Основными отличительными особенностями цифровых теодолитов являются: непрерывный автоматический режим считывания данных угловых измерений с выдачей их на панель управления, состоящей из жидкокристаллического дисплея и клавиатуры, возможность получения данных угловых измерений в любых используемых в настоящее время единицах: градусы — минуты — секунды, грады (gon), градусы и десятичные доли градуса, тысячные (mil), а также обнуление отсчетов и выбор направления измерения горизонтального угла, т. е. все то, что присуще угловым измерениям, выполняемым современными электронными тахеометрами.

Фирма Topocon предлагает серию DT-100, состоящую из трех моделей DT-101, DT-102 и DT-103 с точностью угловых измерений соответственно 2, 5 и 7 секунд. Приборы этой серии оснащены 30-кратной зрительной трубой, имеющей минимальное расстояние визирования 0,9 м, оптическим центриром и двухсторонней панелью управления. Кроме того, модели 101 и 102 имеют при вертикальном круге компенсатор с областью действия 3 минуты. Горизонтирование приборов предусмотрено по «классической» схеме: круглый уровень точностью 10 минут — цилиндрический уровень точностью 40 секунд (у модели 101 — 30 секунд). Питание предусмотрено от четырех алкалиновых батареек класса АА, время работы составляет: 12 часов для модели 101, 40 часов для модели 102 и до 50 часов для модели 103. Отличительной чертой моделей 102 и 103 является их пылеводозащита класса IP66, которая позволяет работать в проливной дождь. При высоте инструмента 313 мм его вес составляет 4,1−4,3 кг. Стоимость модели DT-103 составляет около 3 тыс. USD, модели DT-102 — около 3,5 тыс. USD, модели DT-101 — 4,5 тыс.USD.

В отличие от Topocon фирма Sokkia позиционирует на рынке 2 серии цифровых теодолитов: DT500/600 и DT2/4. Точность угловых измерений составляет: для модели DT600 — 7 секунд, для моделей DT500 и DT4 — 5 секунд, для модели DT2 — 2 секунды. Основными привлекательными чертами теодолитов Sokkia по сравнению с Topocon являются встроенная подсветка сетки нитей и оснащение серии DT2/4 двухосевым компенсатором. При наведении на цель в теодолитах Sokkia (как и у Topocon) используются традиционные для этих производителей соосные закрепительные и микрометренные винты, расположенные с одной стороны на взаимно перпендикулярных плоскостях (винты горизонтального круга на боковой стороне, винты вертикального круга — на лицевой). Зато питание у приборов Sokkia отличается от Topocon использованием заряжаемых батарей со временем работы до 13 часов (для моделей DT500A и DT600 — 23 часа). В целом теодолиты Sokkia немного выше и тяжелее Topocon (338−353 мм и более 4,7−4,8 кг). Самые простые модели (с односторонней панелью управления) DT600 и DT500A стоят от 2,5 до 3,2 тыс. USD. Модели с двухсторонней панелью управления стоят дороже: DT500 3,8 тыс. USD, модели серии DT2/4 — более 5 тыс. USD.

В теодолитах DET компании Trimble для наведения на цель используется нигде более не применяемая в настоящее время (кроме российских оптических приборов) архаичная система, представленная раздельно расположенными закрепительными и микрометренными винтами. Еще одной отличительной чертой этих приборов является система питания — шесть элементов типа АА, позволяющие работать до 50 часов. В остальном теодолиты DET-20/10 и DET-20, характеризующиеся точностью угловых измерений 7 и 10 секунд соответственно, обладают стандартным набором технических характеристик современных цифровых теодолитов: оптический центрир, круглый (10 минут) и цилиндрический (40 секунд) жидкостные уровни, минимальное расстояние визирования 1 метр. Существенным недостатком следует признать одностороннюю панель управления.

Кроме теодолитов DET Trimble предлагает еще один цифровой теодолит — Eth 50 (точность угловых измерений 6 секунд). Особенностью Eth 50 является его компактность, обусловленная отсутствием переносной ручки. В отличие от DET Eth 50 имеет встроенное программное обеспечение, обеспечивающее автоматическую коррекцию индекса вертикального круга и коллимационную ошибку.

Электронные теодолиты Leicaэто модели Т110 (точность 10 секунд), Т105 (точность 5 секунд), Т1100 (точность 3 секунды) и Т1800 (точность 1 секунда). Высокоточные Т1100 и Т1800 оснащены двухосевым компенсатором вертикального круга, двусторонней панелью управления, соосно расположенными закрепительными и двухскоростными микрометренными винтами, заряжаемой батареей со временем работы до 12 часов, внутренней памятью для хранения результатов измерений. Вес этих приборов составляет 5,6 кг для Т1100 и 5,9 кг для Т1800.

Для более поздних моделей Т110 и Т105 характерны бесконечные наводящие винты с двух сторон, лазерный отвес, электронный уровень, односторонняя клавиатура, минимальное расстояние визирования 1,6 м, двухосевой компенсатор вертикального круга, отсутствие внутренней памяти, до 12 часов работы от заряжаемой батареи, вес 3,8 кг. Необходимо отметить, что двухстороннее расположение наводящих винтов при отсутствии встроенной подсветки сетки нитей делает работу с теодолитом в шахтных условиях несколько неудобной.

Зато применение для подземных маркшейдерских съемок лазерных теодолитов значительно более оправдано. Главной отличительной функциональной особенностью этого класса приборов является их возможность испускать из объектива зрительной трубы видимый лазерный луч красного диапазона, который может быть использован в качестве ориентира задаваемого направления. К сожалению, сегодня выбор лазерных теодолитов невелик. Двумя компаниями предлагается 4 модели: Sokkia LDT50 (точность угловых измерений 5 секунд) и Topcon DT-102L, DT-103L и DT-104L (точность угловых измерений 5, 7 и 10 секунд соответственно).

LDT50 оснащен мощным лазером, с дальностью действия более чем 400 м. Минимально фокусируемое пятно лазерного луча на 10 метрах имеет размер 1 мм, на 100 -10мм, на 400 — 40 мм. Время работы со встроенной заряжаемой батареей до 5 часов, при использовании внешней батареи — 30 часов. Для работы теодолита используется 30-кратная зрительная труба со встроенной подсветкой сетки нитей, двухосевой 3-минутный компенсатор вертикального круга, двухсторонняя панель управления, оптический отвес. LDT50 имеет внушительные для теодолита размеры: высота 353 мм и вес 5,7 кг (в снаряженном состоянии с транспортировочным ящиком — более 10 кг).

Лазерные теодолиты Topcon являются по существу лазерными аналогами цифровой серии DT-100. Применяемый лазер виден при дневном свете на 50 метров, при этом размер пятна не превышает 2 мм. Питания от 4 элементов АА хватает на 16−20 часов работы в режиме включенного лазера (в зависимости от модели).

Стоимость LDT50 составляет более 7,5 тыс. USD, DT-102L- 4,4 тыс. USD, DT-104L-3,6 тыс. USD.

Основной функциональной особенностью моторизованных теодолитов является их автоматическая наводка на заданное направление, для чего они оснащены сервомоторами со скоростью вращения до 45 градусов в секунду. Приборы этого класса имеет в своем ассортименте только компания Leica. При этом теодолиты Leica TM1100 и Leica TM1800 являются моторизованными аналогами электронных теодолитов Т1100 и Т1800, о которых было сказано выше. Необходимо заметить, что моторизация заметно уменьшила время работы от одной подзарядки встроенной батареи до 8 часов.

Серия моторизованных теодолитов Leica TM5000 является по существу уникальной. Это единственные теодолиты в мире с точностью измерения углов до 0,5 секунды, для чего они оснащены 32-кратной зрительной трубой и компенсатором с точностью установки менее 0,3 секунды. Здесь же впервые в теодолитах оба наводящих микрометренных винта и кнопки для регистрации измерений вынесены на трегер, т. е. не имеют связи с подвижной алидадной частью прибора. Это позволяет исполнителю выполнять измерения, ни в малейшей степени не сбивая наведения на цель. Вес теодолита ТМ5005 составляет 6,8 кг.

Нивелиры. Все нивелиры — приборы, предназначенные исключительно для передачи горизонтальной плоскости в точки выполнения измерений, — сегодня согласно конструктивным особенностям целесообразно разделять на 3 группы: оптические, цифровые и лазерные.

Оптические нивелиры, по всей видимости, самые простые маркшейдерские средства измерений, знакомы, пожалуй, каждому, кто когда-нибудь был связан с решением задачи по передаче высотных отметок при строительстве, геодезических или маркшейдерских съемках. Оптические нивелиры снабжены компенсатором угла наклона зрительной трубы, диапазон работы которого в зависимости от модели составляет от 10 до 15 минут при точности установки (компенсации) 0,3−0,5 секунды. Исключением являются нивелиры Leica NA2 и NAK2, оснащенные компенсаторами с диапазоном работы до 30 минут, и сверхточный нивелир Sokkia PL1 — единственный прибор без компенсатора.

Главным фактором, обеспечивающим необходимую точность измерений, можно считать увеличение зрительной трубы. Современные нивелиры оснащаются оптикой с увеличением от 20 до 32 крат, что обеспечивает точность нивелирования от 2,5 до 0,4 мм (Topcon AT-G1 и Topcon AT-G2) на 1 км двойного хода. При этом точность 1 мм и выше достигается за счет использования оптического микрометра. Для достижения беспрецедентной точности 0,2 мм на 1 км двойного нивелирного хода, уже упоминавшийся PL1, оснащен зрительной трубой с увеличением 42 крат.

Оптические нивелиры можно считать приборами, обладающими минимальным фокусным расстоянием. «Рекордсменами» в этом вопросе следует считать нивелиры серий Sokkia C300 и Sokkia B20, минимальное расстояние визирования которых всего 0,3 м.

Для наведения на цель в оптических нивелирах используются двусторонние бесконечные винты. Наиболее высокоточные приборы оснащены двухскоростной фокусировкой.

Вес оптических нивелиров обычно не превышает 2,5 кг (PL1 — 4,8 кг), а у модели Sokkia C410 — всего 1 кг (при уровне точности 2,0 мм)! Что касается их стоимости, то здесь более существенный диапазон: от 200 до 2000 тыс. USD. Исключение — все тот же PL1 — около 7 тыс. USD.

Цифровые нивелиры — геодезические приборы, позволяющие выполнять те же работы, что и обычные оптические нивелиры. Отличительной их особенностью является наличие электронного устройства с высокой точностью снимающего отсчеты по специальной штрих-кодовой инварной или фиберглассовой рейке. Оператору достаточно навести прибор на рейку, сфокусировать изображение и нажать на кнопку. Прибор выполнит измерение, отобразит на экране значения отсчета по рейке, а также расстояние до нее. Это позволяет повысить производительность труда до 50%.

Всего в настоящее время на рынке позиционируется 9 моделей цифровых нивелиров с точностью измерений до 0,3 мм (Leica DNA03, Trimble DiNil2/12T) на 1 км двойного хода. При этом дискретность получения отсчетов составляет (по выбору) 0,1 или 0,01 мм. Точность измерения длины не превышает 5 см на 100 метров (0,05%), использование электронного горизонтального круга позволяет производить угловые измерения отдельными моделями с точностью до 6 секунд. Самым большим объемом встроенной электронной памяти обладают нивелиры Topcon DL101C и DL102Cдо 8000 точек.

Для цифрового нивелира, как и для любого другого электронного прибора, важной характеристикой является время работы в полевых условиях. В этом компоненте наибольших успехов добилась компания Trimble: ее нивелиры DiNi12 и D1N112T могут работать на одной подзарядке до 3 дней, а нивелир DiNi22 — до 1 недели! Цифровые нивелиры Topocon могут работать как от заряжаемых батарей, так и от стандартных элементов питания типа АА (до 6 штук) от 10 до 20 часов. Стоимость цифровых нивелиров — от 2 до 4 тыс. USD.

Лазерные нивелиры конструктивно представляют собой источник лазерного излучения, соединенный с двигателем. Вращением лазерного луча задается лазерная плоскость — горизонтальная или вертикальная, если нивелир имеет возможность вертикальной установки. Фиксирование плоскости осуществляется или визуально (на стене, потолке и т. д.), или с помощью датчика лазерного излучения (в зависимости от модели и производителя, датчик крепится на рейку, на вешку или на дорожную технику). Использование датчика позволяет более точно, чем визуально, зафиксировать лазерную плоскость в случае ее плохой видимости. Для горизонтирования лазерного нивелира, используются жидкостные или светодиодные уровни. Многие модели имеют компенсатор для самоустановки инструмента в горизонтальную плоскость. Такие нивелиры называют автоматическими.

Компенсатор бывает механический или электронный. Диапазон работы электронного компенсатора достигает 5 градусов (достаточно «на глаз» расположить нивелир горизонтально), а механического — до нескольких минут. Существуют модели с дистанционным управлением, переменной скоростью вращения, сканированием заданного сектора, дополнительными лазерными лучами (зенитными, надирными) и модели с заданием числового значения наклона плоскости. По основному назначению они подразделяют на лазерные нивелиры для работ вне помещений (в таком случае источник лазерного излучения, как правило, невидимого спектра) и для работ внутри помещений (как правило, видимого спектра).

Основными техническими характеристиками лазерных нивелиров следует считать радиус действия и точность приведения к горизонту. Наибольший радиус действия сегодня имеет модель Leica Rugby- 100LR — до 375 метров. Наивысшую точность (3,8 мм на 100 м) — Topocon RL-H3A.

По своим эргономическим характеристикам лазерные нивелиры являются небольшими компактными приборами (вес до 4 кг), способными работать как от заряжаемых батарей (время работы Leica LB-10 — 70 часов), так и от стандартных алкалиновых элементов типа АА (время работы Topocon RL-H3A — до 120 часов). Стоимость лазерных нивелиров не превышает 1,5 тыс. USD.

Другие виды маркшейдерских приборов. Кроме основных, уже перечисленных, маркшейдерских и геодезических приборов, современная промышленность предлагает потребителю еще несколько видов измерительного оборудования, которые с успехом могут применяться для производства маркшейдерских съемок, как на дневной поверхности, так и в подземных горных выработках.

К примеру, использование наземных лазерных сканеров позволяет не только максимально повысить производительность труда при маркшейдерских съемках, но и получать данные о пространственном положении объектов в виде трехмерной компьютерной модели практически без промежуточной стадии обработки измеренных величин. Современные сканеры (Cyrax 2500, Callidus) обладают высокой точностью позиционирования объектов съемки (до 6 мм) при значительном радиусе действия (до 50 м). Электропитание сканера осуществляется либо от сети переменного тока, либо от двух заряжаемых батарей напряжением 12 вольт (время работы до 8 часов). Вес прибора составляет около 20 кг. Важным замечанием являются системные требования, предъявляемые к персональному компьютеру, на котором предполагается обработка данных: процессор Pentium 1 GHz, RAM 256 MB, HD 40 GB, видеокарта с 3D акселератором, режим работы монитора 1024×768 true color, операционная система не ниже Windows NT 4.0.

Весьма полезными для выполнения маркшейдерских работ являются приборы вертикального проектирования, областью применения которых могут быть вертикальные горные выработки и высотные инженерные сооружения (например, надшахтное здание с копром). Одним из лучших оптических приборов вертикального проектирования может быть назван FG-L100 (известный под торговой маркой PZL100) производства фирмы FPM Holding GmbH (Германия), допускающий среднее отклонение отвеса ±1 мм на 100 метров. Такую точность проектирования обеспечивает компенсатор с диапазоном работы 10 минут и зрительная труба с увеличением 31,5 крат. Точность центрирования прибора составляет 0,2 мм, а вес — 3,7 кг. Стоимость PZL100 чуть больше 2 тыс. USD.

Более популярными считаются лазерные приборы вертикального проектирования. В отличие от оптических приборов они выдают четко видимый лазерный луч, служащий отвесом. Некоторые модели имеют функцию автоматического отключения при наклоне, превышающем пределы компенсации. Точность отвесного проектирования лазерного пятна диаметром 5−7 мм достигает 5 секунд при дальности до 100 м. Вес прибора составляет до 3 кг, стоимость — до 3,5 тыс. USD.

Широкое применение тотальных станций привело к практическому исчезновению с рынка стационарных дальномерных приставок, работающих в комплекте с теодолитами. В то же время, развитие безотражательных способов измерений привело к возникновению ручных лазерных рулеток, позволяющих в одиночку измерять расстояния между объектами, используя видимый лазерный луч. Лидерами в этой области следует признать компании Leica и Bosch.

Leica предлагает потребителю семейство электронных рулеток Disto, измеряющих с точность до 3 мм расстояния от 0,3 до 100 метров. Disto имеют встроенные функции по вычислению площади, объема, диагонали, перпендикуляра, а модель Pro4, кроме этого, — встроенную память на 8000 измерений и возможность связи с компьютером. Дополнительно в комплект к Disto может входить специальный адаптер для крепления на теодолит ЗТ-5КП. Стоимость Disto в зависимости от модели составляет от 500 до 1000 USD.

Однако самой привлекательной моделью стоит считать Bosch DLE150 с возможностью измерения расстояний до 150 м. На сегодняшний день это самое большое расстояние, измеряемое лазерным дальномером в режиме DR. Точность измерения 2 мм. Прибор вычисляет площадь, объем, недоступное расстояние, имеет функции минимума и максимума и встроенную память на 20 измерений. В комплект входит цилиндрический уровень и насадки для измерений из углов. Стоимость DLE150 около 600 USD.

Для случаев, где не требуется слишком высокая точность, можно применять ручные ультразвуковые дальномеры, использующие ультразвуковой принцип измерения линий (производство Sokkia и Bosch). Диапазон измерений такого прибора составляет от 0,6 до 25 метров, точность измерения — 5 мм на 1 м. Принимая во внимание невысокую стоимость ультразвуковых дальномеров (до 75 USD) и их компактность можно считать перспективным их применение для определения геометрических параметров горных выработок и других подобных измерений.

Рис. 1 Тахеометр Leica TM-30 1 Тахеометр Sokkia SET 650RX

Рис. 2 Нивелир Topcon AT-G3