Index of /rozprawy2/10339

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE. WYDZIAŁ GEODEZJI GÓRNICZEJ I INŻYNIERII ŚRODOWISKA KATEDRA OCHRONY TERENÓW GÓRNICZYCH, GEOINFORMATYKI I GEODEZJI GÓRNICZEJ. ROZPRAWA DOKTORSKA. OCENA WPŁYWÓW EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ NA POWIERZCHNIĘ I OBIEKTY BUDOWLANE NA PODSTAWIE CIĄGŁEGO MONITORINGU PRZEMIESZCZEŃ POZIOMYCH. PAWEŁ ĆWIĄKAŁA. PROMOTOR dr hab. inż. Jadwiga Maciaszek. Kraków 2011.

(2) Serdecznie dziękuję Promotorowi oraz wszystkim Współpracownikom za wszechstronną pomoc w realizacji niniejszej pracy.

(3) Spis treści 1. Wstęp ........................................................................................................................ 3 2. Przegląd dotychczasowych metod obserwacji powierzchni terenu oraz badań dotyczących prędkości ujawniania się wpływów eksploatacji na powierzchnię .............. 5 2.1. Klasyczne pomiary geodezyjne ........................................................................... 5 2.2. Przegląd badań dotyczących prędkości ujawniania się wpływów eksploatacji na powierzchnię ......................................................................................................... 6 3. Koncepcja systemów do ciągłych pomiarów deformacji terenu, obszar badań ......... 11 3.1. Zyski i zalety wynikające z ciągłego monitoringu terenu................................... 11 3.2. Koncepcja systemów do ciągłych pomiarów deformacji terenu ......................... 11 3.3. Obszar badań .................................................................................................... 13 3.3.1. Rys historyczny ZG „Piekary” ................................................................ 13 3.3.2. Planowana i zrealizowana eksploatacja w rejonie badań .......................... 14 4. Omówienie zasady działania systemów pomiarowych zainstalowanych na poszczególnych obiektach wraz z wdrożonymi schematami pomiarowymi i testami pozwalającymi na określenie ich dokładności................................................ 20 4.1. Systemy do pomiaru względnych zmian odległości pomiędzy punktami działające w oparciu o czujniki opornościowe .......................................................... 20 4.1.1. Zasada działania pojedynczego elementu systemu ................................... 20 4.1.2. Opis czujników opornościowych TELPOD ............................................. 21 4.1.3. Wdrożenia terenowe systemu .................................................................. 23 4.1.3.1. Zespół czujników na budynku dawnej dyrekcji KWK „Andaluzja” 23 4.1.3.2. Zespół czujników przy budynku dawnego laboratorium KWK „Andaluzja” ............................................................................................ 24 4.1.3.3. Pomiary GPS w nawiązaniu do sieci ASG-EUPOS ..................... 25 4.1.4. Kalibracja czujników opornościowych wraz z analizą statystyczną dokładności pomiaru przemieszczeń ................................................................. 26 4.2. Systemy oparte o detekcję wiązki laserowej ...................................................... 37 4.2.1. Zasada działania systemu ........................................................................ 37 4.2.2. System zamontowany na wieży szybu ”Sienkiewicz” .............................. 38 4.2.3. Test porównawczy systemu laserowego z interferometrem radarowym IBIS-S ..................................................................................................... 39 4.2.3.1. Przedmiot pomiaru ...................................................................... 39 4.2.3.2. Koncepcja pomiaru ..................................................................... 41. -1-.

(4) 4.2.3.3. Opis systemu pomiarowego IBIS-S............................................. 42 4.2.3.4. Opis pomiaru .............................................................................. 43 4.2.3.5. Omówienie uzyskanych wyników............................................... 46 4.2.3.6. Analiza statystyczna pozyskanych wyników ............................... 47 4.3. Systemy oparte na suwmiarkach elektronicznych .............................................. 51 4.3.1. Charakterystyka systemu pomiarowego – budowa mobilnej rozety.......... 51 4.3.2. Badania laboratoryjne ............................................................................. 52 4.3.2.1. Stanowisko do wyznaczania współczynnika liniowej rozszerzalności termicznej(WLRT) ......................................................... 53 4.3.2.2. Wyznaczenie WLRT rozety aluminiowej w Geodezyjnym Laboratorium Metrologicznym AGH w Krakowie................................... 54 4.3.3. Badania terenowe .................................................................................... 56 4.3.3.1. Doświadczalne pole testowe ....................................................... 56 4.3.3.2. Wyniki pomiarów terenowych .................................................... 57 4.3.3.3. Podsumowanie badań testowych ................................................. 58 5. Wyniki badań terenowych ....................................................................................... 59 5.1. Wyniki pomiarów odkształceń poziomych z zespołu czujników opornościowych na budynku dawnej dyrekcji KWK „Andaluzja” – punkt B.......................................... 59 5.1.1. Wstępna analiza materiału pomiarowego................................................. 59 5.1.2. Analiza materiału pomiarowego w cyklach tygodniowych i dobowych. .. 63 5.2. Wyniki pomiarów odkształceń poziomych i przemieszczeń punktów z zespołu czujników opornościowych i pomiarów GPS na budynku dawnego laboratorium KWK „Andaluzja” – punkt C.............................................................................. 75 5.2.1. Wstępna analiza materiału pomiarowego ................................................. 75 5.2.2. Analiza materiału pomiarowego w cyklach tygodniowych i dobowych ... 76 5.2.3. Wyniki pomiarów GPS w aspekcie pomiarów odkształceń poziomych .... 80 5.3. Wyniki pomiarów zmian wychylenia systemem zamontowanym na wieży szybu ”Sienkiewicz” – punkt A .................................................................................... 86 5.3.1. Wstępna analiza materiału pomiarowego................................................. 86 5.3.2. Analiza materiału pomiarowego w cyklach tygodniowych i dobowych ... 90 5.4. Wyniki pomiarów odkształceń poziomych mobilną rozetą pomiarową .............. 97 5.5. Porównanie pomierzonych i prognozowanych wartości deformacji ................. 103 6. Podsumowanie i wnioski ....................................................................................... 109 Literatura................................................................................................................... 112 Spis załączników ....................................................................................................... 117. -2-.

(5) 1. Wstęp. Przechodzący front podziemnej eksploatacji górniczej powoduje szereg efektów na powierzchni górotworu. Efektami tymi są przede wszystkim zmiany geometryczne terenu, które ogólnie nazywamy deformacjami. Deformacje górnicze wywołują zmiany w otaczającym środowisku, a często również uszkodzenia w infrastrukturze technicznej i budynkach. Pomiar i opis powstających deformacji jest ważnym elementem oceny bezpieczeństwa obiektów znajdujących się na powierzchni terenu. W wielu przypadkach tego typu pomiary mogą pozwolić na wykrywanie groźnych ruchów górotworu, co w efekcie da szanse na zapobieganie katastrofom budowlanym. Warto podkreślić, iż odkształcenia poziome i przemieszczenia terenu górniczego są jednym z głównych wskaźników deformacji charakteryzujących wpływ eksploatacji górniczej na powierzchnię i obiekty budowlane (Knothe 1984). Problem ciągłego pomiaru odkształceń i interpretacji otrzymanych wyników jest wciąż badany. Pomiary deformacji prowadzi się najczęściej metodami geodezyjnymi. Podstawowym celem takich metod jest uzyskanie informacji o zakresie i wielkości ruchów punktów zastabilizowanych w gruncie i na obiektach budowlanych oraz ustalenie rzeczywistych wartości wskaźników deformacji terenu i kinematyki ich zmian. Pomiary tego typu nie dają jednak pełnego obrazu zmian zachodzących w terenie. Szybki rozwój nowoczesnych technologii pomiarowych pozwala na zmniejszenie interwałów pomiędzy kolejnymi epokami pomiarowymi, a zatem na uzyskanie dotychczas nieosiągalnych informacji. Celem niniejszej pracy było przeprowadzenie szeregu badań dążących do wdrożenia innowacyjnych systemów pomiarowych na obiekcie terenowym. W pracy przedstawiono opis działania systemów pomiarowych służących do ciągłego monitoringu deformacji powierzchni i budynków nad postępującą eksploatacją górniczą. Zakres niniejszego opracowania obejmuje prace nad koncepcją urządzeń, ich montażem, obsługą podczas pracy oraz obróbką danych pomiarowych. Omówione zostały następujące urządzenia: stacjonarne i mobilne systemy do pomiaru odkształceń poziomych oraz system detekcji wiązki laserowej. W jednym przypadku system do pomiaru odkształceń poziomych zintegrowano z pomiarami GPS. Przeprowadzono także testy mające na celu ustalenie dokładności systemów pomiarowych. Testowaniu poddano te elementy systemów, które zdaniem autora miały największy wpływ na dokładność pomiaru. -3-.

(6) Badania przydatności poszczególnych systemów pomiarowych w zależności od potrzeb prowadzono w warunkach laboratoryjnych i/lub terenowych. Obiektem testowym był teren ZG „Piekary”, rejon „Brzeziny” (obszar likwidowanego filara ochronnego dawnej KWK „Andaluzja”). Teren, na którym przeprowadzono badania, poddany jest eksploatacji zawałowej prowadzonej w 3 pokładach. Eksploatacja przebiegała w różnych kierunkach, ze zróżnicowaną prędkością. W omawianej pracy monitoring odkształceń i przemieszczeń poziomych był prowadzony z różną częstotliwością wahającą się w granicach od 12,5 Hz do 0,003 Hz. Biorąc pod uwagę możliwości ciągłego monitoringu przemieszczeń, w pracy postawiono nacisk na analizy danych pod względem wyznaczenia okresów o szybszych i wolniejszych przyrostach deformacji oraz na porównanie wyników z informacjami na temat postępów robót górniczych. Dodatkowo zestawiono wyniki prognoz deformacji z materiałem pomiarowym. Opracowanie. wyników. pomiarów. przeprowadzono. z. wykorzystaniem. następującego oprogramowania: arkusz kalkulacyjny Excel, pakiet geodezyjny Trimble Business. Center,. GEONET,. AutoCAD,. pakiet. statystyczny. R,. program. do prognozowania deformacji MODEZ oraz szereg aplikacji do obróbki danych pomiarowych. Pracę przygotowano w edytorze tekstów Word. Zawarte w pracy badania i analizy ich wyników zmierzają do uzasadnienia niniejszej tezy: Ciągły monitoring przemieszczeń pozwala na wykrywanie kinematycznych deformacji powierzchni górotworu i budynków oraz zależności zachodzących pomiędzy nimi.. -4-.

(7) 2. Przegląd dotychczasowych metod obserwacji powierzchni terenu oraz badań dotyczących prędkości ujawniania się wpływów eksploatacji na powierzchnię. 2.1. Klasyczne pomiary geodezyjne. Geodezyjne pomiary deformacji terenu i informacje pozyskane w ich wyniku stanowią ważny element w określaniu wpływów eksploatacji podziemnej. Biorąc pod uwagę ich charakter, możliwości pomiarowe i sprzętowe (Góral, Szewczyk 2004; Pielok 2002; Pielok 2005; Skulich, Pielok, Jura 2003; Szafarczyk 2008) wyróżniamy następujące typy pomiarów powierzchni terenu: . pomiary obniżeń na liniach obserwacyjnych,. . pomiary poziomych przemieszczeń punktów,. . pomiary odkształceń względnych, w rozetach geodezyjnych,. . pomiary deformacji wybranych obiektów:  pomiary wychyleń obiektów wysokich;  pomiary osiowości urządzeń technologicznych;  pomiary nachyleń i wyboczeń torów kolejowych;  pomiary zmian szerokości szczelin dylatacyjnych. Poniżej omówiono pokrótce metody pomiarowe stosowane do każdego rodzaju. prac wraz z możliwymi do uzyskania dokładnościami wyznaczenia przemieszczeń. Warto zwrócić uwagę na fakt, że sprzęt używany do wszystkich typów pomiarów ulegał na przestrzeni lat znacznym modyfikacjom. Obecnie większość pomiarów deformacji przeprowadza się przy użyciu sprzętu elektronicznego. Pierwszy z omawianych typów pomiarów – pomiary obniżeń na liniach obserwacyjnych – należy do najstarszych sposobów określania deformacji powierzchni terenu. Aktualnie do tego typu pomiarów stosowane są klasyczne pomiary niwelacyjne (niwelacja precyzyjna i techniczna) oraz pomiary trygonometryczne. Dobór metody i sprzętu dyktowany jest oczekiwaną dokładnością wyznaczenia współrzędnych wysokościowych oraz spodziewanymi obniżeniami. W przypadku pomiarów techniką niwelacji precyzyjnej należy spodziewać się wyników ze średnimi błędami wysokości nie. przekraczającymi. ±1 mm.. Użycie. niwelacji. technicznej. lub. pomiarów. trygonometrycznych pozwala na uzyskanie średnich błędów wyznaczenia wysokości rzędu ±5÷10 mm.. -5-.

(8) Pomiary poziomych przemieszczeń punktów i pomiary odkształceń względnych (drugi i trzeci rodzaj wymienionych pomiarów) wykonywane są przy pomocy pomiarów tachimetrycznych lub satelitarnych. Często w tego typu pomiarach łączy się wspomniane metody w celu optymalizacji czasu pracy oraz uzyskania wysokich dokładności wyników pomiarów terenowych. Zastosowanie w pomiarach tachymetrów precyzyjnych i statycznych pomiarów GPS pozwala na uzyskanie średnich błędów wyznaczenia współrzędnych na poziomie ±3 mm (Góral, Szewczyk 2004; Pielok 2002). W. przypadku. wyznaczania. poziomych. odkształceń. odcinków. (w. liniach. obserwacyjnych lub w rozetach pomiarowych) uzyskiwane średnie błędy długości są mniejsze od ±1 mm (Szafarczyk 2008). Warto także zwrócić uwagę na próby zastosowania technologii RTK GPS do tego typu pomiarów. Badania takie prowadzone są w projekcie badawczym „Przestrzenny opis pogórniczych zmian powierzchni terenu w. aspekcie. zagrożenia. obiektów. powierzchniowych”. pod. kierownictwem. dr inż. Tomasza Stocha. W przypadku pomiarów RTK GPS z wykorzystaniem własnej stacji bazowej błędy wyznaczenia współrzędnych płaskich wynoszą około ±10 mm, a współrzędnych wysokościowych – około ±15 mm, natomiast przy użyciu serwisów czasu rzeczywistego sieci ASG-EUPOS gwarantowana dokładność wyznaczenia współrzędnych poziomych wynosi około ±30 mm, a pionowych – około ±50 mm (ASG 2010).. 2.2. Przegląd badań dotyczących prędkości ujawniania się wpływów eksploatacji na powierzchnię. Rozwój technologii i metod wydobycia surowców podziemnych wpłynął na przyśpieszenie prac wydobywczych w górnictwie podziemnym. Szybki postęp frontów ścianowych generuje większe, w porównaniu z wolniejszym postępem robót, wielkości wpływów eksploatacji na powierzchnię i górotwór, co w połączeniu z wydobyciem złóż położonych pod terenami zurbanizowanymi powoduje większe deformacje infrastruktury naziemnej. Pojawiła się zatem potrzeba określenia, jak szybki postęp. robót. górniczych. wpływa. na. deformacje. powierzchni.. Badania. nad tym zagadnieniem prowadzone były w zakresie teoretycznym i praktycznym, z zastosowaniem pomiarów geodezyjnych i tensometrycznych przez różne ośrodki badawcze.. -6-.

(9) Prace teoretyczne w tym zakresie prowadzi m.in. Grzegorz Smolnik z Politechniki Śląskiej (Smolnik 2005). Obejmują one zastosowanie modelowania numerycznego w celu wyznaczenia prędkości przemieszczania się górotworu i powierzchni pod wpływem eksploatacji górniczej. Zastosowanie metody elementów odrębnych UDEC oraz oprogramowania do jej stosowania pozwoliło na uzyskanie zaskakujących wyników. Autor podaje, że „symulowany proces osiadania wywołał bardzo niewielkie przemieszczenia punktów w kierunku pionowym, rzędu 0,025 mm” (Smolnik 2005). Dodatkowo autor wskazuje, że „od czasu przemieszczenia elementów symulujących sekcje obudowy zmechanizowanej do wystąpienia ruchu bloków skalnych na powierzchni upływa około ¼ sekundy, a ruch monitorowanych punktów trwa co najwyżej 1 sekundę, przy czym osiadania już się nie zwiększają”. Przykład osiadań otrzymanych z modelu przedstawiono na rysunku 2.1 (Smolnik 2005). Weryfikacja tych wyników pomiarami geodezyjnymi lub tensometrycznymi jest praktycznie niemożliwa.. Przemieszczenia w kierunku pionowym, y [mm]. Czas [s] -1000,266 3599,8. 3600,0. 3600,2. 3600,4. 3600,6. 3600,8. 3601,0. -1000,268 -1000,270 -1000,272 -1000,274 -1000,276 -1000,278 -1000,280 -1000,282 -1000,284 -1000,286. Rys.2.1 Przemieszczenia pionowe punktu w czasie (Smolnik 2005). Badania prowadzone w ciągu ostatnich 15 lat przez różne zespoły badawcze prowadzą do uznania, że skutki eksploatacji górniczej po fazie początkowej ujawniają się bardzo szybko (Sroka 1999, Rogowska 2004, Zych 2001). W szczególności zatrzymanie eksploatacji ma największy wpływ na zmiany prędkości przemieszczeń górotworu i powierzchni. Szeroko zakrojone badania w tym zakresie opisane są w monografii pod redakcją Jadwigi Rogowskiej (Rogowska 2004). Z zawartych w niej wyników. -7-.

(10) badań modelowych, geodezyjnych i tensometrycznych jednoznacznie wynika, że wpływ zatrzymań eksploatacji ujawnia się na powierzchni w czasie 1-2 dób. Najszybciej ujawnia się on w zmianach obniżeń, wolniej w zmianach odkształceń poziomych.. Częstotliwość. wykonywania. pomiarów. geodezyjnych. dla przeanalizowanych wyżej przykładów wynosiła: dla obniżeń – raz na dobę, dla odkształceń poziomych – co trzy godziny. Prace badawcze prowadzone przez Józefa Dudę z Zakładu Fizyki Ziemi (Uniwersytet Śląski) pozwalają na wskazanie okresów o wzmożonej i osłabionej intensywności przemieszczeń (Duda 2010). Pomiary prowadzone były przy użyciu statycznej. technologii. GPS.. Częstotliwość. pomiarów. nie. pozwoliła. jednak. na wychwycenie dokładnych momentów zatrzymań i rozruchów ścian. W pracach wykonywanych pod kierownictwem Mieczysława Jóźwika (Jóźwik 2010) pogłębiono badania Rogowskiej. Na rysunkach 2.2 i 2.3 (zaczerpniętych z. wymienionej. wcześniej. monografii),. przedstawiono. wyniki. obrazujące. przemieszczenia pionowe i zmiany prędkości obniżeń w czasie, które dokumentują przedstawiony w niej wniosek (dotyczący czasu ujawniania się wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię). Rysunki te uzupełniono wykresami przyspieszeń odkształceń poziomych i przyspieszeń obniżeń, ilustrujących dynamikę zmian tych wskaźników. Wykresy te wykonano z zastosowaniem ujęcia, w którym przyspieszenia obliczono ze wzoru: aw . v w t. i. a . v  t. (2.1). gdzie: a w - przyspieszenie obniżeń, a - przyspieszenie odkształceń poziomych, v w - zmiana prędkości obniżeń w czasie t , v  - zmiana prędkości odkształceń w czasie t .. Wykresy przyśpieszeń wykonane na bazie wyników z monografii (Rogowska 2004) mają postać poziomych linii o długości, odpowiadającej czasowi t zmian prędkości obniżeń i odkształceń poziomych. W rozumowaniu tym przyspieszenia hamujące mają wartości dodatnie, a zatem zmniejszają przyrost prędkości. Z analizy wykresów przyspieszeń obniżeń wynika, że bardziej niebezpieczny jest okres rozpoczynania. -8-.

(11) eksploatacji po przestoju, niż okres zatrzymania eksploatacji. Z wykresu przyspieszeń odkształceń poziomych można odczytać, że dynamika oddziaływania tego wskaźnika jest podobna w obu fazach przerw eksploatacyjnych (zatrzymania i rozruchu ściany). Przedstawione ujęcie pozwala na rozszerzenie opracowywania wyników geodezyjnych pomiarów kinematycznych, ilustrujących dodatkowo dynamikę zachodzących zmian.. śr wt pon niedz so pt czw śr wt pon niedz so pt czw śr wt pon niedz so pt czw śr wt pon niedz so pt czw śr wt pon niedz so pt czw śr wt pon niedz so pt czw śr. Postęp frontu eksploatacji [m/doba]. 10. 10. 8. 8. 6. 6 Przerwa testowa (3 dni). 4 2. 4 2 0. 0. 0,005. 10. 0,010. 5. 0,015. 0. 27.06.2001 Front ściany pod punktem. 0,020. 0,025. 0,030. -5. -10. Hipotetyczny przebieg prędkości obniżeń punktu dla ciągłej i równomiernej eksploatacji Dni liczone od początku roku (1.01.2001). 215. 210. 205. 200. 195. 190. 185. 180. 175. Oś czasu [dni]. Wartość przyrostu obniżenia [m]. Wartość przyśpieszania osiadań [mm/doba]. Rys. 2.2 Dobowe przyrosty prędkości i przyśpieszeń osiadań punktów (linia ciągła - przyrosty prędkości, linia przerywana przyśpieszenia prędkości). Sformułowany nowy wniosek z wykonanej analizy dynamicznej obniżeń zgadza się z wynikami analiz przeprowadzonych przez Srokę, które wykazały, że największa liczba szkód górniczych przypada na pierwsze dwa dni od rozpoczęcia eksploatacji, co zazwyczaj pokrywało się z pierwszymi dniami tygodnia (Sroka 1999). Warto także zaznaczyć wnioski wynikające z prac Andrzeja Kowalskiego (Kowalski 2007), który stwierdził, że prowadzenie eksploatacji z przerwami, jak potwierdzają to wyniki pomiarów wskaźników deformacji i prędkości ich narastania, powoduje narastanie deformacji skokowo i w stosunkowo krótkim czasie po jej dokonaniu. Trzeba dodać, że jest to nowa jakość deformowania się powierzchni dla współczesnych eksploatacji frontem ścianowym. Problem wpływu dużych prędkości eksploatacji na uszkodzenia. -9-.

(12) zabudowy powierzchni, a zwłaszcza przerw w jej prowadzeniu, jest przedmiotem. 8.08. 10. 10.08. 6.08. 4.08. 2.08. 31.07. 29.07. 27.07. 25.07. 23.07. 21.07. 19.07. 15.07. 17.07. 13.07. 11.07. 9.07. 7.07. 5.07. 3.07. 1.07. 29.06. Postęp frontu [m/dobę]. 27.06. badań.. data. 8 6 4 2 0. 182. 189. 196. 203. 210. 217. 0,0. -0,2. Dobowy przyrost odkształcenia *10. -0,4. -0,6 +0,02. Front pod punktem. -0,8. -1,0. -1,2. -1,4. 0,00. odkształcenie. -0,04. Postęp frontu [m/dobę] 10. śr czw pt so niedz pon wt śr czw pt so niedz pon wt śr czw pt so niedz pon wt śr czw pt so niedz pon wt śr czw pt so niedz pon wt śr czw pt so niedz pon wt śr.  [ ‰]. 8 6 Przerwa testowa (3 dni). 4 2 0. 0,005. 10. 0,015. 5. 0,020. 0. Front pod punktem. 0,010. 0,025. 0,030 Wartość przyrostu obniżenia [m]. 182. 189. -5. Dni liczone od początku roku (1.01.2001). 196. 203. Oś czasu [dni]. 210. -10. 217. Wartość przyśpieszania osiadań [mm/doba]. Rys. 2.3. Dobowe przyrosty prędkości i przyśpieszeń przemieszczeń poziomych i osiadań punktów (linia ciągła – przyrosty prędkości, linia przerywana przyśpieszenia prędkości). - 10 -.

(13) 3. Koncepcja systemów do ciągłych pomiarów deformacji terenu, obszar badań. 3.1. Zyski i zalety wynikające z ciągłego monitoringu terenu. W przypadku szybkiego postępu robót górniczych, rozdzielonego przerwami sobotnio-niedzielnymi oraz świątecznymi, klasyczne pomiary geodezyjne pozwalają na określenie wpływu eksploatacji górniczej w ograniczonym zakresie. Pomiary prowadzone przez zakłady górnicze zazwyczaj odbywają się w rzadkich horyzontach czasowych (co kilka miesięcy, a nawet lat). Nawet częstsze (dobowe) badania prowadzone przez ośrodki badawcze nie dają pełnego obrazu zachodzących na powierzchni górotworu zmian. Szybki rozwój nowoczesnych technologii pomiarowych pozwala na uzyskanie dotychczas nieosiągalnych informacji. W ramach realizacji projektów badawczych N520 006 31/1364 pt. „Geodezyjny monitoring przemieszczeń powierzchni nad krawędzią eksploatacji górniczej z zastosowaniem technik telemetrycznych” oraz 1589/B/T02/2010/38 pt. „Ocena wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnie i obiekty budowlane na podstawie ciągłego monitoringu przemieszczeń poziomych” zaprojektowano szereg systemów pozwalających na ciągłą obserwację obiektów podlegających wpływom eksploatacji górniczej (Ćwiąkała 2009; Ćwiąkała, Kuras, Szafarczyk 2010; Ćwiąkała, Skulich, Frukacz 2009; Jóźwik 2008; Jóźwik 2009; Jóźwik, Jaśkowski, Ćwiąkała 2010; Jóźwik, Jaśkowski 2010/1; Jóźwik, Jaśkowski 2010/2). W kolejnych częściach pracy omówiono koncepcje poszczególnych systemów wraz z ich testami laboratoryjnymi, polowymi i wdrożeniami na konkretnych obiektach, wykonanymi przez autora rozprawy. Zaletami stosowania takich systemów jest możliwość wychwytywania zmian następujących na obiektach, które wywołane są rozruchem lub kończeniem pracy ścian, wstrząsami górniczymi itp.. 3.2. Koncepcja systemów do ciągłych pomiarów deformacji terenu. W wyniku szeregu konsultacji i prac koncepcyjnych przy realizacji wcześniej omówionych projektów badawczych powstało kilka systemów pomiarowych, służących do obserwacji przemieszczeń i odkształceń poziomych. Podczas prac koncepcyjnych przyjęto. kilka. kryteriów. dotyczących. zastosowań. pomiarowych,. założeń. dokładnościowych systemów oraz sposobów posadowienia urządzeń w terenie. Podział i rozróżnienie stosowanych systemów można przeprowadzić w oparciu o kilka - 11 -.

(14) kryteriów. Po pierwsze należy wyróżnić podział urządzeń pomiarowych na systemy stacjonarne, montowane na stałe w jednym miejscu na dłuższy okres czasu oraz na systemy mobilne, montowane na krótki, określony czas (kilka – kilkanaście godzin) w miejscach spodziewanego wystąpienia odkształceń. Drugim kryterium podziału urządzeń pomiarowych były obserwowane przez nie parametry. Podstawowy podział w tym zakresie obejmował systemy pomiarowe obejmujące pomiar przemieszczeń poziomych (względnych i bezwzględnych) oraz odkształceń poziomych. Kolejnym kryterium była możliwa do zapewnienia częstotliwość pomiarów. Dobór interwałów czasowych, w jakich miały być gromadzone obserwacje, jest uzależniony od możliwości zastosowanych urządzeń. Efektem wyżej omówionych prac były projekty wdrożeniowe następujących systemów: . Zespoły czujników rezystancyjnych do badania odkształceń poziomych. System jest montowany w jednym miejscu na dłuższy okres czasu w celu wychwycenia zmian. długości. odcinków. podczas. przejścia. frontu. eksploatacji. pod lub w pobliżu badanego obiektu, na którym zostały zamontowane. Zespoły czujników rezystancyjnych mogą być montowane w postaci linii lub rozet pomiarowych. . Zespoły suwmiarek elektronicznych do badania odkształceń poziomych. Ich podstawową zaletą jest możliwość szybkiego montażu i pomiaru z dużą dokładnością, dzięki czemu mogą być stosowane w mobilnych systemach pomiarowych.. . System detekcji wiązki laserowej do pomiarów względnych przemieszczeń poziomych. Pomiary w oparciu o tą technologię mogą być wykonywane w celu wychwycenia przemieszczeń względnych poziomych lub pionowych. Montaż elementów systemu można wykonać na dłuższy okres czasu lub na krótkie interwały czasowe.. . System GPS do pomiarów bezwzględnych przemieszczeń poziomych. W omawianej pracy zastosowano statyczne pomiary GPS w nawiązaniu do sieci stacji permanentnych ASG-EUPOS.. - 12 -.

(15) 3.3. Obszar badań. 3.3.1. Rys historyczny ZG „Piekary”. Drugim etapem prac badawczych było znalezienie odpowiedniego obiektu, nadającego się do zamontowania omówionych wcześniej systemów w różnych konfiguracjach. Współpracę nawiązano z Zakładem Górniczym "Piekary". Warto tutaj przypomnieć pokrótce historię powstania tej kopalni (KW S.A. 2006). Zakład Górniczy "Piekary" wywodzi się z Kopalni Węgla Kamiennego "Julian", która została zbudowana we wschodniej części pola górniczego byłej kopalni "Radzionków" i przekazana do ruchu 4 grudnia 1954 r. oraz Kopalni Węgla Kamiennego "Andaluzja", której historia sięga 1908 roku. Zasadnicza część zakładu znajduje się na terenie gminy Piekary Śląskie,. a. jedynie. szyb. wentylacyjno-podsadzkowy. wraz. ze. zbiornikiem. podsadzkowym i kilkoma obiektami o mniejszym znaczeniu – na terenie gminy Bobrowniki. W roku 1993 w związku z rozpoczętym procesem restrukturyzacji górnictwa kopalnie "Julian" i "Andaluzja" znalazły się w strukturach Bytomskiej Spółki Węglowej S.A. Od 1 lipca 1999 roku na bazie części obszaru górniczego i majątku kopalń utworzono Zakład Górniczy "Piekary" Sp. z o.o. oraz odpowiednio z wydzielonej części KWK "Andaluzja" – Zakład Górniczy "Brzeziny" Sp. z o.o. Prowadziły one działalność wydobywczą na części dotychczasowych obszarów górniczych kopalń, obejmujących swoim zasięgiem miasto Piekary Śląskie oraz gminy Bobrowniki i Wojkowice. Obszar górniczy Zakładu Górniczego "Piekary" Sp. z o.o. został ograniczony do zakresu niezbędnego dla prowadzenia wydobycia i wynosił 4,91 km2. Podstawowe obiekty i urządzenia zakładu głównego, takie jak szyby: Julian I (wydobywczy, jazda ludzi), Julian II (wentylacyjno–podsadzkowy) i Julian IV (jazda ludzi), obiekty podsadzki, zakład przeróbczy, łaźnię i kilka obiektów o mniejszym znaczeniu zlokalizowano w zwartej zabudowie na terenie miasta Piekary Śląskie. Z kolei główne obiekty ZG "Brzeziny", którego obszar górniczy wynosił 4,33 km2, to: szyby Sienkiewicz, Żeromski i Reymont, zlokalizowane wraz podsadzką, zakładem przeróbczym i innymi obiektami na terenie zakładu głównego oraz peryferyjny szyb wentylacyjno-podsadzkowy "Dołki". Od roku 2000 oba zakłady górnicze prowadziły działania, mające na celu doprowadzenie do połączenia kopalń. Uzasadnieniem dla tego przedsięwzięcia była możliwość przedłużenia żywotności zakładów poprzez możliwość wybrania w ten sposób zasobów węgla zalegających w filarach ochronnych - 13 -.

(16) ZG "Brzeziny". W tym celu w latach 2001-2002 wykonano przekop połączeniowy o długości 1780 m, a następnie wyposażono go w urządzenia umożliwiające skierowanie urobku wydobytego z rejonu "Brzeziny" na szyby wydobywcze rejonu "Piekary". W dniu 30 grudnia 2002 roku, za zgodą Ministra Gospodarki, w strukturę Zakładu Górniczego "Piekary" Sp. z o.o. włączona została część sąsiedniego Zakładu Górniczego "Brzeziny". Tak więc od 1 stycznia 2003 r. Zakład Górniczy "Piekary" był zakładem dwuruchowym, a obszar górniczy miał łączną powierzchnię 9,24 km2. Natomiast. w. lutym. 2003. roku. Zakład. Górniczy. "Piekary",. w. związku. z przeprowadzoną restrukturyzacją górnictwa węgla kamiennego, wszedł w strukturę Kompanii Węglowej S.A. jako jeden z jej oddziałów. Dodatkowo w styczniu 2005 roku ZG „Piekary” przejął, w ramach Kompanii Węglowej S.A., część sąsiedniego Zakładu Górniczego „Bytom II” i od czerwca tego roku prowadzi eksploatację w tzw. rejonie „Rozbark”. Dzięki zakończeniu robót w przekopie połączeniowym oraz uruchomieniu transportu urobku w przekopach łączących 1 i 3 rejonu „Rozbark”, od III kwartału 2005 roku całość urobku wydobywana jest na powierzchnię jedynie szybem „Julian I” w rejonie „Piekary” Przedstawienie historii przekształceń zakładów górniczych wydaje się być celowe ze względu na obiekt, na którym zaplanowano badania. W wyniku zmian i przekształceń poszczególnych zakładów górniczych filar ochronny dawnej Kopalni Węgla Kamiennego „Andaluzja” został przeznaczony do likwidacji. Decyzją Dyrekcji ZG „Piekary” postanowiono kolejno likwidować całą infrastrukturę górniczą w rejonie filara ochronnego. Proces wydobycia nienaruszonego dotychczas złoża oraz wyburzania urządzeń i budynków na powierzchni stworzył wiele możliwości na przeprowadzenie różnorodnych projektów badawczych.. 3.3.2. Planowana i zrealizowana eksploatacja w rejonie badań. W celu odpowiedniego rozmieszczenia systemów pomiarowych poddano analizie planowaną eksploatację górniczą w rejonie dawnej KWK „Andaluzja”. Pod uwagę wzięto ściany, których eksploatacja odbywać się miała w latach 2007-2010. Poniżej zamieszczono tabelę (tab. 3.1.), w której umieszczono podstawowe informacje na temat ścian przeznaczonych do wydobycia w omawianym czasokresie. Dodatkowo na rysunku 3.1. przedstawiono rozmieszczenie tych ścian.. - 14 -.

(17) Tabela 3.1. Zestawienie danych dotyczących planowanej eksploatacji w rejonie „Brzeziny” ZG „Piekary Śląskie” Ściana 215 531 532 533 535 406 407 600. Grubość Głębokość Współczynnik pokładu [m] [m] eksploatacji 0.80 3,00 200 0.80 3,00 380 0.80 3,00 370 0.80 3,00 350 0.80 3,00 340 0.80 1,80 560 0.80 1,80 540 0.80 1,60 360. Planowany czas rozruchu ściany 2008.12.01 2008.01.01 2009.07.01 2010.10.01 2009.09.01 2007.09.01 2007.11.01 2010.11.01. Planowany czas zakończenia ściany 2009.05.01 2009.01.01 2010.05.01 2011.01.01 2010.01.01 2009.09.01 2009.11.01 2011.06.01. 535. 215 533. 600 531 406. 407. Rys. 3.1 Szkic planowanej eksploatacji górniczej w rejonie „Brzeziny” ZG „Piekary Śląskie”. Na rysunku 3.1. przedstawiono także (kolorem żółtym) obszar będący własnością ZG „Piekary”. Budynki i infrastrukturę na tym obszarze można wykorzystać do prowadzenia pomiarów. Po analizie i zwiadzie terenowym wytypowano do badań następujące obiekty:. - 15 -.

(18) . wieża szybowa nad zlikwidowanym szybem „Sienkiewicz”,. . budynek administracyjny dawnej dyrekcji wraz z przyległym terenem,. . budynek laboratorium zakładu górniczego wraz z przyległym terenem. Wybór miejsca umieszczenia systemów pomiarowych uwarunkowany był. położeniem poszczególnych frontów ścianowych oraz logistyką związaną z ich obsługą (zapewnienie zasilania i odpowiednich warunków środowiskowych dla komputerów). Warto zwrócić uwagę, że pomiary prowadzone były w części kopalni podlegającej likwidacji. Prace górnicze prowadzone były w filarach ochronnych szybów górniczych i zakładu górniczego, z których odzyskiwane są niedostępne do tej pory złoża węgla. Rozmieszczenie ścian względem infrastruktury likwidowanej kopalni obrazuje rysunek 3.1., natomiast dane dotyczące głębokości eksploatacji i grubości poszczególnych pokładów przedstawiono w tabeli 3.1. Dodatkowo w tabeli 3.2. oraz na rysunku 3.2. podano informacje dotyczące ścian, których eksploatacja została zakończona w trakcie wykonywanych w ramach pracy badań i pomiarów. Ponadto na rysunkach 3.2. i 3.3. przedstawiono położenie obiektów podlegających badaniom. Literą A oznaczono wieżę szybową nad zlikwidowanym szybem „Sienkiewicz”, literą B – budynek administracyjny dyrekcji wraz z przyległym terenem, a literą C – budynek laboratorium zakładu górniczego wraz z przyległym terenem.. Tabela 3.2. Zestawienie danych dotyczących eksploatacji w ZG „Brzeziny” KWK „Piekary Śląskie” Grubość Ściana pokładu [m] 215 531 532 535 406 407. 3,00 3,00 3,00 3,00 1,80 1,80. Średnia głębokość [m] 200 380 370 340 560 540. Faktyczny czas rozruchu ściany 19.01.2009 18.03.2008 23.07.2009 08.09.2009 11.09.2007 06.11.2007. - 16 -. Długość wybiegu [m]. Faktyczny czas zakończenia ściany. 425 680 780 460 890 640. 16.04.2009 10.12.2008 06.05.2010 16.04.2010 07.08.2009 18.12.2009. Średnia prędkość eksploatacji [m/dobę] 4,9 2,5 2,7 2,1 1,3 0,8.

(19) 535. C. 215. B A. 407 531 406 Rys. 3.2. Szkic wykonanej podczas pracy badawczej eksploatacji wraz z zaznaczonym położeniem systemów pomiarowych. B. A Rys. 3.3. Szkic położenia systemów pomiarowych na tle elementów zabudowy dawnej KWK „Andaluzja” (powiększenie rys. 3.2.) - 17 -.

(20) Poniżej zamieszczono listę ścian wraz z podstawowymi informacjami na ich temat: . Ściana 215 o szerokości od 165 m do 185 m i wybiegu 425 m, w której eksploatacja przebiegała wzdłuż azymutu 264g na średniej głębokości 200 m. Grubość pokładu wynosiła 3,00 m. Rozpoczęcie eksploatacji tej ściany nastąpiło 19.01.2009r. od strony północnej. Wydobycie ze ściany zakończono w dniu 16.04.2009r. Średni postęp ściany to 4,9 m/dobę. W najbliższym punkcie krawędź ściany znajdowała się 110 m od systemu zamontowanego na wieży szybowej i 210 metrów od systemu przy dawnej dyrekcji. Systemy w budynku laboratorium został zamontowany po zakończeniu pracy tej ściany.. . Ściana 531 o szerokości 210 m i wybiegu 680 m; eksploatacja przebiegała wzdłuż azymutu 82,5g na średniej głębokości 380 m. Grubość pokładu wynosiła 3,00 m. Rozpoczęcie eksploatacji nastąpiło 18.03.2008r. od strony zachodniej, zakończenie 10.12.2008r. Średni postęp ściany wyniósł 2,5 m/dobę. Ściana ta miała wpływ tylko na system zamontowany na wieży szybowej i położona była na południe od obiektu, w najbliższym punkcie krawędź frontu eksploatacji znajdowała się w odległości 220 m od szybu (około 20.08.2008r.).. . Ściana 532 o szerokości od 145 m do 195 m i wybiegu 780 m; eksploatacja przebiegała wzdłuż azymutu 83,5g na średniej głębokości 370 m. Grubość pokładu wynosiła 3,00 m, rozpoczęcie eksploatacji miało miejsce 23.07.2009r. od strony zachodniej, zakończenie 06.05.2010r. Średni postęp ściany wynosił 2,7 m/dobę. Ściana ta miała wpływ na system zamontowany na wieży szybowej i położona była na południe od obiektu, w najbliższym punkcie krawędź frontu eksploatacji przebiegała w odległości 20 m od szybu (23.12.2009r.). Wpływ eksploatacji tej ściany mógł być także zarejestrowany przez urządzenia w budynku dawnej dyrekcji. Systemy w budynku laboratorium zostały zamontowane w chwili, gdy efekty pracy tej ściany nie miały wpływu na obiekt.. . Ściana 535 o szerokości od 220 m do 75 m i wybiegu 460 m; eksploatacja przebiegała wzdłuż azymutu 86,4g na średniej głębokości 340 m. Grubość pokładu wynosiła 3,00 m, rozpoczęcie eksploatacji nastąpiło 08.09.2009r. od strony zachodniej, zakończenie 16.04.2010r. Średni postęp ściany wyniósł. - 18 -.

(21) 2,1. m/dobę.. Ściana. ta. miała. wpływ. na. systemy. zamontowane. w budynku laboratorium. Południowa krawędź ściany znajdowała się bezpośrednio pod obserwowanym budynkiem. Front ściany przeszedł pod. budynkiem. zamontowane. w. laboratorium budynku. w. okresie. dawnej. 20-31.01.2010r.. dyrekcji. zostały. Systemy wyłączone. przed wystąpieniem wpływów od eksploatacji tej ściany. . Ściana 406 o szerokości 240 m, długości 890 m i zmiennym kierunku eksploatacji (pierwsza część ściany o długości 350 m eksploatowana wzdłuż azymutu 0g, druga o długości 220 m wzdłuż azymutu 20,8g i trzecia o wybiegu 320 m wzdłuż azymutu 42,5g), położona na średniej głębokości 560. m.. Rozpoczęcie. pracy. w. wyrobisku. nastąpiło. 11.09.2007r.. od jego południowej części, zakończenie eksploatacji 07.08.2009r. Średni postęp ściany to 1,3 m/dobę. Wschodnia krawędź ściany położona była 15 m na zachód od szybu. Front ściany minął szyb w dniach 3-9.12.2008r., natomiast przejście frontu pod urządzeniami pomiarowymi w budynku dawnej dyrekcji nastąpiło około 21.04.2009r. Systemy w budynku laboratorium zostały zamontowane w chwili, gdy efekty pracy tej ściany były w końcowym stadium. . Ściana 407 położona jest równolegle do ściany 406 po jej wschodniej stronie. Szerokość omawianego wyrobiska to 240 m, długość 640 m, a kierunek eksploatacji był zmienny (pierwsza część ściany o długości 220 m eksploatowana wzdłuż azymutu 0g, druga o długości 140 m wzdłuż azymutu 20,8g i trzecia o wybiegu 280 m wzdłuż azymutu 42,5g). Średnia głębokość eksploatacji wynosiła 190 m. Rozpoczęcie pracy w wyrobisku nastąpiło 01.11.2007r.. w. jego. południowej. części,. zakończenie. eksploatacji. 18.12.2009r. Średni postęp ściany wyniósł 0,8 m/dobę. Zachodnia krawędź ściany położona była pod szybem. Front ściany minął szyb w dniu 03.03.2009r. Zachodnia krawędź ściany w najbliższym miejscu była położona 60 m od systemów zamontowanych w budynku dawnej dyrekcji. Moment przejścia frontu w pobliżu urządzeń nastąpił około 17.06.2009r. Wyjątkowo wolny postęp eksploatacji ściany spowodowany był częstymi awariami urządzeń wydobywczych. Na przełomie roku 2008 i 2009 wymianie poddano kombajn ścianowy, co zatrzymało pracę wydobywczą na łączny okres około miesiąca. - 19 -.

(22) 4.. Omówienie. zasady. działania. systemów. pomiarowych. zainstalowanych. na poszczególnych obiektach wraz z wdrożonymi schematami pomiarowymi i testami pozwalającymi na określenie ich dokładności. 4.1. Systemy do pomiaru względnych zmian odległości pomiędzy punktami działające w oparciu o czujniki opornościowe. 4.1.1. Zasada działania pojedynczego elementu systemu. Zasada działania pojedynczego elementu systemu opiera się o pomiar zmian odległości pomiędzy dwoma punktami oznaczonymi jako A i B (rysunek 4.1.). Warto zaznaczyć, że możliwa jest dowolna konfiguracja takich elementów; można je zestawiać w formie rozet pomiarowych, mikrolinii pomiarowych, zespołów czujników równoległych itp. Punkty, w zależności od potrzeb, stabilizowane są w postaci betonowych bloków z metalowymi prętami w gruncie, kołkami rozporowymi w ścianach itp. Do jednego punktu (A) przymocowany jest na stałe pręt (metalowy, drewniany lub z tworzyw sztucznych), oznaczony literą P, a do drugiego (B) – czujnik rezystancyjny oznaczony literą R. Czujnik rezystancyjny, umieszczony w obudowie (rysunek 4.2.), połączony jest z drugim końcem metalowego pręta przy pomocy sztywnego cięgna (C). Łączenie pręta oraz cięgna realizowane jest przy pomocy opasek zaciskowych (Z). W momencie zmian odległości pomiędzy badanymi punktami pręt wywołuje zmianę położenia suwaka w czujniku rezystancyjnym. Czujnik połączony jest przewodami sygnałowymi z kartą pomiarową. Pojedyncza karta pomiarowa pozwala na podłączenie, w zależności od modelu, od 6 do 8 czujników. Dalszy przesył danych odbywa się przez kabel USB do komputera PC. Rejestracja zmian długości odcinka wykonywana jest przez komputer PC za pomocą odpowiedniego programu komputerowego. W omawianych pomiarach zastosowano 2 rodzaje kart pomiarowych. Pierwszym rodzajem były karty firmy ARCO, a drugim – karty firmy National Instruments. Do każdego rodzaju kart użyto dedykowanego oprogramowania. Zapis danych prowadzony jest do pliku tekstowego na dysku komputera. Równolegle z zapisem wyników pomiarów zmian długości odcinków prowadzona jest rejestracja temperatury powietrza. Częstotliwość pomiaru zależy od zastosowanej karty pomiarowej i oprogramowania. Najwyższy możliwy do uzyskania interwał pomiarowy. - 20 -.

(23) wynosi 1 sekundę. Szersze omówienie zasady działania systemu umieszczono w zgłoszeniu patentowym (Jóźwik, Jaśkowski 2010/1).. A. C. P. B R. Z. Rys. 4.1. Schemat działania pojedynczego elementu systemu do pomiaru względnych zmian odległości pomiędzy punktami; A, B – punkty kotwiące, R – czujnik opornościowy, P – pręt (metalowy, drewniany lub z tworzyw sztucznych), C – cięgno, Z – opaska zaciskowa 4.1.2. Opis czujników opornościowych TELPOD. W omawianych systemach zastosowane zostały potencjometry grupy SVP 45 firmy TELPOD. Urządzenia te to potencjometry suwakowe, zamknięte w metalowej obudowie, z węglowym elementem rezystywnym. Element rezystywny w postaci ścieżki węglowej wytworzony jest na podłożu z laminatu papierowo-fenolowego metodą sitodruku. Ścieżka węglowa wykonana jest również metodą sitodruku, a przesuwające się po niej ślizgacze zapewniają przepływ napięcia wielopunktowo. Producent ma w ofercie dwa rodzaje potencjometrów. Pierwszy rodzaj posiada liniową charakterystykę rezystancji, a drugi logarytmiczną. Długość drogi ślizgacza wynosi 45 mm. Podstawowym zastosowaniem potencjometrów grupy SVP 45 jest użycie ich jako. elementu. regulacyjnego. w. elektronicznym. sprzęcie. audiowizualnym. oraz w sprzęcie gospodarstwa domowego. Osobną grupę zastosowań stanowią różnego rodzaju systemy pomiarowe. Podstawową zaletą tego typu urządzeń jest niska cena. Koszt jednego potencjometru z grupy urządzeń pomiarowych to wydatek rzędu 10zł. Do realizacji pomiarów w niniejszej rozprawie użyte zostały potencjometry pomiarowe serii SVP 451N 10kΩ A (Rys 4.2.). Podstawowe ich parametry techniczne zostały przedstawione w tabeli 4.1.. - 21 -.

(24) Rys. 4.2. Potencjometr suwakowy serii SVP 451N 10kΩ A zamocowany w dolnej części osłony Tabela 4.1. Parametry techniczne potencjometrów serii SVP 451N 10kΩ A Parametr Rezystancja nominalna Tolerancja rezystancji Moc znamionowa w T= 40oC Maksymalne napięcie pracy Napięcie graniczne. Wartość 10 ±20% 0,25 350 500. Jednostka kΩ (%) (W) (V) (V). Najważniejszymi parametrami potencjometrów są rezystancja wraz z tolerancją oraz napięcie znamionowe, moc znamionowa i napięcie graniczne. Poniżej przedstawiono opis tych parametrów. Rezystancja nominalna jest to wartość rezystancji podawana jako cecha rezystora. Różnica. pomiędzy. wartościami. rezystancji. rzeczywistej (którą. ma. rezystor. w określonych warunkach) i nominalnej jest nazywana odchyłką rezystancji i wiąże się z tzw. tolerancją rezystora. Tolerancja określa maksymalne dopuszczalne odchyłki, wyrażone w procentach wartości rezystancji znamionowej. Odchyłki te wynikają z różnic rezystorów powstających podczas produkcji; są to tzw. rozrzuty produkcyjne. W przypadku użycia czujników w opisywanych systemach pomiarowych wartość tolerancji nie ma znaczenia, ponieważ każdy z czujników przechodził indywidualną kalibrację.. - 22 -.

(25) Moc znamionowa jest to największa dopuszczalna moc, jaka może być wydzielona w postaci ciepła podczas pracy rezystora w określonych warunkach, przy zachowaniu wartości pozostałych parametrów w granicach ustalonych dla danego typu rezystora. Moc znamionową ustala się, przyjmując najwyższą dopuszczalną temperaturę, do jakiej może się rozgrzać rezystor. Podaje się ją w odniesieniu do temperatury otoczenia. W przypadku omawianej grupy potencjometrów zakres poprawnej pracy wynosi od -25oC do +40oC. Napięcie graniczne jest to największa wartość napięcia stałego, którą można doprowadzić do końcówek rezystora, nie powodując jego uszkodzenia. Warto dodać, że omawiane potencjometry cechowały się liniową charakterystyką rezystancji, a wyposażenie ich w plastikowy suwak oczkowy ułatwiło skonstruowanie systemu do badania przemieszczeń względnych. 4.1.3. Wdrożenia terenowe systemu. 4.1.3.1. Zespół czujników na budynku dawnej dyrekcji KWK „Andaluzja” Zamontowany w terenie system składa się z sześciu opisanych wyżej elementów. Trzy z nich zamontowane są w trójramiennej rozecie ziemnej w kształcie litery T, a pozostałe czujniki zamontowane na budynku dawnej dyrekcji KWK „Andaluzja”. Położenie systemu w terenie oznaczone jest na rysunkach 3.2. i 3.3. literą B. Dokładne położenie czujników względem budynku przedstawiono na rysunku 4.3. Rozeta pomiarowa o kształcie litery T składa się z trzech ramion (stalowych prętów) o długości 4 m. W punkcie centralnym rozety zamontowano czujniki opornościowe które mierzą przemieszczenia liniowe pomiędzy punktami. Punkty zewnętrzne i punkt centralny wykonane są w formie betonowych bloków z centralnie umieszczonym stalowym prętem. Dwa z pozostałych czujników zamontowane są na fundamencie budynku. Zbudowane są z prętów stalowych o długości 4 m z czujnikiem opornościowym do detekcji zmiany odległości. Jeden koniec pręta zamontowany jest na stałe do kołka rozporowego w ścianie, a drugi połączony jest z czujnikiem opornościowym, mającym za zadanie detekcję zmian długości pręta pod wpływem naprężeń konstrukcji budynku. Ostatni czujnik zamontowany jest na szczelinie dylatacyjnej pomiędzy przewiązką komunikacyjną a budynkiem dyrekcji.. - 23 -.

(26) Budynek dyrekcji dawnej KWK "Andaluzja" Punkt kotwiący. C4. C6. C1, C5, C6 - rozeta ziemna C2, C4 - pręty w ścianie budynku C3 - szczelina dylatacyjna. Komputer. Przewiązka. komunikacy jna. C3. C2. PC. C5. C1. Czujniki opornościowe:. Rys. 4.3. Schemat systemu pomiarowego założonego w pobliżu oraz na budynku dyrekcji dawnej KWK „Andaluzja” Wszystkie czujniki tego systemu połączone zostały z komputerem PC umieszczonym w pomieszczeniu dawnej dyrekcji KWK „Andaluzja”. Rejestracja wyników pomiarów przemieszczeń i temperatury powietrza odbywała się z częstotliwością co 5 minut. Położenie rozety ziemnej względem czujników na budynku dobrano tak, aby kierunki ramion były równoległe. Schemat systemu przedstawiono na rysunku 4.3. 4.1.3.2.. Zespół. czujników. przy. budynku. dawnego. laboratorium. KWK. „Andaluzja”. W tym przypadku zamontowany w terenie system składa się z dwóch opisanych wyżej elementów składowych. Położenie systemu w terenie oznaczone jest na rysunkach 3.2 i 3.3 literą C. System zamontowany został w postaci „mikro” linii pomiarowej składającej się z 3 punktów. W środkowym punkcie kotwiącym zamontowano. czujniki.. Dokładne. położenie. czujników. względem. budynku. przedstawiono na rysunku 4.4. Punkty zewnętrzne i punkt centralny wykonane zostały w sposób identyczny, jak w przypadku rozety pomiarowej na budynku dawnej dyrekcji; podobnie długość boków wynosiła 4 m. Rejestracja wyników pomiarów przemieszczeń i temperatury powietrza odbywała się z częstotliwością co minutę. Dokładność - 24 -.

(27) wykonania pojedynczego odczytu przy pomocy czujnika opornościowego określono w rozdziale 4.1.4. niniejszej pracy. W zależności od czujnika wynosi ona około 0,25 mm. Biorąc pod uwagę długość ramion rozety i linii pomiarowej, należy spodziewać się dokładności wyznaczenia odkształceń na poziomie 0,06 mm. Dodatkowo na budynku laboratorium zamontowano odbiornik GPS. Szczegółowe omówienie pomiarów GPS zostało przedstawione w kolejnym punkcie.. Odbiornik GPS Komputer PC Punkt kotwiący C1, C2 -Czujniki opornościowe Antena GPS. Budynek Laboratorium dawnej KWK "Andaluzja" Rys. 4.4. Schemat systemu na budynku dawnego laboratorium KWK „Andaluzja”. 4.1.3.3. Pomiary GPS w nawiązaniu do sieci ASG-EUPOS. Równolegle z zespołem czujników opornościowych na budynku laboratorium zamontowany został odbiornik GPS. Antena odbiornika została umieszczona na stałe na dachu budynku (rys. 4.4.). Odbiornik wraz z systemem zasilania pozwalającym na ciągły zapis danych pomiarowych umieszczono w pomieszczeniu biurowym. Pomiar wykonywany był w trybie statycznym. Interwał pomiarowy pomiędzy kolejnymi epokami pomiarowymi wynosił 30 sekund. Obserwacje zostały nawiązane do sieci ASG-EUPOS. Do obliczeń wykorzystano stacje referencyjne w Katowicach i Tarnowskich Górach. Obliczenia wykonywano dla 24 godzinnych sesji pomiarowych. Taka konfiguracja pomiarowa pozwalała na otrzymywanie wyników pomiarów z błędami pojedynczego wyznaczenia około ±5 mm dla współrzędnych płaskich i około ±8. mm dla wysokości. - 25 -.

(28) 4.1.4. Kalibracja czujników opornościowych wraz z analizą statystyczną dokładności pomiaru przemieszczeń. Przed zamontowaniem czujników opornościowych w terenie konieczne jest wykonanie ich kalibracji. W celu poprawnego wykonania skalowania czujników pomiarowych skonstruowane zostało stanowisko kalibracyjne (rysunek 4.5.), w którym wykorzystano mikrometr o dokładności odczytu 0,001 mm (M). Urządzenie to zamocowano na stałe w podstawie. Do ramienia pomiarowego mikrometru mocowane było cięgno czujnika opornościowego (C). Na rysunku przedstawiono dodatkowo kartę pomiarową (K) oraz kierunek przesuwu ramienia pomiarowego mikrometru i cięgna czujnika opornościowego.. C. M K. Rys. 4.5. Stanowisko do kalibracji czujników opornościowych; M – mikrometr. C – czujnik opornościowy. K – karta pomiarowa. Podstawowe wartości podlegające wyznaczeniu to stała mnożna każdego czujnika oraz jego zakres pomiarowy. Stała mnożna służy do przeliczania wartości podawanych w voltach przez oprogramowanie na przemieszczenia liniowe w mm. Faktyczny zakres pomiarowy jest krótszy od drogi ślizgacza, wynosi około 30 mm i jest zależny od właściwości danego egzemplarza urządzenia. Obliczenie i wprowadzenie. - 26 -.

(29) do oprogramowania tych parametrów przed zamontowaniem czujników pozwalało na uzyskiwanie i zapis w terenie wartości odkształceń w milimetrach. Procedura kalibracyjna. obejmowała. pomiar. wartości. skrajnych. zakresu. pomiarowego. na mikrometrze (Om-min i Om-max) oraz na czujniku opornościowym (OV-min i OV-max). Ze wzoru umieszczonego poniżej obliczano stałą mnożną k.. k. Om max  Om min OV max  OV min. (4.1). W tabeli 4.2. umieszczono zakresy pomiarowe i stałe mnożne czujników opornościowych użytych w badaniach. Czujniki o numerach od C1 do C6 zostały zamontowane w systemie na budynku dawnej dyrekcji, a czujniki o numerach C7 i C8 zamontowano w budynku laboratorium.. Tabela 4.2. Wartości zakresów pomiarowych i stałej mnożnej czujników opornościowych Om-min (mm) Om-max (mm) OV-min (V) OV-max (V) k. C1. C2. C3. C4. C5. C6. C7. C8. 7,000. 7,000. 7,000. 6,000. 6,000. 7,000. 5,000. 6,000. 38,000. 36,000. 37,000. 37,000. 35,000. 38,000. 37,000. 37,000. 0,86884 0,86133 0,86800 0,74974 0,74046 0,86768 0,62239 0,74457 4,71656 4,42971 4,58800 4,62339 4,31932 4,71027 4,60570 4,59152 8,05672 8,12694 8,06452 8,00278 8,10313 8,06747 8,03353 8,05833. Po wykonaniu kalibracji przeprowadzono badania mające na celu wyznaczenie dokładności wykonania pojedynczego odczytu. W tym celu wykonano dla każdego czujnika pomiar w całym zakresie pomiarowym. Pomiar wykonywany był co 0,500 mm. W zależności od czujnika uzyskano od 59 do 65 par spostrzeżeń. Odczyty z mikrometru oznaczono jako OM, a z czujnika opornościowego jako OC. Statystyczną ocenę wyników pomiarów przeprowadzono w oparciu o test Blanda-Altmana (Altman i Bland 1983). Test ten stosowany jest do porównywania dwóch metod pomiarowych. Pozytywny wynik testu pozwala na stwierdzenie, że badane dwie metody pomiarowe nie różnią się istotnie od siebie. W analizie wyników uzyskanych podczas kalibracji czujników opornościowych weryfikowano. - 27 -.

(30) hipotezę zerową, że wskazania mikrometru i czujników opornościowych nie różnią się istotnie od siebie, wobec hipotezy alternatywnej świadczącej o różnych wskazaniach tych czujników. Analizy prowadzone były oddzielnie dla każdej pary urządzeń mikrometr-czujnik opornościowy. Rozpatrzono zatem 8 przypadków. Pierwszym. etapem. testu. Blanda-Altmana. jest. sporządzenie. wykresu. przedstawiającego zależność pomiędzy różnicami z obu metod (Dij) (oś pionowa wykresu) a średnimi (Mij) (oś pozioma). Wartości Dij i Mij obliczano ze wzorów: Dij  OCij  OMij. M ij . (4.2). OCij  OMij 2. (4.3). gdzie: D - różnica pomiędzy wynikami uzyskanymi obiema metodami, M - średnia z wyników uzyskanych obiema metodami, OC - odczyt wykonany czujnikiem opornościowym, OM - odczyt wykonany mikrometrem, i - kolejna obserwacja, j - numer testowanego czujnika. W tabelach umieszczonych w załącznikach nr 1, 2 i 3 w kolumnie 1 przedstawiono wartości OMij dla wszystkich czujników. Załącznik 1 zawiera zestawienie wyników z pomiarów dla czujników C1, C2 i C3. W załączniku 2 umieszczono wyniki dla czujników C4, C5 i C8, a w załączniku 3 wyniki dla czujników C6 i C7. W kolumnach 2, 5 i 8 w wyżej wymienionych tabelach przedstawione zostały wartości OCij dla odpowiednich czujników. W tabeli w załączniku 1 kolumny 3 i 4, 6 i 7, 9 i 10 zawierają wartości Dij i Mij odpowiednio dla kolumn (czujników) 2 (C1), 5 (C2) i 8 (C3). W tabeli w załączniku 2 kolumny 3 i 4, 6 i 7, 9 i 10 zawierają wartości Dij i Mij odpowiednio dla kolumn (czujników) 2 (C4), 5 (C5) i 8 (C8). Tabela w załączniku 3 zawiera tylko kolumny 3 i 4, 6 i 7, które przedstawiają wartości Dij i Mij odpowiednio dla kolumn (czujników) 2 (C6), 5 (C7). Na etapie tworzenia wykresu wartości Dij i Mij w teście Blanda-Altmana obliczane są także granice:. U j  Dˆ j  2 j. (4.4). L j  Dˆ j  2 j. (4.5). - 28 -.

(31) gdzie: Uj - granica górna dla danego czujnika, Lj - granica dolna dla danego czujnika,. Dˆ j - średnia z różnic wskazań dla mikrometru i danego czujnika,.  j - odchylenie standardowe różnic pomiędzy metodami pomiarowymi. Jeżeli spełniony zostanie warunek, w którym realizacje Dij w dziedzinie pomiaru są większe od Lj i mniejsze od Uj, a zatem spełniona zostanie zależność: i1...n Dij  U j , L j. (4.6). to dane dwie metody pomiarowe uważa się za zgodne według testu Blanda-Altmana. W tabeli 4.3. przedstawiono zestawienie wartości średnich różnic wskazań pomiędzy odczytami z mikrometru, a danym czujnikiem ( Dˆ j ), odchyleń standardowych różnic pomiędzy metodami pomiarowymi (j) oraz granic górnych Uj i dolnych Lj dla wszystkich czujników. Tab. 4.3. Zestawienie wartości Dˆ j , j, Uj i Lj dla różnic obserwacji pomiędzy czujnikami opornościowymi a mikrometrem Czujnik C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8. Dˆ j [mm] j [mm] Uj [mm] Lj [mm] -0,002 0,132 0,262 -0,266 0,001 0,125 0,251 -0,249 0,000 0,125 0,250 -0,250 0,000 0,128 0,256 -0,256 0,009 0,109 0,228 -0,209 0,000 0,118 0,236 -0,236 0,000 0,135 0,270 -0,270 0,002 0,128 0,257 -0,253. Na podstawie powyższych danych sporządzono wykresy dla wszystkich czujników (rysunki 4.6. – 4.13.). W przypadku czujników C4, C5 i C7 wszystkie punkty wykresu znajdują się pomiędzy granicami Uj i Lj, zatem pierwsze kryterium testu Blanda-Altmana zostało spełnione. W przypadku pozostałych czujników na każdym z wykresów można zauważyć obserwacje, minimalnie przekraczające granicę dolną Lj. Obserwacje te znajdują się w części wykresu, odpowiadającej odczytom z czujników opornościowych dla końca zakresu pomiarowego, który w praktyce nie jest wykorzystywany. Przyjęto zatem, że test ten jest także spełniony dla czujników C1, C2, C3, C6 i C8. - 29 -.

(32) 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000 25,000 Mi [mm]. 30,000. 35,000. 40,000. Rys 4.6. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C1 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. 40,000. Mi [mm]. Rys 4.7. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C2 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. Mi [mm]. Rys 4.8. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C3. - 30 -. 40,000.

(33) 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. 40,000. Mi [mm]. Rys 4.9. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C4 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. 40,000. Mi [mm]. Rys 4.10. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C5 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. Mi [mm]. Rys 4.11. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C6 - 31 -. 40,000.

(34) 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 0,000. 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. 40,000. Mi [mm]. Rys 4.12. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C7 0,500. Di [mm]. 0,250. 0,000. -0,250. -0,500 5,000. 10,000. 15,000. 20,000. 25,000. 30,000. 35,000. 40,000. Mi [mm]. Rys 4.13. Test Blanda-Altmana dla danych z mikrometru oraz czujnika opornościowego C8 Drugim etapem testu Blanda-Altmana jest sprawdzenie, czy wartość oczekiwana średniej realizacji różnicy estymatorów odchylenia standardowego pomiaru wartości jest równa zero. Test ten przeprowadza się w zależności od jakości próbki pomiarowej. W przypadku, w którym próbka pomiarowa pochodzi z populacji o rozkładzie normalnym, z powodzeniem można zastosować test t-Studenta (na rysunku 4.14. krok 3a). Test ten oparty jest na statystyce:. t. xˆ  0 n 1 . - 32 -. (4.7).

(35) gdzie:.  - odchylenie standardowe, 0 - wartość przeciętna, n - liczebność próby.. Jeżeli próbka pomiarowa nie pochodzi z populacji o rozkładzie normalnym, należy zastosować test Wilcoxona (Wilcoxon 1945) dla par obserwacji (na rysunku 4.14. krok 3b). W teście tym wykorzystuje się wartości bezwzględne różnic pomiędzy badanymi metodami pomiarowymi (Dij), które następnie poddawane są rangowaniu. Wartość statystyki obliczana jest ze wzoru: n. W   Ri. (4.8). i 1. gdzie: Ri - ranga kolejnej różnicy, n - liczebność próby.. Przed rozpoczęciem drugiego etapu obliczeń konieczne jest przeprowadzenie analizy, mającej na celu ustalenie, czy badane próbki pomiarowe pochodzą z populacji o rozkładzie normalnym. Dobrym testem, który może posłużyć do tego celu, jest test Shapiro-Wilka (Shapiro i Wilk 1965). W teście tym wartość statystyki testowej obliczana jest ze wzoru:  n    ai ( n )( x( ni1)  xi   W   i 1 n 2  xi  xˆ  i 1. 2. (4.9). gdzie: i  1, 2,..., n / 2 ,. x( ni 1)  xi - quasi-rozstępy rzędu i,. ai(n) – stałe zależne od liczebności próbki n oraz i.. Hipotezę o normalności odrzuca się na poziomie istotności, gdy wartość statystyki obliczona na podstawie niezgrupowanej próbki leży poza przedziałem. W 0,5a, n ,W 1  0,5a, n  , którego końcami są odpowiednie kwantyle rozkładu W. - 33 -.

(36) Wyniki testu Shapiro-Wilka przedstawiono w tabeli 4.4., w której umieszczono wartości statystyki oraz p-value. Dla czujników C1, C5, C6 i C8 p-value przekroczyła wartości 0,05. Oznacza to, że możliwe jest badanie hipotezy o wartości średniej za pomocą testu t-Studenta, ponieważ nie istnieją podstawy do odrzucenia hipotezy o normalności rozkładu różnic estymatorów. W pozostałych przypadkach p-value nie przekroczyła wartości 0,05, co daje podstawy do odrzucenia hipotezy o normalności rozkładu różnic estymatorów. Dla czujników C1, C5, C6 i C8 przeprowadzono zatem testowanie testem t-Studenta. Badana była hipoteza o wartości średniej H: =0 wobec hipotezy alternatywnej K: ≠0. Na podstawie obliczeń uzyskano wartości statystyk t, przy założonych stopniach swobody. Kolejny obliczany parametr to p-value. We wszystkich przypadkach p-value była większa od 0,05, co nie daje podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej. Wszystkie parametry przedstawiono w tabeli 4.5. Ponadto w tabeli umieszczono wartości średniej i 95% przedziały ufności.. Tab. 4.4. Wyniki testu Shapiro-Wilka na zgodność rozkładu różnic pomiarowych z rozkładem normalnym Czujnik C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8. Wartość p-value statystyki 0,9703 0,131 0,9464 0,012 0,9600 0,044 0,9459 0,008 0,9862 0,741 0,9853 0,653 0,9496 0,010 0,9750 0,228. Tab. 4.5. Wyniki testu t-Studenta dla czujników C1, C5, C6 i C8 Czujnik C1 C5 C6 C8. Wartość Ilość stopni Przedział p-value Średnia statystyki swobody ufności 0,0953 62 0,924 0,002 (-0,032; 0,036) 0,0000 58 1,000 0,000 (-0,028; 0,028) 0,0000 62 1,000 0,000 (-0,030; 0,030) -0,1284 62 0,898 -0,002 (-0,034; 0,030). Czujniki nie spełniające hipotezy o normalności rozkładu różnic estymatorów (czujniki C2, C3, C4 i C7) poddano testowaniu przy pomocy testu Wilcoxona dla par. - 34 -.

(37) spostrzeżeń. Podobnie jak w przypadku badania testem t-Studenta, badana była hipoteza o wartości średniej H: =0 wobec hipotezy alternatywnej K: ≠0. W wyniku obliczeń uzyskano wartości statystyki W testu Wilcoxona oraz p-value. Wyniki obliczeń przedstawiono w tab. 4.6. Podobnie jak w testowaniu testem t-Studenta we wszystkich przypadkach p-value była większa od 0,05, co nie daje podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej. Tab. 4.6. Wyniki testu Wilcoxona dla czujników C2, C3, C4 i C7 Czujnik C2 C3 C4 C7. Wartość p-value statystyki 692 0,5159 808 0,7158 1006 0,9918 1057 0,9219. Na podstawie obliczeń i przedstawionego powyżej wnioskowania statystycznego można stwierdzić, że wyniki pomiarów wszystkimi czujnikami w porównaniu z mikrometrem dają spójne wyniki. Szacowaną dokładność czujników opornościowych można określić na poziomie podwójnego odchylenia standardowego różnic pomiędzy metodami, dla 95% progu prawdopodobieństwa. Wartości podwójnych odchyleń standardowych przedstawiono w tabeli 4.7.. Tab. 4.7. Wartości podwójnego odchylenia standardowego różnic pomiędzy czujnikami opornościowymi a mikrometrem. Czujnik j [mm] C1 0,264 C2 0,250 C3 0,250 C4 0,256 C5 0,218 C6 0,236 C7 0,270 C8 0,256 Schemat postępowania dla każdego przypadku w teście Blanda-Altmana przedstawiony został na rysunku 4.14. Dodatkowo w tabeli 4.8. przedstawiono w postaci zbiorczej wyniki testów wykonanych na poszczególnych próbkach danych. Tabela ta pozwala na łatwe zobrazowanie na rysunku 4.14 wybranej ścieżki analitycznej dla danego czujnika. Znak „+” w tabeli oznacza, że dany test został przeprowadzony - 35 -.

(38) i jego wynik był pozytywny. Znak „–” oznacza, że dany test został przeprowadzony i jego wynik był negatywny. Znak „0” oznacza, że dany test nie był przeprowadzany.. Krok 1: Wykres Mij, Dij i 1...n Dij  U j , L j. i 1...n Dij  U j , L j. Warunek 1. Warunek 1:. Niespełniony. Spełniony. Metody pomiarowe różnią się istotnie od siebie. Krok 2:. p-value < 0,05. Test Shapiro-Wilka. Krok 3b: Test Wilcoxona dla par spostrzeżeń. p-value > 0,05. p-value > 0,05. Krok 3a:. Warunek 2b:. Test t-Studenta. p-value > 0,05. Warunek 2a:. Spełniony Metody pomiarowe nie różnią się istotnie od siebie. p-value < 0,05. p-value < 0,05 Warunek 2b. Spełniony. Niespełniony. Metody pomiarowe nie różnią się istotnie od siebie. Metody pomiarowe różnią się istotnie od siebie. Warunek 2a. Niespełniony Metody pomiarowe różnią się istotnie od siebie. Rys 4.14. Schemat postępowania dla analizy testem Blanda-Altmana. - 36 -.

(39) Tab. 4.8. Wykaz testów wykonanych na poszczególnych próbkach danych. Czujnik Wykres C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8. + + + + + + + +. Test Test Test Shapiro-Wilka t-Studenta Wilcoxona + + 0 0 + 0 + 0 + + + 0 + + 0 0 + + + 0. 4.2. Systemy oparte o detekcję wiązki laserowej. 4.2.1. Zasada działania systemu. Zasada działania systemu oparta jest o znaną z geodezji górniczej metodę stałej prostej odniesienia. W zależności od potrzeb położenie wiązki laserowej może być poziome, pionowe lub skośne. W wyniku analizy możliwości systemu stwierdzono, że w celu badania przemieszczeń poziomych obiektów najkorzystniej jest zastosować wiązkę lasera, która będzie realizowała pionową prostą odniesienia. Cały zestaw pomiarowy składa się z nadajnika laserowego i modułu detekcji wiązki laserowej. W zależności od stosowanego układu pomiarowego można stosować źródła światła laserowego o różnym zasięgu (od kilku do kilkuset metrów), zamontowane w różnych układach optycznych (począwszy od układów bez soczewek skupiających, poprzez układy. wykorzystujące. konstruowanych. układach. lunety. geodezyjne,. optycznych).. a. Szczegóły. skończywszy. na. specjalnie. dotyczące. zasad. działania. poszczególnych elementów systemu zawarte są w opisach wcześniejszych prac badawczych (Jóźwik i in. 2002; Jóźwik 2009; Jóźwik, Jaśkowski, Cynk 2008; Jóźwik, Jaśkowski, Korbiel 2003; Lipecki i in. 2002) oraz w zgłoszeniach patentowych (Jóźwik 2008). Poniżej umieszczono tylko zwięzły opis elementów systemu zastosowanych w jednym przypadku pomiarowym.. - 37 -.

(40) 4.2.2. System zamontowany na wieży szybu ”Sienkiewicz”. Aparatura zamontowana została na wieży nieczynnego już szybu ”Sienkiewicz” i oznaczona na rysunkach 3.2 i 3.3 literą A. Obiekt jest wieżą zastrzałową o wysokości 40 m (rysunek 4.15.). Szyb „Sienkiewicz” ze względu na likwidację kopalni został wyłączony z użytkowania (zasypany), a obsługująca go wieża wyciągowa przestała spełniać swoje funkcje. Do czasu jej likwidacji postanowiono poddać ją ciągłemu monitoringowi przemieszczeń poziomych. Pomiarowi podlegało przemieszczanie się górnej części wieży względem poziomu zrębu szybu. Na rysunku 4.15. przedstawiono obserwowaną wieżę wraz ze szkicem elementów systemu. Pionowa prosta odniesienia realizowana jest w tym przypadku przez kompensacyjny pionownik laserowy, zamontowany na wysokości najwyżej położonego dźwigara trzonu prowadniczego wieży (Jóźwik 2008). Urządzenie zostało oznaczone na rysunku 4.15. literą L.. 33,40 m. L. D. Rys. 4.15. Wieża szybowa szybu „Sienkiewicz” wraz ze szkicem elementów systemu do detekcji wiązki laserowej - 38 -.

(41) Zastosowanie pionownika kompensacyjnego do tego typu pomiarów zapewnia stały kierunek prostej odniesienia. Każde wychylenie wieży o daną wartość będzie powodowało równoległe przesunięcie wiązki lasera o ten sam wektor. Emitowana przez pionownik wiązka lasera skierowana jest w dół, na detektor wiązki laserowej zamontowany na poziomie zrębu szybu (oznaczony literą D na rysunku 4.15.). Odległość od pionownika laserowego do detektora wiązki laserowej wynosi 33,40 m. Wartość ta została wykorzystana do obliczeń wychyleń obiektu. W czasie ruchu góry wieży pionownik przemieszcza się razem z nią względem odbiornika, co powoduje zmianę położenia wiązki lasera na ekranie obserwacyjnym. W skład systemu detekcji wiązki laserowej wchodzi kamera cyfrowa wraz z odpowiednim filtrem i komputer z kartą analizującą obraz plamki, w którym dokonywane jest przetworzenie obrazu i zapis w formie cyfrowej. System zapewnia zapis przemieszczeń z częstotliwością do 12 Hz przy dokładności pojedynczej detekcji na poziomie 0,3 mm (Jóźwik, Jaśkowski, Cynk 2008).. 4.2.3. Test porównawczy systemu laserowego z interferometrem radarowym IBIS-S. 4.2.3.1. Przedmiot pomiaru. Zgodnie. z. obowiązującymi. normami. (PN. 1982). zmianę. systemu. konstrukcyjnego, będącą efektem wychylenia, powoduje działanie fizyczne nazywane obciążeniem. Uwzględniając podział obciążeń, dla wież szybowych szczególnie istotnymi są: . w przypadku obciążeń stałych – ciężar własny elementów budowli i konstrukcji,. . w przypadku obciążeń zmiennych:  w całości długotrwałych – ciężar własny urządzeń związanych na stałe z użytkowaniem budowli oraz ciężar własny ciał stałych (sypkich) transportowanych w procesie eksploatacji,  w części długotrwałych – siły wywołane nierównomiernym osiadaniem podłoża, siły wynikające ze skurczu lub relaksacji elementów konstrukcji, a także obciążenia od urządzeń dźwigowo-transportowych,. - 39 -.