1. előadás: A hasznosítható ásványanyagok felderítése, kutatása és feltárása

Átírás

1 1. előadás: A hasznosítható ásványanyagok felderítése, kutatása és feltárása 1. előadás: A hasznosítható ásványanyagok felderítése, kutatása és feltárása A hasznosítható ásványok kitermelése kétféle módon történik: mély és külszíni műveléssel. Ha a hasznosítható ásványok viszonylag mélyebben helyezkednek el, aknákat mélyítünk, ritkábban közel szintes folyosókkal hatolunk a föld mélyébe, hogy az ásványkincsekhez hozzáférhessünk. Ha az ásvány-előfordulást takaró réteg viszonylag nem vastag, vagy egyáltalán nincs, a kitermelés külszíni műveléssel folyik, az ásványkincset a takaróréteg eltávolításával tesszük hozzáférhetővé. Az aknatelepítést megelőzi az ásványkincsek felderítése, felkutatása. Felderítéskor kijelölik azokat a területeket, ahol bizonyos hasznosítható ásványok előfordulása lehetséges. A kutatás feladata már szélesebb körű. Bizonyos fokig tisztázza a hasznosítható ásványok térbeli helyzetét, mennyiségét, minőségét, az ásvány előfordulásának, valamint a kísérő kőzeteknek fizikai, mechanikai és kémiai tulajdonságait. Alapot ad az ásványelőfordulás felnyitásának, feltárásának, lefejtésének, dúsításának, nemesítésének megtervezésére. Megközelítően feletet ad arra, hogy a leművelést milyen körülmények kísérik. Feltárja az ásvány-előfordulás alatti fekükőzeteket, a takaró fedőkőzetek szilárdsági viszonyait, víztartalmát. Ezek alapján előre lehet következtetni a bányatérségek állékonyságára a vízbetörés veszélyére. A széntelepek kémiai vizsgálata előre jelezheti a telepek gázosságát, öngyulladásra való hajlamosságát. A kutatás mélyfúrással történik. A földtani, esetleg geofizikai munkálatok által felderített területekre telepített mélyfúrásokat felderítő mélyfúrásoknak hívjuk. Ha a felderítő fúrások a földtani feltételezés által kimutatott lehetőséget valószínűsítik, igazolják, a további fúrások már az előzetes és a részletes mélyfúrások kategóriájába esnek. Az előzetes fúrások nagy lépésekben tapogatják ki az ásvány-előfordulás tér és nagyságrendbeli kiterjedését. Ezek közötti területet töltik ki a részletes mélyfúrások. A fúrólyukak térbeli helyzetének meghatározása A mélyfúrásokból csak úgy kaphatunk képet az ásvány-előfordulások alakjára és térbeli helyzetére, ha nemcsak a fúrásoknak a külszíni vízszintes-vetületi helyét és magasságát, hanem az egyes rétegválasztó pontok térbeli helyét is meghatározzuk. A fúrólyuk-tengelyek azonban a geológiai technikai, technológiai, stb. tényezőktől függően általában elhajlanak a tervezett (függőleges ferde) iránytól. Az elhajlás elhanyagolása, a fúrólyuk tengely és kérdéses rétegelválasztó pont találkozásánál, vízszintes és magassági értelemben méteres nagyságrendű hibát is okozhat. Az elhajlás mértékének ismertében a fúrólyuk és a rétegfelszín találkozási pontjai természetesen megfelelő pontossággal meghatározhatók. Nagy jelentősége van az elhajlás meghatározásának irányított (ferde) fúrásnál. A fúrási költségeket és fúrási időt lényegesen lecsökkentő, egy fúrólyukból vagy egy helyből kiinduló ún. bokros fúrás különösen az olajbányászatban terjedt el. Az utóbbi időben szintes meredekdőlésű és függőleges terepeknél alkalmazzák. A fúrótengely térbeli helyzetének meghatározásakor ismerni kell a fúrólyuk F 0 szájától kiindulva a meghatározott l i szakaszokon a fúrótengelynek a függőlegesen bezárt α i zenitszögét és a szakaszhosszak vízszintes vetületének δ i irányszögét. (1. ábra) 1-1

2 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 1. ábra Természetesen a mérésekkel meghatározott fúrólyuktengely annál jobban megközelíti a valóságos térbeli fúrólyuktengelyt, minél pontosabban mérjük az α i és δ i szögeket, az l i távolságokat és minél kisebb a görbület a mérési pontok között. Az α i, szögeket a fúrólyuk szájától 10, 20, m-ként speciális műszerekkel ún. inklinométerekkel mérik. Az irányszög meghatározásához az azimut mérése már bonyolultabb. Meghatározásuk célszerűen közvetlen úton történik. A közvetlen módszernél, béléscsövezetlen fúrólyukba mágneses műszereket, béléscső alkalmazásakor giroszkópos műszereket használnak. A műszerekben két inga van. Az egyik lengési síkja a csillagászati vagy mágneses észak irányban, a másik sík ezekre merőlegesen fekszik. A különböző módszerek és alkalmazott műszerek pontossága lényegesen eltérő. Újabban az α i zenitszögek ± 15, a δ i irányszögek pedig ± 3 º - ± 8 º pontossággal telemetrikusan határozhatók meg. A fúrólyukban az egyes rétegelválasztó pontok helyzetét a következőképpen határozzuk meg, Függőleges fúrólyuknál a kérdéses rétegelválasztó pont vízszintfelületi koordinátája a fúrólyuk külszíni koordinátájával egyezik meg, magassági adatként a fúrólyukmélységgel csökkentjük a külszíni fúrólyukszáj magassági koordinátáját. 1-2

3 1. előadás: A hasznosítható ásványanyagok felderítése, kutatása és feltárása 2. ábra Irányított ferde-fúrásnál (2. ábra) a fúrótengely α zenitszögének és a fúrólyuk l hosszának ismeretében először számítjuk az ábrabeli h és s értéket: H = l cos α, s = l sin α Ezután a külszíni F 0 pontból a fúrótengely irányszögével és az s vízszintes távolsággal a fúrólyuktengely és a kérdéses rétegelválasztó pont F találkozási helye számítással vagy szerkesztéssel meghatározható. Számításkor először a y és x értékeket határozzuk meg: y = s sin δ = l sin α sin δ, x = s cos δ = l sin α cos δ Ezek ismeretében az F pont koordinátáit a külszíni F 0 fúrólyukszáj y 0, x 0 és z 0 koordinátáinak ismeretében az Y = y0 + y, x = x 0 + x, z = z0 - h összefüggések adják. Amint mondottuk a gyakorlatban a fúrólyukak a kijelölt függőleges vagy ferde iránytól általában elhajlanak. Az elhajlás mértékének ismeretében a ferde fúrólyuk és a rétegfelszín találkozási pontjainak koordinátái szintén számítással vagy szerkesztéssel határozhatók meg. (4. ábra). Számítás esetén az F találkozási pont koordinátái az y F = y 0 + l i sin α i sin δ i x F = x 0 + l i sin α i sin δ i z F = z 0 - l i cos α i összefüggésekkel számíthatók. 1-3

4 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 3. ábra A szerkesztéskor az egyes mért szakaszok l i hossza, és a szakaszok α i zenitszöge alapján először megszerkesztjük a fúrólyuktengely profilját (3. ábra a képe). Ezután az egyes l i szakaszhosszak δ i irányszögei, valamint s i vízszintes vetületei ismeretében szerkeszthetjük meg az F rétegelválasztó pontot (3. ábra b képe). Az ásványtelepülések geometriai paraméterei és meghatározásuk fúrólyukak adatai alapján Az ásvány-előfordulások alakjának, méreteinek és térbeli elhelyezkedéseinek megállapításához szükséges paraméterek a település geometriai paraméterei. Ezek: - a telep kiterjedése (szélessége, hosszúsága), - a telep δ csapásszöge, - a telep γ T hajlásszöge, - a telep m t vastagsága (a fedő és a fekü közötti merőleges távolság), - a telep H mélysége( a külszín és a fedő függőleges távolsága). Egy telep fekü- vagy fedősíkjának valamely tetszőlegesen felvett magasságában elhelyezkedő csapásvonalán a fekü- vagy fedősík és az ugyanezen magasságban felvett vízszintes sík metszésvonalát értjük (4. ábra). A csapásvonalak tehát egy telep (réteg) feküvagy fedősíkjának különböző magasságú vízszintes alkotói. 1-4

5 1. előadás: A hasznosítható ásványanyagok felderítése, kutatása és feltárása 4. ábra A csapásvonalra merőleges telepbeni egyenes a dőlésvonal (esésvonal). A dőlésvonal a lejtés irányában a telep dőlésirányát mutatja. A dőlésvonal tehát egy térbeli egyenes, amelyet a térképen a két adat, a ß és γ T határoz meg. A ß a dőlésvonal dőlésirányba mutató vízszintes vetületének irányszöge, azaz a + x tengelynek és a dőlésvonal dőlésirányú vízszintes vetületének az óramutató járásával megegyező irányban bezárt szöge. A γ T a telep dőlésszöge, vagyis az a szög, amelyet a dőlésvonal a vízszintessel magassági értelemben zár be. A csapásvonalnak két iránya van. Az ebből származó kétértelműség megszüntetésére elfogadjuk, hogy a csapásirányt a csapásvonalának az az ága mutatja, amelybe a dőlésvonal az óramutató járásának megfelelően beforgatható. A csapásszögön ennek az iránynak a +x tengellyel bezárt szögét értjük. Az említett adatokat méréssel, szerkesztéssel és számítással határozhatjuk meg. A gyakorlatban a rendelkezésre álló adatok korlátozott pontossága miatt általában csak a szerkesztést használjuk. A település geometriai paramétereit és a meghatározásukhoz szükséges adatokat a részletes geológiai kutatások, illetve a művelés során nyerjük. A geometriai paraméterek meghatározása a fúrólyuk adatai alapján grafikusan és numerikusan történhet. Mélyfúrásokkal megkutatott telepsík geometriai paraméterei meghatározhatók számítással, vagy szerkesztéssel. Egyes feladatok megoldásakor számítással, míg nagy területen tömeges meghatározás esetén szerkesztéssel juthatnak gyorsabban eredményhez. A feladat megoldása szerkesztéssel. (5. ábra) A geodéziai meghatározás és a fúrás adataiból ismertek az A, B és C fúrólyukak x és y vízszintes vetületei, valamint (a telep fedőjére vagy feküjére) vonatkoztatott m magassági koordinátái. A vízszintes vetületi koordináták alapján a fúrólyukak térképünkön, vagy valamilyen méretarányban szerkesztett vázlaton ábrázolhatók. 1-5

6 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 5. ábra Ha a telepre vonatkozó magassági koordináták m A = -184,0 m, m B = -126,0 m és m C = -208,0 m akkor a szerkesztés további lépései a 6. ábrán követhetően a következők. A legmélyebben fekvő C és a legmagasabban fekvő B pontot összekötő egyenesen graduálással vagy arányos osztással megkeressük az A ponttal egyenlő magasságú ( a 184,0 m magasságú) A 1 pont helyét. Az A és az A 1 pontot összekötő egyenes a keresett csapásvonal egyenese. A csapásvonalra merőleges a dőlésvonal, s iránya a mélyebben fekvő pontok felé mutat. A telepsík γ-val jelölt dőlésszögeit pedig megkapjuk, ha a B ponton függőlegesen és a csapásvonalra merőlegesen felvett síkot egy vízszintes tengely körül szintén a vízszintes síkba forgatjuk, s ott megszerkesztjük a felvett sík és a telepsík metszésvonalát a következőképpen. A csapásvonalon megkeressük a B pont talpponját a D pontot, majd a D ponttól a csapásvonalon felmérjük a t 3 = m A - m B = 58 m távolságot a térképünk vagy a vázlatunk méretarányában. Az így kapott E pontot összekötve a B ponttal az EBD háromszög γ -val jelölt szöge megadja a telepsík keresett dőlésszögét. Felhasznált irodalom: - Ódor K.: Földalatti mérések. Tankönyvkiadó, Budapest, (S. 9-20) 1-6

7 2. előadás: Az ásvány-előfordulások térképezése 2. Előadás: Az ásvány-előfordulások térképezése Ha ismerjük a mélyfúrások jellemző pontjainak térbeli helyzetét, megszerkeszthetjük az ásvány-előfordulások hozzávetőleges térbeli helyzetét is. Legegyszerűbb és legszemléltetőbb eljárás az, amikor a fúrási adatok alapján elkészítjük az előfordulás modelljét. A modell azonban nem lehet alapja a további tervezéseknek, legfeljebb arra használható, hogy tájékoztatást adjon a további fúrások helyének kijelölésében. A további tervezés alapja kizárólag a területről készült szintvonalas térkép lehet, amelyen a fúrásadatok ismeretében meg kell szerkeszteni a fekü és fedő felületek szintvonalait. Külön térkép másolatot kell készíteni a fekű és külön a fedő felületekről. Ha a két felület egymással párhuzamos, azaz a hasznos ásványanyag vastagsága állandó, akkor elég csak egy szintvonalas térképen ábrázolni, akár a fekü akár a fedő síkját. A fekü és a fedősíkokat ábrázoló szintvonalas térképen ún. telepszintvonalas térképen azután meghatározhatók a hasznos ásványanyag (telep) csapás- és dőlésiránya, a dőlésszöge, a kibúvási vonalak, a vetők közelítő helye, az elvetés magassága, vagy a telep egyéb geológiai vagy geometriai adatai. Természetesen a szintvonalas térkép sem adhat tökéletes képet az ásványelőfordulások térbeli helyzetéről, mivel a fúrtlyukak nem minden esetben elég sűrűek, annak megállapítására, hogy a normálistól eltérő telepzavargást vető-, illetőleg csapás, vagy dőlésváltozás idézi-e elő. Ezért a szintvonalas térképet célszerű a fúrásokkal párhuzamosan, folyamatosan készíteni, mert a már elkészült térképrészletek alapján a részletes mélyfúrások helye célszerűbben kijelölhető. A fedő, ill. fekü szintvonalainak magasságkülönbségét úgy kell megválasztani, hogy a térkép áttekinthető legyen, vagyis a szintvonalak térképi távolsága (t) 1-2 cm körüli érték legyen. Ez azt jelenti, hogy a szintvonalközök értéke e függvénye a használatos térkép méretarányának és az ábrázolandó telep dőlésszögének (γ-nak ), vagyis e = M t tg γ ahol M jelenti a használatos térkép méretarányának a nevezőjét ( a méretarányszámot). Pl. ha felvesszük, hogy t = 0,01 m, M = 1000 m és γ = 25 o akkor e = ,01 0,466 = 4,7 m Természetesen a szintvonalközöket csak egész számokban vesszük fel, s így a példa esetében 5 m-re kerekítünk. A gyakorlatban a szintvonalközöket általában 1, 2, 5, 10, 25 ill. 50 m értékben határozzák meg. Az ásványvagyon mennyiségének a meghatározása részben a mélyfúrások, részben pedig a már nyitott bányatérségekben (aknák, vágatok, stb.) mért adatok alapján (vastagság, kiterjedés, sűrűség) határozható meg. Az ásványvagyon meghatározásának a pontossága végeredményben a kivételes esetektől eltekintve a telepeket harántoló, bennük haladó bányaterek és a fúrtlyukak számától függ. Minél nagyobb ezeknek a száma, annál megbízhatóbb a meghatározás 2-1

8 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz A kőzetek fizikai, mechanikai, kémiai tulajdonságait a műszaki kőzetjellemzőket a föld belsejéből (mélyfúrások, nyitó bányaterek anyagából) vett kőzetmintákból lehet megállapítani. Bányatérségek rendszerének kialakítása Ha a felderítés és kutatás alapján nyert adatokból megállapítható, hogy az előfordulás műrevaló, az ásványkincs felhasználás gazdaságilag szükséges, a kitermelés kezdetét veheti. A rendelkezésre álló adatok alapján elsősorban azt kell eldönteni, hogy az ásványkincs kitermelése külszíni vagy mélyműveléssel történik-e? Külszíni műveléshez az ásványkincset takaró fedőkőzetet eltávolítjuk, hogy az így hozzáférhetővé vált ásványkincseket kitermelhessük. Mélyműveléshez az ásványkincset az adottságok szerint úgy tesszük hozzáférhetővé, hogy a takaróréteget aknákkal vagy közel szintes folyosókkal harántoljuk, egészen a hasznosítható ásványtelepülésig. A két lehetőség közül azt választjuk, amelyik gazdaságosabb termelést biztosít. Külszíni művelésre rendszerint a külszínhez közel eső ásványkincsek jönnek számításba. Telepítésének lehetősége függ a takaróréteg vastagságától, a benne foglalt rétegek szilárdságától, az ásványkincs mennyiségétől, vastagságától, fajlagos értékétől. Általában és durván a külszíni művelés lehetőségét az ásványkincs kitermelhető mennyiségének és az eltávolítandó, megmozgatandó fedőkőzetek mennyiségének arányával szoktuk jellemezni. Szabályos, közel síkokkal határolt települések esetében az ásványkincs és a takaróréteg vastagságának arányát szokás jellemző értéknek tekinteni. Ez a viszonyszám azonban csak egy meghatározott jellegű településre lehet jellemző, mert mint láttuk, a külszíni művelés gazdaságossága más egyéb tényezőktől is függ. A külszíni művelés telepítésének kérdéseivel a továbbiakban nem foglalkozunk. Azokat a bányatérségeket, amelyek az ásványtelepülés és a külszín között az összeköttetést megteremtik felnyitó vagy főfeltáró bányatérségeknek nevezzük. Ide soroljuk az aknákat, tárókat és a főkeresztvágatokat. Ahhoz, hogy a földalatti ásványkincset hozzáférhetővé és üzemszerű kitermelését lehetővé tegyük, az ásványtelepülés és a külszín között két összeköttetést kell létesíteni. Az egyiken történik az ásványkincs kiszállítása, a másik pedig azért szükséges, mert a földalatti bányatérségeket a külszínről folyamatosan levegővel kell ellátni. Az egyik összeköttetésen jut be a levegő, végigjárja a bányatérségeket, és a másikon távozik. Az ásványkincset és a külszínt összekötő, földbe mélyített térségek lehetnek aknák, folyosók. A külszínt és az ásványtelepülést összekötő függőleges bányatérséget függőleges aknának nevezzük. Ha az összekötő bányatérség a vízszinteshez meghatározott szög alatt hajlik, lejtős aknának nevezzük. A külszínt és az ásványkincset gyakorlatilag vízszintesen összekötő bányatérséget, folyosót tárónak vagy tárnának, míg általában a szállítás, közlekedés, légvezetés vagy vízvezetés célját szolgáló szintes bányafolyosót vágatnak nevezzük. Maguk a függőlegese aknák csak egy-egy pontban ütik meg a széntelepeket, ezért az akna bizonyos pontjaiból elindulva szintes folyosókat, ún. főkeresztvágatokat hajtunk ki. A főkeresztvágatok szintekre osztják a széntelepet, azaz minden szinten külön nyitják meg. Az akna rendeltetése szerint szintén lehet szállító- vagy szkipakna, szellőző- vagy légakna és amelyeket csak különböző vezetékek, csövek s egyéb szerelvények elhelyezésére használnak, az a műakna. A külszínre ki nem lyukasztott, nagyobb bányarész 2-2

9 2. előadás: Az ásvány-előfordulások térképezése kiszolgálására létesített akna neve vakakna. A szivattyúkamra két oldalára a bányavíz befogadására szolgáló bányatérségeket zsompvágatnak nevezzük. Az aknák különböző célokra hasznosítható részeit a hasznosítástól függően nevezzük meg: lehet járó-, szállító- és műosztály. A járóosztályhoz helyezik el a gyalogos közlekedést szolgáló lépcsőket, létrákat a szállítóosztály szolgálja a személyek és anyagok szállítását, míg a műosztályt a kábelek, csővezetékek stb. elhelyezésére használják. A személyek, csillék és anyagok szállítására szolgáló berendezés a kas. A függőleges aknában az anyagszállítás a kas helyett végezhető nagy űrtartalmú edényekkel (bödönökkel) is. Ereszke: földalatti vágatokat összekötő lejtős vágat, amelyeket telepdőlésben (vagy átdőlésben) felülről lefelé hajtanak ki és benne a szállítást is ebben az irányban végzik. A siklónál az ereszkével ellentétben a szállítást alulról felfelé végzik. Aknarakodó: az akna egy szintjén közvetlenül az aknához csatlakozott nagyszelvényű bányatérség, amelynek fő funkciója a szállító berendezések ki és berakása. A bányatérségek mennyezete a főte, a padlója pedig a talp. Biztosításon a bányászatban a bányatérségek (aknák, vágatok, stb.) kifalazását, kiácsolását értjük, vagyis védekezést a kőzetomlás ellen. A biztosítás anyag lehet fa, vas, acél, tégla, betonidomkő, vagy beton. A függőleges akna külszínnel érintkező legfelső része (szintje) az aknagárd. Fa, vas, acél biztosító szerkezet beépítésekor a szerkezet és a kőzet közé helyezett deszka vagy fémrács neve: bélésanyag. Aknadugó az aknafenék egész szelvényét rendszerint cementtel (betonnal) elzáró létesítmény. Aknamélyítés az akna elkészítését célzó bányászati mélyépítési művelet. Az aknaüzemet kiszolgáló szállító berendezések vezetésére, esetenként a szállítógép befogadására is szolgáló külszíni fa, vas vasbeton szerkezetű építmény az aknatorony (1. ábra). Közvetlen az akna közelében a vágányon elhelyezett zárszerkezet, amely megakadályozza a csilléknek az aknába esését, az aknazár. Az aknazár a kassal kényszerkapcsolatban van, csak akkor nyitható, amikor a kas a rakodói szinten van. 2-3

10 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 1. ábra Csorga (vízcsorga) a vágat talpán kiképzett csatorna, amelyen a bányavizet a zsompba vezetik. Elővájás a neve a bányatérségek kialakítási műveletének az ásványtelepben, fejtésre való előkészítés céljából. Amint láttuk, a főfeltáró bányatérségek csak egy-egy ponton, illetve a közvetlen szomszédságban teszik az ásványvagyont hozzáférhetővé. Lehetővé teszik azonban, hogy ebből a pontból elindulva magában az ásványtelepülésben vagy azzal párhuzamosan, a mellékkőzetekben különböző irányokban további folyosókat hajtsunk ki, hogy ezzel a aknához tartozó ásványkincs mindenütt hozzáférhető legyen. Telepes előfordulásoknál ezek a folyosók haladhatnak csapás irányban, dőlés irányban vagy átlós irányban. Ha a folyosók vetőkhöz érnek, a vető elvetési magasságától és a telep vastagságától függően rövidebb-hosszabb szakaszon nem a telepben, hanem annak fedőjében vagy a feküjében haladnak. Nem egyszer fordul elő, hogy egész terjedelmükben és hosszukban a feküben vagy a fedőben haladnak azért, mert ott szilárdabb, tehát állékonyabb kőzetben vannak, vagy azért, hogy a szállító folyosók egyenesvonalusága minél jobban biztosítható legyen. Azt a területet, amelyet egy aknapárral termelünk ki, aknamezőnek hívjuk. Az aknamező részterületekre oszlik. Az aknamező részterületeit mezőknek vagy bányamezőknek nevezzük. Annak a folyosórendszernek a kialakítását, amely az aknamező ásványkincsének hozzáférhetőségét biztosítja, aknamező feltárásnak nevezzük. Az aknamező feltáró folyosóhálózatához csatlakoznak a bányamezőben lévő ásványkincs hozzáférhetőségét biztosító folyosórendszerek, ezek kihajtása a mezőfeltárás. 2-4

11 2. előadás: Az ásvány-előfordulások térképezése Az aknamező feltárás folyosórendszere biztosítja az anyag-és levegőforgalmat az akna és a bányamezők leágazási pontja között. Amíg a főfeltáró bányaterek az esetek túlnyomó részében meddő kőzetekben haladnak, addig az aknamező- és mezőfeltáró tárnafolyosók lehetnek az ásványtelepülésben vagy meddőkőzetben. Egy-egy aknamező ásványkincsének kitermeléséhez a feltáró vágatokat elsősorban a meredek dőlésű telepeknél különböző szintmagasságokban kell elhelyezni. Szintmagasságnak két szintfolyosó magasságkülönbségét (M), szinttávolságnak (T) pedig a két szintfolyosónak a telepben mért távolságát nevezzük (2. ábra). Ha a telep dőlésszögét γ-val jelöljük, akkor M = T sin γ Az aknamező tehát függőleges értelemben általában szintmezőkre vagy egyszerűen szintekre is osztódik. 2. ábra A főfeltáró és feltáró folyosók térbeli helyzetét a szállítás, levegőellátás követelményein kívül elsősorban az ásvány-előfordulás térbeli helyzete és méretei (a telep vastagsága, mennyisége stb.) határozza meg. Megjegyezzük, hogy meredek dőlésűnek tekintjük a széntelepet, ha dőlése a 20 o -25 o - ot meghaladja. Egy másik értelmezés szerint pedig akkor meredek dőlésű a telep, ha a szén vagy a meddő a telep dőlésében kiképzett bányatérség talpán önsúly hatására lefelé mozog. Az ilyen telep dőlésszöge 30 o -45 o közötti érték szokott lenni. Az aknamező határai lehetnek természetes és mesterséges (műszaki) határok. Természetes határt jelentenek az ásványkincs kiékelődése, kibúvása, nagyobb vetők. A mesterséges határokat műszaki-gazdasági megfontolások szabják meg, vagy előzetes bányászati munkálatok hoztak létre. Lehetnek ezek jelentős külszíni létesítmények is. Ilyenek lehetnek pl. vasútvonalak vagy korábbi bányaüzemek fejtési határa. 2-5

12 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz A korszerű eszközök és módszerek is csak egy bizonyos mélységig lehatoló bányászkodást tesznek lehetővé. Lehet tehát, különösen meredek településnél, az aknamezőnek mélységi műszaki hatása is. A mélységi határ az aknaszállítás lehetséges kapacitásától, a geotermikus gradienstől és a kőzetek szilárdságától függ elsősorban a gazdasági szempontok figyelembevétele mellett. A feltárás elkészítése után lehet megkezdeni a fejtést. A kőzetek megbontásának a jövesztésnek módszerét és eszközeit a kőzet szilárdsága, rétegződése, stb. határozza meg. A hasznosítható ásványanyagok lefejtése A hasznosítható ásványok lefejtésén azoknak a munkálatoknak összességét értjük, amelyekkel a természetes lelőhelyén telepben, telérben, tömzsben előforduló ásványok folyamatosan és rendszeresen kitermelhetők. A fejtés fogalma magába foglalja azokat a munkálatokat, amelyek révén az ásvány az előre meghatározott, megtervezett, a fejtési munkahelyekkel egy időben vagy megelőzően kialakított bányafolyosók, fejtési vágatok szállító berendezésén keresztül a feltáró folyosórendszerbe kerül. Ez a módszeres és folyamatos munka a következő főbb munkafázisokat foglalja magában: a fejtések előkészítése, az ásványnak a természetes lelőhelyéről való kinyerése, a keletkezett üreg szükségszerű nyitvatartása, illetve a már nem szükséges üreg megszüntetése, kitöltése, betömedékelése, felhagyása. A fejtés-előkészítés jelenti azoknak a folyosóknak kihajtását, amelyek a fejtési munkahelyet a feltárás folyosórendszerével, rendszerint a bányamezőt feltáró folyosórendszerrel kötik össze. Ezekben szállítjuk a fejtések termelvényét a feltáró folyosókig, ezeken kerülnek a fejtésekbe a szükséges anyagok, gépek, berendezések, itt bonyolódik le a személyközlekedés, ezeken áramlik be, illetve ki a fejtések levegője. Mivel a fejtési munkahely, a fejtés homlokfelülete állandóan mozog, a fejtéselőkészítő vágatok ennek megfelelően állandóan változtatják hosszúságukat és csak addig élnek, amíg azt a meghatározott kiterjedésű ásványtelepülést le nem fejtjük, amelyet az előkészítő vágatrendszer kiszolgál. Általában a fejtés-előkészítésnek két vágata van: a fejtés szállító vágata és a fejtés légvágata. Az előbbi a feltáró folyosórendszer szállító, az utóbbi a légfolyosójához csatlakozik. Lehetnek természetesen olyan fejtések is, amelyeknek két vagy több szállító, illetve légvágata van. Az ásványnak a természetes lelőhelyéről való kinyerése jelenti a telepből, telérből, tömzsből, fészekből való leválasztását, lejövesztését, darabosítását, a fejtési szállítóedénybe való rakását és a fejtésből való elszállítását. A jövesztés művelete történhet szerszám segítségével kézi erővel, robbantással, hidraulikus úton és gépi munkával. Ugyanúgy a rakodás elvégezhető kézi és gépi erővel. A fejtések szállítása lehet folyamatos vagy szakaszos. A folyamatos szállítás eszközei, illetve berendezései a szalagos szállítógépek: láncos vonszolók, rázott csúszdák, gumiszalagok, illetve csúsztatóvályuk. Meredek talpon gurítókban az ásvány a nehézségi erő hatására hagyja el a fejtést, jut a fejtés szállító folyosóba. A folyamatos szállítás módszerei közé soroljuk a hidraulikus áramlás segítségével való szállítást is. A szakaszos fejtési szállítás eszközei: a csille, amely lehet önjáró, emberi erővel, kötéllel mozgatott. Az önjáró csille rendszerint gumikerekes, nagy űrtartalmú és beépített motorja van. A köteles mozgatásnál a kötél vonóerejét egy vagy kétdobos vitlából kapja. Az ásvány jövesztése, elszállítása révén keletkezett és az optimális munkavégzéshez szükséges üreg megtartását a fejtési biztosítással érjük el. Anyag fa, fém vagy ritkábban a fejtésben kitermelt egyébként nem használható kőzet. Fából fejtési támok, fejtési ácsolatok, bélelés, máglya, orgonasorok, csokros támok, fémből támok, süveggerendák, 2-6

13 2. előadás: Az ásvány-előfordulások térképezése zsámolyok, pajzsok készülhetnek. A helyszínen nyert kőzetekből biztosító falak építhetők. A támok, a fejtési ácsolatok, a bélelés a kőzethullás ellen védenek, és bizonyos fokig a kivájt üregek fedőrétegeinek süllyedését szabályozzák. A máglyák, orgonasorok, csokros támok, zsámolyok, pajzsok az üregek nyitvatartását, a fedőrétegek süllyedésének szabályozását, a megkívánt helyen vagy vonalon való eltörését, a törésvonal mögötti fedőrétegek veszélytelen leszakadását, leomlasztását biztosítják. A már nem szükséges fejtési üregek veszélytelen felhagyása általában megköveteli kitöltésüket. Igen szilárd mellékkőzetek esetén lehet csak fejtési üregeket kitöltetlenül magukra hagyni veszély nélkül. Ez csak az ércbányászat eruptív, igen szilárd kőzeteiben lehetséges, ahol a vékony telérek kifejtése után az üregek kitöltetlenül magukra maradnak. Különösen jellemző volt ez a régi századok ércbányászatára, amikor még csak a vékony telérekben előforduló dúsérceket fejtették ki. A fejtési üregek kitöltése lehetséges öntömedékeléssel vagy idegen más helyről a fejtésbe hozott tömegékanyagokkal. Az öntömedékelés elvégezhető a fedőrétegek leomlasztásával, amikor a fellazult anyag mind a kifejtett, mind pedig a felszakadás révén keletkezett üreget kitölti. Öntőmedékelésről beszélünk akkor is, ha a kifejtett üregek fedő- és fekürétegei összenőnek. Az összenövés a fedőréteg lehajlása és a fekürétegek felduzzadása révén jön létre. Természetesen az összenövést egyedül a fedő vagy egyedül a fekü mozgása is létrehozhatja. Az idegen tömedékanyag lehet a külszínről behozott homok, kavics, meddőhányó anyag vagy a bányában termelt meddő anyag. A homokot többnyire hidraulikus úton, a többit mechanikusan vagy pneumatikusan, ritkábban a nehézségi erő segítségével szállítjuk a kifejtett üregekbe. Ha az egymás után következő fejtések úgy illeszkednek egymáshoz, hogy a lefejtett terület az akna védőpillérének határán kezdődik és az aknamező határai felé terjeszkedik, az aknától a határ felé haladó (mezőbe haladó) lefejtésről van szó. Ellenkező esetben a határtól az akna felé vagy más szóval hazafelé halad az ásvány lefejtése. Ha a bányamezőn belül a bányamezők feltáró fő folyosórendszertől a bányamező határai felé haladunk, a bányamezőt a határ felé haladva fejtjük. Ellenkező esetben a bányamezőt a határtól hazafelé műveljük. Ha az aknamező több bányamezőre oszlik, az alábbi kombinációk lehetségesek: 1. Az aknamezőn és ezen belül a bányamezők lefejtése határtól hazafelé halad. 2. Az aknamező és a bányamezők lefejtése a határ felé halad. 3. Az aknamező lefejtése hazafelé, a bányamezők lefejtése a határ felé halad. 4. Az aknamező lefejtése a határ felé, a bányamezők lefejtése a határ felé halad. 5. Az aknamező lefejtése a határ felé, a bányamezők lefejtése hazafelé halad. 6. Természetesen előfordulhat az is, hogy az egyes bányamezők lefejtése ugyanazon aknamezőn belül az egyiknél a határ felé, a másiknál hazafelé mozog. Felhasznált irodalom: - Ódor K.: Földalatti mérések. Tankönyvkiadó, Budapest, (S ) 2-7

14

15 3. előadás: Földalatti létesítmények felszíni és felszín alatti alappont-hálózatainak tervezése és létesítése 3. Előadás: Földalatti létesítmények felszíni és felszín alatti alappont-hálózatainak tervezése és létesítése A földalatti létesítmények alappont-hálózatának fő sajátosságai a következők: A nagyon sokrétű geodéziai feladat (részletes felmérések, kitűzések, mozgásvizsgálatok, áttörési mérések, fúrópajzs irányítások, stb. feladatok) alapjául mind a felszínen, mind a földalatti térségekben vízszintes- és magassági értelmű alapponthálózatokat kell létesíteni. A bányaüzemek külszíni alappont-hálózatai általában azonosak az alapmunkálatok felső- és alsórendű, illetve magassági hálózataival a következő eltérésekkel: - az országos alappont-hálózatok a bányaüzemek minden igényét nem tudják kielégíteni, ezért olyan kiegészítő alappont-meghatározásokra - az alappontok sűrítésére, kitűzési hálózatok létesítésére van szükség, amelyeknek alapján a bányászat speciális feladatai (kapcsoló és tájékozó mérések, kitűzések, mozgásvizsgálatok stb.) megoldhatók, - a hasznosítható ásványanyag művelése következtében a föld felszíne és vele együtt az alappontok is kisebb nagyobb mértékben szinte állandó mozgásban vannak. Ez azt jelenti, hogy a művelés alatt álló területeken mind a vízszintes értelmű, mind a magassági alappontokat időnként újból meg kell határozni, illetve felhasználásuk előtt olyan ellenőrző méréseket kell végezni a művelés alatt álló területen kívüli pontokból hogy a pontok mozdulatlansága, vagy elmozdulásuk esetén az újabb koordináták megbízhatóan meghatározhatók legyenek. Természetesen az említett szempontokat kell figyelembe venni akkor is, ha bármilyen jellegű geodéziai munkát pl. országos felméréssel kapcsolatos munkát kell végeznünk bányaműveléses területen. Az alagutak külszíni alappont hálózatai a tervezések alapját képező részletes felmérésekhez szintén azonosak az alapmunkálatok hálózataival. Itt is szükséges azonban a feladatoktól függően a pontok sűrítése. A kitűzések alapját képező vízszintes hálózatok viszont két rendre tagozódnak (1. ábra): - a nyomvonal mentén, de a süllyedési zónán kívüli alaphálózat. A süllyedési zóna szélessége (mely függvénye az alagút feletti kőzetek jellemzőinek) az alagút tengelyétől mindkét oldalon közelítőleg az alagút mélységének kétszeresében vehető fel, - az aknák közelében létesített kitűzési hálózat, amely elsősorban a kapcsolás és tájékozás célját szolgálja. Az alagutak építéséhez az alaphálózat pontossága kielégítő, ha a hálózat relatív középhibája mintegy 1/ nél és a kitűzési hálózat középhibája pedig mintegy 1/50000-nél nem nagyobb. Az alaphálózat kialakítható az országos alappont-hálózatból, vagy meghatározható önállóan. 3-1

16 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 1. ábra A kapcsoló és tájékozó mérések elvégzéséhez minden akna közelében az aknától néhány száz méterre, lakott területen 2-3 magaspontot (2. ábra számú pontok) és az aknák közvetlen közelében, az aknáktól néhány méterre legalább egy talajszinti pontot (14. számú pont) kell létesíteni. A magaspontok torony ablakba, háztetőkre épített pillérek, körülöttük észlelő állással, a talajszinti pontok pedig pillérbe, betontömbbe rögzített csapok. Az akna körüli magas- és talajszinti pontokat a következő szempontok szerint célszerű elhelyezni: 1. Minden magaspontról látható legyen a meghatározásukhoz szükséges számú alaphálózati pont és a szomszédos aknák minél több magaspontja. 2. Az akna s így a talajszinti pont is a magaspontok által meghatározott háromszögön belül helyezkedjen el. 3. A magaspontok az alagúttengely közelében, de ezek is lehetőleg a süllyedési zónán kívül helyezkedjenek el. 4. A magaspontok közül egy a kitörés irányába kerüljön (2. ábrán a 11. számú pont). A kitörés irányát az akna középpontján átmenő az aknából kiinduló táró (kitörési táró) tengelyének iránya határozza meg. A földalatti térségek építésének irányításához, majd az elkészült térségekben végzendő geodéziai műveletek alapjául a célnak megfelelő vízszintes és magassági alappont hálózatokat kell létesíteni. A földalatti alappont hálózatok létesítésének egyik fontos követelménye az, hogy koordináta-rendszerünk és alapszintjük azonos legyen a külszíni alappont hálózatok koordináta-rendszerével és alapszintjével. 3-2

17 3. előadás: Földalatti létesítmények felszíni és felszín alatti alappont-hálózatainak tervezése és létesítése 2. ábra Az azonos koordináta-rendszer és alapszint alkalmazását ellentmondást nem tűrően több tényező követeli meg, amelyek közül a legfontosabbak a következők: 1. A biztonságos bányaművelés. A föld felszínén mindig pontosan tudni kell, hogy a föld mélyében hol folyik a termelés, hol tartózkodnak személyek. Ez a hely természetszerűleg koordinátákkal adható meg, mégpedig csak a felszíni koordináta-rendszerben. E helyek megadására két okból van szükség. Egyrészt azért, mert egy esetleges mentési munkának a sikere igen nagymértékben függ a hely pontos ismeretétől. Másrészt szükséges a földalatti művelés helyének pontos ismerete azért, mert a felszíni létesítményeket védeni kell a bányaművelés hatására bekövetkezett elmozdulások, illetve a mozgások hatására bekövetkező károsodásoktól. Ehhez természetesen megint ismerni kell a művelési területet és a védendő létesítmény térbeli viszonyát. 2. A bányatérképek egy részén, mind a felszíni, mind a földalatti létesítményeket ábrázolni kell, ami szintén megköveteli az egységes koordináta-rendszer alkalmazását. 3. Végül ugyancsak egységes koordináta-rendszer alkalmazásával lehet megoldani két irányból hajtott vágatok találkozását, külszínről indított táróknak, fúrólyukaknak adott bányabeli vágatokba való irányítását és ezekhez hasonló feladatok megoldását. A földalatti alappont hálózatok létesítésének a külszínen végzett létesítéséhez viszonyítva a következő sajátosságai vannak: 1. Az alappontok meghatározásának módja csak a sokszögelési módszer lehet. 2. Nem lehet alkalmazni a nagyból a kicsi felé haladás elvét, hanem sokszor egy nagyon rövid oldalra (néhány méter nagyságú oldalra) kell felépíteni egy nagy kiterjedésű alappont-hálózatot. Ez a felszíni méréseknél nagyobb pontosságú méréseket igényel. 3. A bányatérségek mozgása következtében, állandó mozgásban vannak az alappontok is, s ezért ezeket kétévenként ellenőrizni kell, s ha a meghatározási hibahatár értékénél nagyobb elmozdulást tapasztalunk, az alappontokat újból meg kell határozni. 3-3

18 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 4. Gyakran olyan meredek lejtősaknákban kell alappontokat meghatározni, ahol a sokszögelés a szokásos módon már nem végezhető el, hanem a sokszögelés végzéséhez a meredek oldalak miatt kiegészítő berendezéseket, különleges teodolitokat kell alkalmazni. 5. A levegő állandóan párás, ködös, a műszerek optikai részei állandóan párásodnak, rosszak a látási viszonyok, ezért a műszereket világító berendezésekkel kell ellátni, illetve a műszerek külön megvilágításáról kell gondoskodni. Felhasznált irodalom: - Ódor K.: Földalatti mérések. Tankönyvkiadó, Budapest, (S ) 3-4

19 4. előadás: Kapcsoló és tájékozó mérések, számítások 4. Előadás: Kapcsoló és tájékozó mérések, számítások A kapcsoló és tájékozó mérések, számítások célja az, hogy a földalatti alappont hálózatokat a föld felszíni alappont hálózat koordináta-rendszerében határozzuk meg. Kapcsolás azt a műveletet jelenti, amelynél egy földalatti pont vagy pontok koordinátáit, a tájékozás pedig azt a műveletet, amikor e pontokból kiinduló irányok irányszögét határozzuk meg a felszíni koordináta-rendszerben. A kapcsolás és tájékozás művelete együttesen lejtős aknán át elvégezhető sokszögeléssel, függőleges aknán keresztül pedig mechanikai vagy optikai aknafüggélyezéssel. A tájékozás feladata pedig külön a kapcsolás feladatától a pontossági követelményektől függően megoldható pörgettyűs vagy mágneses műszerekkel. Kapcsolás és tájékozás sokszögeléssel A kapcsolás és tájékozás művelete viszonylag egyszerűbb, ha a földalatti térségeket táró vagy lejtősakna köti össze a felszínnel. Ekkor ugyanis mind a tájékozás, mind a kapcsolás feladata megoldott, ha a felszínről a tárón vagy lejtős aknán át sokszögvonalat vezetünk a földalatti térségbe. A tájékozó mérés célját szolgáló sokszögvonalat a felszínen 2-3 iránnyal tájékozni kell. A kapcsolás és tájékozás szempontjából természetesen az a kedvező, ha a földalatti munkálatoknak nem egy, hanem több külszíni nyílásuk van, mert így a mérésre és az ellenőrző mérésre több lehetőség adódik. Ha pl. a földalatti térségek két, a föld alatt egymással már kapcsolatban lévő függőleges aknával csatlakoznak a külszínhez, a kapcsolás és tájékozás beillesztett sokszögvonallal végezhető el. A sokszögvonal külszíni rendszerben meghatározott kezdő- és végpontját mechanikai vagy optikai függővel vihetjük le a kérdéses szintre. Ha pedig az összeköttetést a külszínnel egy függőleges és egy vele összekapcsolódóan álló lejtős akna képezi, akkor a kapcsolás és tájékozás feladatát szintén sokszögvonal (kétszer kapcsolt egyik végén tájékozott sokszögvonal) vezetésével oldhatjuk meg. Végeredményben tehát a feladatok megoldásának sok változata lehet attól függően, hogy milyen az összeköttetés a felszín és a földalatti térségek között. Mechanikai aknafüggélyezés A mechanikai aknafüggélyezés alapelve az, hogy a függőleges aknában az F 1 és F 2 függőkkel egy függőleges síkot állítunk elő (l. ábra). A függőleges síkhoz mind a felszínen, mind a bányában sokszögvonallal csatlakozunk, vagyis a felszínen indított sokszögvonalat a bányában úgy vezetjük tovább, hogy a két sokszögvonal csatlakozó oldala ( a C és C 1 ) az előállított függőleges síknak egy vízszintes síkkal való metszése legyen. Ha már most a külszínen meghatározzuk a két függő koordinátáit s ezáltal a függőleges sík irányszögét is, ezen adatok ismeretében a földalatti sokszögvonal pontjainak koordinátái a felszíni koordináta-rendszerben számíthatók, vagyis mind a kapcsolás, mind a tájékozás feladatát megoldottuk. A feladat megoldása annak ellenére, hogy alapelve egyszerű nagyon sok nehézségbe ütközik, s a földalatti méréseknek egyik legnehezebb feladata. A feladat megoldásában a legfőbb nehézséget az okozza, hogy a függőleges síkot meghatározó két 4-1

20 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz függőt egymáshoz, az akna méreteinek és beépítettségének függvényében csak nagyon közel, gyakran 1-2 m távolságra lehet elhelyezni. Ezért ezután a tájékozás céljára a vetítést nagyon pontosan, néhány tized mm-es pontossággal kell végezni, hogy a két függőhöz csatlakozó földalatti sokszögvonal több száz m, vagy több km távolságon is megbízható értéket szolgáltasson. 1. ábra Az F 1, F 2 kiinduló pontok koordinátáinak a hibái sokszögeléskor az aknától távolodva mindig azonos, nem növekvő módon éreztetik hatásukat, vagyis a sokszögvonal végső pontjaiban sem lesznek nagyobbak a koordinátahibák, mint az F 1, F 2 pontokban. Ezzel ellentétben a tájékozásban elkövetett hiba a kiinduló ponttól távolodva a sokszögvonal fokozódó elcsavarodását eredményezi. A sokszögvonal végső pontjának eltolódása az elcsavarodás hatására Tβ" t cs = ρ" amely összefüggésben T a sokszögvonal kezdő és végpontja közötti távolság. Ha az 1. ábra esetében feltételezzük, hogy az F 1 pontot az F 1, F 2 oldalra merőlegesen 1 mm valódi hibával vetítettük le, akkor az F 1, F 2 oldal tájékozási hibája a β 1 1,5 m oldalhosszúságú (függő távolság) esetén: β 1 = mm = mm Ha pedig az F 2 pont vetítésekor szintén elkövetünk 1 mm-es valódi vetítési hibát, de ellenkező irányban, akkor a vetítésből származó valódi tájékozási hiba β = 274" tájékozási hiba pedig az aknától 2 km távolságra lévő sokszögpontban 4-2

21 4. előadás: Kapcsoló és tájékozó mérések, számítások 2000 m 274 " t cs = = 2, 7 m " hibát eredményez. A példa alapján könnyű belátni, hogy a vetítések hibáinak nem szabad nagyobbnak lennie a már említett néhány tized milliméternél, amely érték a koordinátáktól megkövetelt megbízhatóság és a sokszögvonal hosszának ismeretében a bemutatott módon számítható. A bányászatban jelenleg elfogadott hibahatár szerint térképezés céljára aknafüggélyezéssel meghatározott irány meghatározási hibája nem lehet nagyobb 180º-nál. A gyakorlatban ez a hiba a legtöbb esetben 60 " alatt marad, ami 1 km-es távolságon 30 cm-es oldal eltérést ad. A feladat megoldását tovább nehezíti, hogy a nagy pontosságot igénylő mérésekhez csak nagyon szűk helyi viszonyok állnak rendelkezésre. A földalatti térségekben gyengék a látási viszonyok. Az aknákban a talajvíz szivárgása következtében esik az eső. A párásodás következtében csökken az optikai műszerekkel végzendő észlelések megbízhatósága s végül az aknában az állandó légáram hatására a függők nyugalmi helyzete válik bizonytalanná. Mindezek a pontos mérést akadályozó körülmények az aknamélység növekedésével fokozottabban jelentkeznek. Az hogy a zavaró körülmények megszüntetése, illetve az általuk okozott hibák számszerű meghatározása nem egyszerű feladat, mi sem bizonyítja jobban, mint a mechanikai aknafüggélyezés számtalan módozata, amelyek a legjobb megoldások útkeresésének egy-egy állomásai. Tájékozás giróteodolittal A giroszkópos műszereket, mint ismeretes, széleskörben alkalmazzák iránykijelölési és stabilizációs célokra. Felhasználják mind a légi, mind a tengeri közlekedésben, újabban a rakétatechnikában, de felsorolhatnánk a technikai feladatok egész sorát, ahol sikerrel alkalmazzák. 4-3

22 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 2. ábra A giroszkóp iránymeghatározásra való alkalmazásának lehetősége azon a tulajdonságán alapszik, hogy meghatározott feltételek között, úgynevezett irányító (giroszkópikus) nyomaték lép fel, amely a giroszkóp forgástengelyét állandóan a meridián síkjába kényszeríti. Ez lehetővé teszi az álláspontunkon átmenő meridián irányának közvetlen meghatározását, az egyes irányok tájékozását, mind a Föld felszínén, mind a Föld felszíne alatt. A mérés kellő pontossággal, rövid idő alatt, az időjárástól, az év és a napszaktól, a terep fizikai feltételeitől függetlenül végezhető. A giroszkópokat a sokrétű sajátságos mechanikai tulajdonságai, törvényei teszik alkalmassá a szintén sokrétű feladatok megoldására. Különösen sajátságosak a mechanikai tulajdonságai a ráható erők következtében fellépő nyomatékok tekintetében. Ezek közül is kiemelkednek azok a mechanikai törvények, amelyek a Föld (mint pörgettyű) forgásából ráható erők következtében érvényesülnek. A következőkben a pörgettyűknek csak azokkal a tulajdonságaival, törvényeivel foglalkozunk, amelyek ismerete szükséges ahhoz, hogy megértsük a giroszkópnak azt a működési elvét, amely lehetővé teszi a műszer álláspontjában a meridián irányának kijelölését. A Föld forgástengelye a földpálya síkjának az ekliptikának normálisával 23,5º-os szöget zár be. Emiatt a Nap és a Hold a forgó Földre a vonzóerőn kívül forgatónyomatékot is gyakorol, amely a Föld forgástengelyének felállítására törekszik, és amelynek hatására a Földtengely év periódussal 23,5 félnyílásszögű precessziós kúpot ír le. A Nap, Föld és Hold relatív helyzeteinek változásai miatt ehhez kisebb periódikus ingadozások (nutációk) is járulnak. 4-4

23 4. előadás: Kapcsoló és tájékozó mérések, számítások A Földnek, mint pörgettyűnek forgási szögsebessége: ω F 2 Π = s = 7, s 86164,1 Ennek megfelelően minden meridiánsík óránként 15 -kal elfordul a térben. A forgásvektort a mérési ponton átmenő vízszintes, észak-dél irányú ω = ÉD F ω cosϕ komponensre és ω ω sinϕ Z = F függőleges komponensre bonthatjuk.(1. ábra) Az egyenlítőn φ=0, ezért ω ÉD =ω F és ω Z =0. A földpólusokon φ=90 º, így ω ÉD =0 és ω Z =ω F A használatos pörgettyűk fordulatot tesznek meg percenként, a Föld forgási szögsebessége ehhez képest elenyészően kicsi. A műszerekben alkalmazott giroszkópos forgó teste leggyakrabban egy három fázisú aszinkron motor rotorja (forgó része). Hogy a rotor tengelye a térben bármely helyzetet el tudjon foglalni, többféle rotorbeépítésű módszert alkalmaznak, többek között az ún. kardán felfüggesztést. A kardanikus felfüggesztésű giroszkópnak három egy pontban metsződő forgástengelye van, ezt a metszéspontot a giroszkóp felfüggesztési pontjának nevezzük. A forgórész tengelye amely a giroszkóp főtengelye, a tér minden irányába el tud fordulni, azaz a giroszkóp 3 szabadságfokkal rendelkezik. A 3 szabadságfokú giroszkóp, amelynek felfüggesztési pontja egybeesik a súlypontjával, a főtengely bármely helyzetében megőrzi egyensúlyát. Az ilyen giroszkópot szabadnak kiegyensúlyozottnak vagy asztatikusnak nevezzük. Az asztatikus giroszkópnak az iránymeghatározás szempontjából két fontos tulajdonsága van. Ha a rotort nagy fordulatszámmal forgatjuk, akkor a rotor főtengelye igyekszik megőrizni kezdő térbeli irányát. A giroszkóp ezen tulajdonságát giroszkópikus effektusnak, vagy giroszkópikus merevségnek nevezzük. A giroszkóp másik fontos tulajdonsága az ún. precesszió. Ha a gyorsan forgó giroszkóp főtengelyére a rotor forgássíkjával párhuzamos erővel (erőpár) hat, akkor a giroszkóp főtengelye mozgásba kezd de nem a hatóerő irányába, hanem a hatóerő irányára merőleges síkban. Ily módon a rotor forgási síkja, illetve a ható erőpár síkja és a főtengely precesszós mozgásának síkja kölcsönösen merőlegesek egymásra. A gyorsan forgó rotor tengelye a merőlegesen ható külső erő hatására, végez precessziós mozgást. A precessziós mozgás irányát tehát megkapjuk, ha a ható erővektor irányát a rotor forgásirányával megegyező irányban 90 -al elforgatjuk. A három szabadtengelyű giroszkóp a tájékozás céljára még nem alkalmas, mert miután főtengelyének kezdeti irányát a térben az álló csillagokhoz viszonyítva igyekszik megtartani, a Föld forgásának következtében a főtengely a földi irányokhoz viszonyítva más-más helyzetet foglal el. 4-5

24 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz A giroszkóp a meridián irányának kijelölésére csak úgy használható, ha megoldjuk, hogy a Föld forgása következtében a főtengelyre ható erők irányító nyomatéka a főtengelyt (a forgástengelyt) az állásponton áthaladó meridián síkjában kényszerítse. Erre két megoldás adódik: ha a giroszkópot egy szabadságfokától megfosztjuk, vagy pedig ha a giroszkóp főtengelyének vízszintes síkból való kilépését ingahatással korlátozzuk. E megoldás módja szerint a giroszkópot két szabadságfokúnak vagy ingás giroszkópnak nevezzük. A geodéziai mérések céljára megfelelő pontosságú két szabadságfokú giroszkóp gyakorlati kivitelezése a készülék erős excentrikussági érzékenysége miatt bonyolult műszertechnikai feladat. Ezért a korszerű giroteodolitok pörgettyűs részét olyan ingás giroszkóp képezi, amelyet súlypontja felett felfüggesztenek, s a felfüggesztés által keletkezett ingahatás kényszeríti a forgástengelyt a vízszintes síkba. Nézzük meg azután, hogy milyen irányító nyomaték kényszeríti a már vízszintes helyzetű főtengelyt a meridián síkjába. Képzeljük el egy ingás giroszkópot az egyenlítőn. Az S súlypont és az F felfüggesztési pont közötti t távolság az inga hossza. A g nehézségi erőnek a felfüggesztési pontra vonatkoztatott nyomatéka az inganyomaték. A kiinduló helyzetben az inganyomaték nulla, mivel a nehézségi erő iránya átmegy az F felfüggesztési ponton, s így a giroszkóp forgástengelye pedig az álláspont horizont síkjában vagyis a vízszintes síkban helyezkedik el. Egy kis idő múlva a Föld β szöggel elfordul, és a giroszkóp a új helyzetbe kerül. Mivel pedig a forgástengely a giroszkópikus merevség következtében most is igyekszik megőrizni az eredeti irányát, a keleti vége a horizont fölé emelkedik, vagyis kiemelkedik a vízszintes síkból. Ebben a helyzetben azonban a nehézségi erő iránya nem megy át az F felfüggesztési ponton, tehát fellép egy M i nagyságú inganyomaték, amely igyekszik a giroszkóp forgástengelyét a horizont síkjában tartani. Az inganyomaték értéke M i = m g t sin β amely összefüggésben a már ismert betűjelzések mellett m az inga tömege. Az inganyomaték hatására azonban fellép a precesszió jelensége, vagyis a forgástengely a hatóerőre merőleges síkban igyekszik kitérni. A precesszió jelensége azonban nem érvényesülhet szabadon, mert a giroszkóp együtt forog a Földdel a Föld tengelye körül, s mivel a Föld tengelye nem párhuzamos a giroszkóp tengelyével, a kinetika törvényei alapján fellép egy másik nyomaték, az ún. pörgettyű vagy irányítónyomaték (M P ), amely a giroszkóp tengelyét a Föld forgástengelyével párhuzamos helyzetbe kényszeríti. A pörgettyű nyomaték értékét a motor forgatónyomatékának (tehetetlenségi nyomaték és a szögsebesség szorzata) és a Föld szögsebességének a vektori szorzata adja: M P =Ip ω F cosφ sinα = θ P 2 П f ω P ω F cosφ sinα Az összefüggés betűjelzései a következők: I P a motor forgató nyomatéka, f az üzemeltetési áram frekvenciája, θ P a rotor tehetetlenségi nyomatéka, ω P a rotor forgásának szögsebessége, α a giroszkóp tengelyének a meridián síkhoz viszonyított pillanatnyi helyzete által bezárt szög, φ pedig az álláspont földrajzi szélessége. Az említett két nyomaték hatására változó irányú és nagyságú irányító nyomaték lép fel, amelynek eredményeképpen a giroszkóp forgástengelye egyensúlyi helyzetéhez viszonyítva gyengén csillapított lengéseket végez. A giroszkóp egyensúlyi helyzetében M i = M P = 0. A két nyomaték értéke akkor veheti fel a nulla értéket, ha α és β értéke is nulla. 4-6

25 4. előadás: Kapcsoló és tájékozó mérések, számítások Ekkor pedig a pörgettyű forgástengelye vízszintes és a meridián síkba helyezkedik el, vagyis a forgástengely iránya megegyezik a csillagászati északi-déli iránnyal. 3. ábra Lengés közben a főtengely mindkét vége, egy a függőleges tengelye mentén erősen lapított ellipszist ír le (3. ábra). Az ellipszis pályán a nyomatékok értéke állandóan változik. Az inga- és az irányító nyomaték együttes hatásaként létrejövő precessziós nyomaték maximális értékét a meridián síkjában fekvő 2 és 4 pontban éri el, ahol a giroszkóp irányító nyomatéka nulla, innen kezdve az inganyomaték hatására a precessziós nyomaték csökken mindaddig, amíg teljesen megszűnik. Ekkor ér a giroszkóp főtengelye az 1, 3 átfordulási (reverziós) pontok egyikére, ahol az irányító nyomaték értéke maximális. A giroszkóp tengelyének lengésideje: T = 2Π I Pω P mgtω cosϕ F Ahol a jelölések az előzőekből ismertek. Ha tehát a giroszkópot egybeépítjük, vagy szilárdan összekapcsoljuk egy teodolittal, amellyel meg tudunk határozni egy földi irány és a forgástengely iránya által bezárt szöget, vagyis a földi irány azimutját, akkor a tájékozás feladata megoldott, mert az azimutból az alkalmazott összefüggésekkel a földi irány irányszöge számítható, függetlenül attól, hogy ez az irány a Föld felszínén vagy a Föld felszíne alatt helyezkedik el. A giróteodolitoknak a földalatti tájékozó mérések céljára megkövetelt pontosságú (néhány vagy néhány 10" pontosságú) gyakorlati kivitelezése a műszertechnikának csak az utolsó évtizedekben elért fejlődésével vált megoldhatóvá, amikor többek között megoldást nyert a nagy fordulatszámú (percenként ezer fordulatszámú) motor előállítása, illetve a nagy fordulatszámú motor súrlódási viszonyainak a szükséges minimumra szorítása. A nagy fordulatszámra azért van szükség, mert az irányító nyomaték az M P csak ebben az esetben ér el olyan nagyságú értéket, amely a forgástengelyt el tudja mozdítani, illetve a meridián síkba tudja kényszeríteni. 4-7

26 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz Felhasznált irodalom: - Ódor K.: Földalatti mérések. Tankönyvkiadó, Budapest, (S ) 4-8

27 5. előadás: Magassági alapponthálózatok, magassági mérések földalatti térségekben 5. Előadás: Magassági alapponthálózatok, magassági mérések földalatti térségekben A földalatti magasságmérés célja a magassági alapponthálózat létesítése, a vágatok, alagutak magassági helyzetének meghatározása, szelvényezése, magassági tervezések, a vágathajtások magassági értelmű kitűzési és ellenőrzési feladatok megoldása. A földalatti magasságmérésekkel minden esetben az országos szintezési hálózat pontjaihoz kell csatlakozni, vagyis a földalatti pontok magasságát is egységesen az országos alapszinthez viszonyítva kell meghatározni. A bányabeli pontok meghatározásának a külszíni hálózatba való kapcsolását tárón vagy kis hajlásszögű lejtősaknán át különleges eljárás nélkül a külszíni szintezés folytatásával elvégezhetjük. Ha pedig a bányabeli térségek függőleges aknán át csatlakoznak a külszínhez, akkor a bányabeli pontokat magasságilag ún. akna mélységméréssel kapcsoljuk a külszíni magassági hálózathoz. Az akna mélységmérést végezhetjük közvetett vagy közvetlen eljárással. 1. A közvetett akna mélységmérésnél az akna külszíni bányabeli rakodóján rögzített magassági pontok helyzetét rávetítjük az aknába felfüggesztett huzalra, majd a huzalt az aknából felhúzva a két vetítési hely közötti távolságot külön mérőeszközzel (mérőlécekkel, mérőszalaggal) megmérjük. Az átvetítést az 1. ábrának megfelelően szintező műszerrel végezzük. A szintező műszer horizontjának magasságát a huzalon jelzőcsavarokkal jelöljük meg (1. ábra), s ugyanakkor a szintezőműszerrel leolvasást végzünk a felszíni és a bányabeli pontokra helyezett szintező lécekre. A huzal hosszának meghatározása céljából a felszínen a hosszmérő eszköz (léc, szalag) hosszának megfelelő padozatot kell készíteni, továbbá a huzalt csigákon átvezetve olyan átmérőjű dobra kell felcsavarni, hogy a huzalon törés vagy deformálódás ne keletkezzen. A huzal jelzőcsavarjai közötti távolság (T), továbbá a lécleolvasások l k és l b ismeretében az akna mélysége, illetve helyesebben a külszíni és a bányabeli (A és B) pontok M AB magasságkülönbsége: M AB =T + (l b - l k ) + T P + T t + T k ahol T P a huzal vagy szalag önsúlya és a feszítőerő okozta megnyúlás, T t a hőmérsékleti- és T k a komparálási korrekció. 5-1

28 Óravázlat a Földalatti mérések előadásaihoz 1. ábra Az A és B pontok természetesen nem mindig helyezhetők el olyan közel az aknához, hogy a l k és l b értéke egyetlen műszerállással meghatározható legyen, hanem csak több műszerállással. Ilyenkor l k és l b értékét vonalszintezésből ismert lécleolvasások különbségeinek összegezéséből kapjuk. 2. Közvetlen aknamélységmérésnél a huzal helyett erre a célra készült több száz méter, sőt km hosszú, többnyire méteres beosztású és számozású mérőszalagot függesztünk fel, amellyel a T értéke közvetlenül meghatározható (2. ábra) Az aknába leengedett és megfelelő súllyal feszített szalagon a leolvasásokat szintezőműszerrel végezzük, úgy hogy a méteres osztássávok közé segédmércét erősítünk. A több száz méter hosszú huzal, illetve mérőszalag hosszának megállapításakor természetszerűleg különös jelentősége van, és ezért feltétlenül számításba kell venni a mérőeszköz komparálási, hőmérséklet és a feszítő erő hatására fellépő korrekciók értékét, mivel többszáz méter hosszú mérőeszközöknél ezek cm nagyságrendűek is lehetnek. Aknamélységmérés elektrooptikai távmérővel. Ez a módszer akna mélységméréshez akkor alkalmazható, ha: a) megoldható a mérősugárnak az aknába vetítése függőlegesen a szükséges pontosággal, b) az aknában uralkodó légköri viszonyok (pára, csepegő víz) lehetővé teszi a kívánt pontosságú távolságmérést. 5-2

29 5. előadás: Magassági alapponthálózatok, magassági mérések földalatti térségekben A távolságmérő műszer elhelyezhető az akna felett külpontosan vagy központosan. A külpontos felállásnál a sugárirány az akna szájánál elhelyezett síktükörrel függőlegesíthető. 2. ábra 3. ábra A síktükör rögzíthető két műszerállványra elhelyezett tartószerkezeten, vagy az aknatoronyra szerelt padozaton. A műszer külpontos elrendezése ugyan egyszerűbb megoldás, de az észlelési körülmények kevésbé biztonságosak. A központos felállásnak egyénként előfeltétele a távmérőműszernek olyan szerkezeti megoldása, hogy a függőleges sugárirányt a műszer 5-3