Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрена проблема оценки возможностей применения беспилотных авиационных технологий для мониторинга опасных геологических процессов открытых горных выработок. Обоснована необходимость внедрения современных информационных технологий для обеспечения безопасности на открытых горных выработках.
опасные геологические процессы, мониторинг, карьер, оползневые деформации, ЦМР, БЛА, ГИС
Добыча полезных ископаемых является трудоёмким и потенциально опасным производством. При проектировании горных выработок, а также по мере их дальнейшей эксплуатации необходимо проводить тщательные геоморфологические, гидрогеологические исследования. Мониторинг состояния масс породы как внутри горной выработки, так и по её периферии связан не только с экономическими аспектами, но и с требованиями к безопасности. Изменения ландшафта, связанные с изъятием вскрышных горных пород в одном месте и складированием их в виде отвалов в другом, влекут неизбежные деформации на откосах. Породные отвалы рассматриваются как зоны с повышенным риском возникновения опасных геологических процессов, при этом оказывающие отрицательное влияние на компоненты окружающей природной среды. В связи с этим целесообразно осуществлять мониторинг породных отвалов не только путём проведения традиционной наземной съёмки, но и с применением современных методов дистанционного зондирования, включая беспилотные технологии [1].
Методы маркшейдерского обеспечения горных работ
Деятельность открытых горных выработок невозможна без маркшейдерского обеспечения горных работ. Подготовка высококвалифицированных кадров для данной отрасли остается одной из приоритетных задач в России. Утрата позиций в прикладной науке в переходный период, а также применение устаревшего оборудования для проведения научных исследований по существующим направлениям и развитие перспективных исследований требуют новых подходов и новых технологий.
Так как комплексные инженерные изыскания трудозатратны и требуют высокой квалификации сотрудников, наличия дорогостоящего оборудования и специализированного программного обеспечения (ПО), зачастую изыскательские работы проводятся в недостаточном объеме или не отвечают качественным требованиям [2]. При этом эффективность маркшейдерской службы заключается в точном и своевременном определении геометрических параметров карьера. Некачественные маркшейдерские работы могут привести не только к неэффективности предприятия, но и к чрезвычайным ситуациям, которые могут повлечь за собой гибель людей [3].
Основной объем сырой руды на предприятиях России добывается открытым способом. Для крупных предприятий характерны высокая производительность забоев и быстрая изменчивость границ отвального комплекса, хвостового хозяйства, а также одновременная работа нескольких строительных площадок [4]. В то же время для небольших открытых выработок в июле 2017 г. упростился процесс отведения карьеров для дорожного строительства, что позволяет подрядчикам, занимающимся строительством и реконструкцией дорог, добывать гравий, песок, щебень и др. на участках местного значения. При этом упрощение порядка предоставления карьеров для исполнителей госконтрактов не снимает с них ответственности при добыче.
Оперативный контроль выработок традиционными средствами затруднен, так как наземные методы съемки требуют существенного времени на камеральные и полевые работы, а зачастую их невозможно выполнить по погодным или производственным причинам. Картографические данные подвергаются большому влиянию человеческого фактора. Данные условия приводят к неточностям в отображении ситуации, снижают точность и значимость маркшейдерских работ. Для повышения производительности и точности с недавнего времени стало возможным применение аэрофотосъёмки (АФС) и воздушного лазерного сканирования (ВЛС) с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА) [5].
Современные беспилотные комплексы бывают самолетного и мультироторного типов и, как правило, оснащены фотоаппаратурой / лазерным сканером, системой навигации, управления и связи. При этом оперативность получения результата гораздо выше в сравнении со спутниковой или тахеометрической съёмкой. Создаваемые БЛА-комплексами цифровые модели поверхности (ЦМП), а после камеральной обработки и цифровые модели рельефа (ЦМР) детальнее наземных съемок и обеспечивают точное и полное измерение объемов. Кроме того, они позволяют вести мониторинг состояния отвалов карьера и хода выполнения горных работ. Создаваемые в автоматическом режиме ЦМР по данным АФС/ВЛС или их комбинации служат основой для подготовки отчётной документации, необходимой для предприятия и предоставления в надзорные органы, при этом ВЛС позволяет получать границы рельефа даже под растительностью [6]. При создании типовых планов и разрезов используются ортофотопланы и ЦМР, которые векторизуются в специализированных геоинформационных системах (ГИС). Примечательно, что ГИС позволяет по данным беспилотной воздушной съемки не только дешифрировать элементы карьера (бровки уступов, съезды, строения, насыпи), строить разрезы, создавать топографические планы, но и проводить оценку воздействия на окружающую среду, управлять имуществом в целом [7]. Универсальность данных позволяет принимать на их основе как технологические, так и управленческие решения с момента проектирования и до рекультивации почв. Появляется возможность комплексного обследования открытых горных выработок даже на самых сложных участках. При этом оперативность получения данных и их качество растут, а стоимость современных методов обеспечения маркшейдерских работ ниже стоимости традиционных наземных.
Методический эксперимент по изучению опасных геодинамических процессов с применением современных информационных технологий
Для подтверждения приведенных выше аргументов о применимости БЛА и информационных технологий для прогнозирования развития опасных геологических процессов открытых горных выработок в 2016 г. был проведен методический эксперимент с участием представителей горнодобывающей компании и исследовательского коллектива во главе с автором.
После приведения фактов стремительного развития технологий, основанных на построении трехмерных моделей местности и рельефа по данным беспилотной аэрофотосъемки, руководством предприятия было одобрено исследование применимости современных технологий.
Для этих целей был выбран крупнейший горно-обогатительный комбинат Михайловский [8], который находится в районе г. Железногорска Курской области (рис. 1).
В рамках работ по мониторингу карьерного хозяйства Михайловского горно-обогатительного комбината (ГОК) было решено провести исследование внешнего многоярусного отвала вскрышных горных пород, после чего задействовать аэрофотосъёмку с БЛА самолётного типа с последующей фотограмметрической обработкой снимков для сравнения полученных результатов с имеющимися данными полевой геодезической съёмки.
Традиционно для изучения опасных геодинамических процессов на данном отвале были организованы инструментальные геодезические наблюдения по шести реперным линиям, заложенным на участке развития оползневых деформаций. Измерения проводились регулярно с периодичностью раз в полгода. Интерпретация результатов наземных наблюдений показывала, что деформации откосов отвала обусловлены одновременно двумя геодинамическими процессами: осадками, вызванными гравитационным уплотнением насыпной породы, и оползневыми смещениями, проявляющимися с различной интенсивностью в зависимости от высоты отвала. При этом за последние пять лет, по данным наземных наблюдений, смещения породы были незначительными, скорость вертикальной осадки составила 15 см/год.
Аэрофотосъемка карьера железорудного месторождения была проведена двухкилевым БЛА по схеме «летающее крыло» с тянущим электродвигателем. Данные аппараты способны выполнять работу до 4-5 часов, при этом достаточно устойчивы к ветровым нагрузкам и сильному магнитному полю железорудного карьера. Для повышения точности измерений на борту был установлен двухсистемный геодезический ГНСС-приемник, а реперы, по которым проводят наземные измерения, использовались в качестве планово-высотных опознавательных знаков. Выполнение работ по созданию ЦМР для последующего прогнозирования развития опасных геологических процессов горных выработок на ГОК было разделено на следующие этапы:
- подготовительные работы по развитию опорной сети;
- аэрофотосъемочные работы на основе БЛА;
- камеральные работы по уравниванию координат, созданию ортофотопланов и ЦМР;
- аналитическая обработка пространственных данных в ГИС;
- сравнение данных, полученных традиционными и современными методами.
За один полёт было снято около 10 кв. км площади отвала, получено 1400 аэрофотоснимков с точной привязкой координат. Фотограмметрическая обработка производилась в программном продукте Pix4D [9] с последующей доработкой в Photomod UAS [10]. По результатам этой обработки была получена ЦМР с максимальным уклонением по высоте 20 см и плановой точностью 30 см (рис. 2).
На эту модель были наложены данные последних геодезических наблюдений по реперным линиям, а также топографическая карта отвала пятилетней давности, полученная посредством наземной съёмки. Комплексный анализ всего тела отвала позволил провести комплексный анализ состояния отвалов и сделать несколько существенных выводов.
На данных профилях было выявлено выполаживание бровок откосов и скопление осадочного материала у подножия склонов, что связано с естественными экзогенными процессами, действующими в том числе и на искусственные формы рельефа, такие как отвалы горных пород.
Таким образом, продемонстрированная технология мониторинга с БЛА доказала свою эффективность. Среди преимуществ можно отметить, что плотность точек поверхности и, соответственно, получаемой модели рельефа гораздо выше, чем при наземной геодезической съёмке. Это даёт гораздо больше информации об исследуемой поверхности. Кроме того, немаловажным фактором является соответствие точности координат допустимым значениям по всей площади съёмки (а не только в пределах опознавательных знаков), что позволяет принять полученные ЦМР и ортофотопланы в качестве основы для создания крупномасштабных топографических планов.
Заключение
Рассмотренная технология имеет большие перспективы на внедрение в добывающей промышленности. В дальнейшем планируется испытать технологию лазерного сканирования с беспилотного летательного аппарата вертолётного типа. Данный вид съёмки должен быть более точным и информативным, в том числе за счет возможности съемки сквозь растительность. Испытанные новые технологии позволят внедрить съёмку с БЛА в качестве постоянного инструмента на многих предприятиях горнодобывающей отрасли для обеспечения устойчивости процессов добычи и рационального использования природных ресурсов.
1. Vasuki, Y. Semiautomatic mapping of geological structures using uavbased photogrammetric data: an image analysis approach / Y. Vasuki, E.J. Hol-den, P. Kovesi, S. Micklethwaite // Computers & Geosciences. - 2014. - № 69 (4). - Р. 22-32.
2. Shafiee, S. New approach for estimating total min-ing costs in surface coal mines / S. Shafiee, E. Topal // Mining Technology. - 2012. - № 121. - Р. 109-116.
3. Mancini, L. Social impact assessment in the mining sector: Review and comparison of indicators frameworks / Lucia Mancini, Serenella Sala // Resources Policy. - 2018. - Vol. 57. - P. 98-111.
4. Glazyrina, I. Econ International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing & Spatial Information Sciences / I. Glazyrina, S. Lavlinskii // Regional Research of Russia. - 2017. - Vol. 7. - Is. 2. - Р. 180-187.
5. Nakano, K. On a fundamental evaluation of a UAV equipped with a multichannel laser scanner / K. Nakano, H. Suzuki, K. Omori, K. Hayakawa.
6. Рыльский, И.А. Cравнение пригодности данных воздушного лазерного сканирования и аэрофо-тосъёмки с БПЛА для обеспечения проектных работ / И.А. Рыльский, И.В. Калинкин // Геопрофи. - 2017. - № 2. - С. 15-22.
7. Spano, A. GIS-based detection of terraced landscape heritage: comparative tests using regional DEMs and UAV data / Antonia Spano [et all] // Applied Geomatics. - 2018. - № 10. - Р. 77-97.
8. Михайловский ГОК. - URL: http://www.metalloinvest.com/business/mining-segment/mgok/ (дата обращения: 01.02.2018).
9. Becker, С. Classification of aerial photogrammetric 3d point clouds / С. Becker [et all] // Technical Commission II: Photogrammetry - ISPRS.
10. Тайлаков, О.В. Алгоритмическое и программное обеспечение с применением беспилотных летательных аппаратов для оценки остатков угля на открытых складах / О.В. Тайлаков, Д.С. Коро-вин, М.П. Макеев, С.В. Соколов // Уголь. - 2015. - С. 68-71.
