Ảnh hưởng của chiết quang đối với độ chính xác kết quả đo laser trong mỏ hầm lò

Nội dung text: Ảnh hưởng của chiết quang đối với độ chính xác kết quả đo laser trong mỏ hầm lò

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 39, 7/2012, (Chuyªn ®Ò Tr¾c ®Þa má), tr.76-79 THÔNG TIN KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA CHIẾT QUANG ĐỐI VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ ĐO LASER TRONG MỎ HẦM LÒ VÕ NGỌC DŨNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Thiết bị laser ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nội dung công tác trắc địa mỏ hầm lò. Điều kiện môi trường trong hầm lò biến động phức tạp, bao gồm sự khác biệt về mật độ không khí, sự nhiễu động không khí, bụi và độ ẩm. Các thành phần đó là nguyên nhân gây ra hiện tượng chiết quang trong mỏ hầm lò làm giảm độ chính xác các phép đo đạc bằng các thiết bị laser. Bài báo trình bày nội dung nghiên cứu về ảnh hưởng của chiết quang hầm lò đối với kết quả đo đạc bằng thiết bị laser. 1. Mở đầu hậu đặc biệt, bao gồm tốc độ chuyển động dòng Trong những năm gần đây, cùng với sự không khí lớn, mật độ các lớp không khí biến phát triển không ngừng của các thiết bị trắc địa, đổi, sự nhiễu động không khí cục bộ, gradient kỹ thuật laser đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiệt độ biến đổi, tộ ẩm lớn. công tác trắc địa nói chung và trắc địa mỏ nói Những điều kiện môi trường vi khí hậu trên riêng. Việc ứng dụng công nghệ laser vào các đây gây ảnh hưởng không nhỏ đến các kết quả nội dung công tác trắc địa mỏ hầm lò là hết sức đo đạc trong hầm lò, mà chiết quang là một cần thiết, góp phần nâng cao độ chính xác đảm trong tác nhân có ảnh hưởng đáng kể nhất. bảo các yêu cầu kỹ thuật, thiết thực làm giảm 2. Bản chất các hiện tượng chiết quang trong thời gian, công sức và an toàn cho người lao mỏ hầm lò động. Với các tính chất như ánh sáng đơn sắc, Chiết quang trong hầm lò xẩy ra do hiện cường độ mạnh, độ hội tụ chùm tia lớn, khả tượng chuyển động gây rung của không khí và năng đo không gương các thiết bị laser trở sự khác nhau của mật độ các lớp không khí thành một trong những công cụ phù hợp và cho trong hầm lò. Do ảnh hưởng của chiết quang, hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cho công tác trắc tia ngắm đi lệch khỏi hướng thẳng chuẩn của nó địa mỏ hầm lò [1,2,3],. Hiện nay, các hãng chế và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác tạo máy toàn đạc điện tử như Leica, Topcon, các phép đo trong mỏ hầm lò. Tốc độ gió trong Trimble v.v đã sản xuất nhiều chủng loại máy hầm lò, mật độ, độ ẩm của không khí trong hầm toàn đạc điện tử có chế độ đo không gương như lò là các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng GPT 7500 của Topcon; các máy do Leica sản chiết quang. xuất như; TC(R)-303, TC (R)-705, các dòng Flexline Ultra như TS-02, TS-06, TS-09 v.v . Tia laser khi đi qua môi trường không khí Máy toàn đạc điện tử laser đã phát huy cao các trong hầm lò sẽ bị khúc xạ và một số tác động tính năng kỹ thuật trong mỏ hầm lò, đặc biệt là khác làm ảnh hưởng tới độ chính xác các kết khả năng đo không gương. Tuy nhiên, để triển quả đo đạc. Ngoài chiết quang, chùm tia laser khai ứng dụng rộng rãi và khảo sát độ chính xác còn bị tác động của hiện tượng phản xạ, tán xạ của các phép đo laser cần nghiên cứu các điều và hấp thụ. Quan hệ trên đây có thể biểu diễn kiện ngoại cảnh trong hầm lò làm ảnh hưởng dưới dạng [4]: đến kết quả các phép đo. (λ)= px+ kx(λ)= px+ tx(λ)+ ht(λ)+ lh(λ), (1) So với công tác trắc địa trên mặt đất, các trong đó: nội dung công tác trắc địa mỏ hầm lò phải thực φ (λ) - tia tới trên ranh giới của 2 lớp không hiện dưới mặt đất, trong các điều kiện vi khí khí; 79
2. φpx - chùm tia phản xạ trên ranh giới của - Tán xạ hình học (geometrical): xảy ra với 2 lớp không khí; các phân tử có kích thước khá lớn so với chiều dài của bước sóng laser.  - chùm tia khúc xạ trên ranh giới kx Sự hấp thụ năng lượng của chùm tia laser của 2 lớp không khí; phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và mật φtx(λ) - chùm tia tán xạ; độ không khí. Các đại lượng này thường thay φ (λ) - chùm tia hấp thụ; đổi theo không gian, thời gian. Chỉ số biến đổi ht của các đại lượng này cho phép xác định độ lh  - chùm tia lệch hướng. chính xác các đại lượng hấp thụ của chùm tia Từ công thức (1) trên đây có thể thấy rằng laser. Ngoài tán xạ và hấp thụ thường xảy ra chùm tia laser khúc xạ trên ranh giới của 2 lớp trong môi trường không đồng nhất, chùm tia không khí có thể biểu diễn dưới dạng tổng của laser khi đi qua không khí còn bị ảnh hưởng của chùm tia tán xạ, chùm tia hấp thụ và chùm tia các hiện tượng cuộn xoáy nhiễu động không khí lệch hướng, có nghĩa là: làm ảnh hưởng rất lớn đến các kết quả đo. Hiện tượng nhiễu động của không khí xẩy ra do sự φ (λ) = φ (λ) + φ (λ) +  . (2) kx tx ht lh chuyển động theo các hướng ngẫu nhiên và vận Chia 2 vế của công thức (1) cho giá trị của φ tốc khác nhau của các phân tử khí. Trong khu (λ) ta nhận được công thức sau: vực cuộn xoáy, tại mọi điểm, tốc độ chuyển φpx φtx(λ) φht(λ)  động của không khí luôn luôn biến đổi. Ảnh 1 = + + + lh , (3) φ (λ) φ (λ) φ (λ)  hưởng của hiện tượng cuộn xoáy tác động khá lớn đối với chuyển động pha và biên độ dao φpx hệ số phản xạ của laser trên ranh động của chùm tia laze. Sự biến đổi biên độ và φ (λ) pha của chùm laser xẩy ra do sự biến đổi ngẫu giới 2 lớp không khí; nhiên của hướng và tốc độ chuyển đông các φ (λ) tx hệ số tán xạ của laser trong môi phân tử khí. Một cách khái quát, có thể mô tả φ (λ) ảnh hưởng của hiện tượng cuộn xoáy nhiễu trường không khí; động không khí như sau: φ (λ) ht hệ số hấp thụ của laser trong môi 1. Sự biến đổi hướng của chùm tia φ (λ) a) Sự biến đổi hướng của chùm tia gây ra do trường không khí; nhiễu động động lực (dynamic turbulence). Sự φ (λ) mt hệ số truyền qua của môi trường nhiễu động này tồn tại trong các đường lò φ (λ) không phụ thuộc vào nhiệt độ không khí. không khí b) Sự biến đổi hướng chùm tia gây ra do sự Từ đây ta có công thức: nhiễu động nhiệt, phụ thuộc vào sự biến đổi nhiệt độ các lớp không khí trong các đường lò. 1 = ρ(λ) + φtx(λ) + φht(λ) + τ(λ). (4) Sự tán xạ của ánh sáng laser trong môi 2. Sự biến đổi góc hội tụ của chùm tia laser trường không khí xẩy ra do tính không đồng Do ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu động nhất của các phân tử không khí. Phụ thuộc vào không khí hầm lò, vết laser sẽ bị thay đổi. kích thước của các phân tử khí và chiều dài của Đường kính của nỏ lớn hơn đối với vệt laser bước sóng mà người ta phân ra thành các tán cùng khoảng cách khi đo trong phòng thí xạ sau đây: nghiệm không có ảnh hưởng nhiễu động. - Tán xạ phân tử (molecular) : xảy ra ở các 3. Dưới tác động của nhiễu động không khí, vệt môi trường phân tử khí có khích thước nhỏ so laser bị rung và dao động làm cho tâm vệt laser với chiều dài của bước sóng laser. có thể biến đổi. - Tán xạ nhiễu xạ (diffraction): xảy ra do Do sự không đồng nhất của không khí, hệ các phân từ có kích thước khác nhau so với độ số chiết quang trong quãng đường từ bộ phận dài của bước sóng laser. phát đến mục tiêu và từ mục tiêu đến bộ phận 79
3. thu cũng khác nhau. Hiệu ứng nhiễu động của với tốc độ gió, tốc độ chuyển động của không không khí có thể xác định được thông qua quan khí. Sư nhiễu động cục bộ trong các đoạn hệ giữa đường kính của chùm tia laser dB và đường lò, kể cả nhiễu động động lực và nhiễu đường kính của khối không khí không đồng động nhiệt đều làm lệch hướng chùm tia. Kết nhất l. quả thực nghiệm đã cho thấy rằng, do sự đa dB dạng của các điều kiện không khí trong hầm lò, Nếu: 1- Vệt tia laser thường dao động chùm tia. Sự suy giảm khoảng cách và công l suất laser làm ảnh hưởng đáng kể đến chất mạnh và không ổn định trong quá trình đo lượng và hiệu quả các kết quả đo đạc trong hầm Sự lệch chùm tia laser của nó trong không lò. Trong nhiều trường hợp, do vệt laser có khí có thể xảy ra ở 2 mặt phẳng thẳng đứng và cường độ yếu, nên phải giảm khoảng cách đo nằm ngang. Vì vậy, chiết quang chùm tia laser bằng cách tăng số lượng trạm đo, điều đó làm có thể phân thành chiết quang đứng và chiết tăng thời gian và công sức đối với các nội dung quang ngang. Cơ sở để xác định hệ số chiết công tác trắc địa. Trong các môi trường không quang là xử lý các trị đo trong các điều kiện khí có hàm lượng bụi lớn và độ ẩm cao như khác nhau mà mục đích chính là xác định hệ số trong các mỏ hầm lò Việt Nam, quá trình hấp khúc xạ của môi trường không khí hầm lò, và từ thụ và tán xạ tia laser được thể hiện rất rõ. So đó xác định được đường cong của tia ngắm với điều kiện trên mặt đất, để đảm bảo độ chính trong môi trường thực địa. Từ các phân tích trên xác, khi đo đạc trong hầm lò, khoảng cách số đây, có thể thấy rằng mật độ và đặc tính của các lượng cạnh đo thường phải tăng gấp đôi. Sự lớp không khí mà chùm tia laser đi qua rất phức giới hạn của khoảng cách gây ra do độ ẩm của tạp. Nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố theo không khí có thể được biểu thị thông qua hệ số không gian và thời gian, vì vậy, việc xác định hấp thụ hơi nước bằng công thức sau đây [4] : các hệ số chiết quang và các thông số để mô tả α H2O= K(λ) × V , (5) quỹ đạo chùm tia laser trong không khí đối p với các phép đo trắc đia là hết sức cần thiết. trong đó: 3. Ảnh hưởng của chiết quang đối với các kết K(λ) - hệ số phụ thuộc vào chiều dài bước quả đo trắc địa sóng laser. Ví dụ với λ=0,6328 thì K(λ) = 0.01 Trong các nguồn sai số ngoại cảnh ảnh V - hàm lượng hơi nước. hưởng đến độ chính xác đo đạc bằng các thiết bị Cũng như bụi, độ ẩm hạn chế khá lớn laser trong mỏ hầm lò thì chiết quang có ảnh khoảng cách của chùm tia laser, đặc biệt trong hưởng lớn nhất, trong đó sự nhiễu động không mỏ hầm lò. Trong điều kiện bình thường, chiết khí đóng vai trò quan trọng. Khi đi qua các môi quang đứng thường được thể hiện là một đường trường không khí khác nhau chùm tia laser cong lồi lên phía trên bởi vì các tầng trên của không giữ được độ ổn định bền vững, cường độ không khí thường có mật độ nhỏ hơn các lớp của chùm tia bị suy giảm. Các hiện tượng dao không khí phía dưới. Điều này được thể hiện động chùm tia, làm mờ vết laser trên mục tiêu. qua công thức (6): Vệt laser cũng bị yếu dần cùng với sự tăng dần n1.sinα1=n2.sinα2 . (6) về khoảng cách đo. Ảnh hưởng này tỷ lệ thuận 79
4. Độ nâng cao của tia laser Ranh giới các lớp không khí có mật độ khác nhau Mặt đất Hình 1. Tia laser lệch theo hướng cong lên phía trên Tia laser Bề mặt bị đót nóng Hình 2. Tia laser lệch theo hướng lõm xuống phía dưới Tuy vậy, cũng có những trường hợp đường 4. Kết luận cong lại lõm phía dưới. Người ta thường coi 1.Trong các hầm lò Việt Nam, điều kiện vi đây là tính dị thường của hiện tượng chiết khí hậu như độ ẩm, nhiệt độ và các hoạt động quang, thường chỉ xẩy ra trong các trường hợp nhiễu động của không khí rất phức tạp. Các yếu chiết quang trên mặt đất. Trong những ngày bức tố này biến động theo thời gian và không gian xạ mặt trời lớn, chiếu sáng mạnh xẩy ra ở sa và là nguyên nhân gây ra hiện tượng chiết mạc, nền bê tông, vì lúc đó các lớp không khí quang của chùm tia laser. sát bề mặt bị hâm nóng và mật độ không khí 2. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, ảnh loãng hơn (hình 2). hưởng của chiết quang càng lớn khi sự nhiễu Nhiệt độ của không khí trong hầm lò là tác động không khí càng lớn. Sự nhiễu động của nhân làm gia tăng ảnh hưởng của chiết không khí lớn tập trung ớ các hầm lò có dòng khí quang.Tùy thuộc vào điều kiện thông gió và độ mạnh, độ ẩm cao và gradient nhiệt độ biến đổi. sâu khai thác, đặc tính cơ lý đất đá trong hầm lò 3. Ảnh hưởng của chiết quang tỷ lệ thuận mà gradient nhiệt độ cũng biến đổi theo không với độ sâu khai thác. Ở độ sâu 500m, gradient gian và thời gian. Chiều sâu khai thác càng lớn, nhiệt độ có thể đạt tới 50C/m. Chùm tia laser có gradient nhiệt độ càng lớn, ảnh hưởng của sai thể lệch khỏi vị trí chuẩn hàng chục mi-li-mét số chiết quang, vì thế cũng lớn hơn. và làm lệch hướng một góc khoảng vài phút. (xem tiếp trang 83) 79
5. coalfield, Advances in Mining and Tunneling, Với các thiết bị laser hiện đại, độ chính xác Publishing House for Science and Technology, đo các đại lượng trong hầm lò được nâng lên Ha Noi. đáng kể, giảm nhiều công sức, thời gian và an [2]. Võ Chí Mỹ, 2005. Nghiên cứu khả năng toàn lao động. Tuy vậy, điều kiện môi trường ứng dụng thiết bị laser trong các mỏ hầm lò, đo trong hầm lò lại rất phức tạp, ảnh hưởng của Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước Mã số: chiết quang là rất đáng kể và không thể tránh HTNC-01, Hà Nội. khỏi, lại biến động theo không gian và thời [3]. Võ Chí Mỹ, 2009. Hiệu quả ứng dụng kỹ gian. Cần nghiên cứu xác định các hệ số chiết thuật laser trong xây dựng và khai thác mỏ, Báo quang và quy luật ảnh hưởng của chúng đối với cáo Hội nghị khoa học “Laser và Môi trường”, các kết quả đo đạc trong hầm lò. Hà Nội. [4]. Weglowski-Krol M., 2008. Influence of TÀI LIỆU THAM KHẢO refraction on the laser sight line. Master [1]. Bui Thanh Lan, Vo Chi My, Chu Dinh dissertation, University of Science and Thuy, 2008. Application of laser instrument in Technology, Cracow, Poland. underground mine surveying of Quangninh SUMMARY Influence of vertical refraction on the precission of laser measurement in underground mines Vo Ngoc Dung, University of Mining and Geology Abstract. When laser beam passes from a medium of one density into a medium of a different density, the rays change in direction (bend). The change in direction is called refraction. Since sight lines are light rays, they are refracted, or bent, by changes in the underground mining atmosphere, causing errors in angular, distance and elevation measurement. The influence of vertical refraction on the precission of laser measurement in underground mines is discussed. 79