Геодезия в горнодобывающем секторе

Обзор геопространственных методов в горном деле

Геопространственные данные составляют основу горного дела. Быстро развивающиеся инновации в секторе геоматики создают ранее невиданные возможности, которые придадут серьезный импульс как для работы геодезистов, так и для горнодобывающей промышленности в целом. Продолжаем читать статью, которая начинается с небольшой истории, в конце концов, мы никогда не должны забывать, откуда мы пришли, а затем перейдём к общему представлению о геодезии в горнодобывающей промышленности с упором на съёмочное оборудование и технологии, которые используются сегодня.

Геодезисты в горнодобывающей промышленности выполняют важную функцию, обеспечивая незаменимой информацией все другие горные дисциплины. Геодезисты в горной промышленности отвечают за точное измерение площадей и объемов добычи, а также точное представление о наземной и подземной ситуации в планах горных работ.

История

Геодезия и горное дело восходят к древним временам. Древние греки не только развивали геометрию, но и разработали первый геодезический инструмент — угломер — датируемый третьим веком до нашей эры. Угломер можно рассматривать в качестве древнего предшественника теодолита. Первые наземные съемки прослеживаются еще дальше во времени, примерно до 3000 лет в прошлое, когда египетские землемеры разграничивали плодородные земли по берегам реки Нил. Также, горное дело — это область с многолетней историей. Археологические исследования показали, что горная промышленность играла важную роль в доисторические времена, о чем свидетельствуют рудники по добыче кремния, найденные на территориях современных Англии и Франции.

Римляне были известны своими достижениями в горном деле. Медный рудник Рио Тинто в Испании — самый известный древний горнорудный комплекс в мире, является ярким примером этого. Поскольку открытая добыча полезных ископаемых являлась наиболее распространенным способом, римляне также использовали более современные методы и технологии. Для добычи полезных ископаемых, таких как золото и серебро, вырывались тоннели, что требовало точного планирования и передовых знаний в области геодезии, математики и геометрии. Однако только к XVIII веку, когда начала активно развиваться промышленная революция в Англии, профессия геодезиста стала широко распространенной и признанной.

Одним из инструментов в то время был горный компас, созданный специально для подземных измерений. Этот метод часто был неточным, поскольку железные орудия или отложения железной руды в шахте, как правило, воздействовали на стрелку компаса. Но к середине XIX века стали появляться более сложные устройства. Теодолиты того времени оснащались оптическими трубами, спиртовыми уровнями и вертикальными квадрантами, позволявшими измерять вертикальные углы. Теодолиты производили точную съемку путем обхода, т.е. измеряли неподвижные точки в шахте, поэтому уже отпадала необходимость полагаться на компас. Спустя некоторое время, теодолит заменил горный компас в качестве основного инструмента маркшейдера.

Сегодня маркшейдерия стала точной наукой. Современные теодолиты, используя лазерные прицелы и электронные накопители данных, в сочетании с глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS) обеспечивают точность, которая, вероятно, выходит за рамки самых смелых мечтаний геодезиста прошлого, вооруженного только простым горным компасом и мерной цепью.

Маркшейдерское дело сегодня

Маркшейдерское дело может определить как «выработка шахтных стволов и галерей и расчет объема горных пород», хотя на практике всё значительно сложнее. Геометрические ограничения, такие как вертикальные стволы и узкие проходы, требуют использования специальных методов обследования. В то время как основные принципы съемки, возможно, оставались, в основном, неизменными на протяжении веков, этого не происходило с инструментами — они менялись. В настоящее время общие технологии в области маркшейдерской съемки включают наземное лазерное сканирование, воздушное лазерное сканирование (или — лидарная съемка), аэрофотограмметрию, использование беспилотных летательных систем (БПЛС), спутниковых снимков. Кроме того, специальное программное обеспечение является обязательным атрибутом в работе маркшейдера в наши дни. Получаемые в результате маркшейдерских работ данные, чтобы стать полезными, требуют обработки.

Наземное лазерное сканирование

Геодезические работы в горнодобывающей промышленности, как при открытой добыче, так и в подземных шахтах, часто связаны с наземным лазерным сканированием (НЛС), которое используется для проверки геопространственных изменений в результате горных работ. Благодаря большой плотности точек и высокой точности, НЛС является очень эффективным методом мониторинга смещений и деформаций.

Формируя высокодетальное «облако точек», технология НЛС позволяет автоматически получать большой объем ценной геопространственной информации. Совместив лазерный сканер с GNSS, можно получать полную базу геопространственных данных, что открывает возможности для непосредственного измерения изменений и их мониторинга с течением времени. В горном деле НЛС потенциально может использоваться для решения широкого набора задач. К ним можно отнести мониторинг и документирование хода подземных горных работ, оценка стабильности мест добычи и, следовательно, безопасности работников на этих участках горных работ, мониторинг деформации и осадок, расчет объемов, предоставление дополнительных сведений (например, в случае несчастных случаев или ущерба),  обеспечение защиты и безопасности работ в шахтах и т.д. Следовательно, использование лазерного сканирования в горнодобывающей промышленности обеспечивает значительный рост рынка. Эта технология уже применяется для документирования проходов и инфраструктуры при применении камерно-столбовой системы разработки, хотя она еще и не получила существенной поддержки в случае добычи длинными забоями, например, при таком методе подземной добычи угля, при котором длинная стена добытого угля создаётся одним «срезом». Производители лазерных сканеров, такие как RIEGL и Maptek, часто не только производят оборудование, но и предлагают программное обеспечение с оптимизированным технологическим процессом съемки. С учётом общей стоимости устройства и сопутствующего программного обеспечения, составляющим приблизительно 100 000 евро, ключевым фактором, влияющим на внедрение этой технологии в горнодобывающую промышленность, является необходимый уровень инвестиций.

Воздушное лазерное сканирование

Другим методом получения данных о районах разработки полезных ископаемых является воздушное лазерное сканирование. Использование воздушных пилотируемых или беспилотных платформ позволяет получать данные в сложных условиях. Воздушный лазерный сканер предоставляет большие возможности для горнодобывающего сектора, так как он способен получать облако из миллиона точек на квадратный километр. Такая плотность создает надежный набор данных в виде цифровой модели местности (ЦММ) или цифровой модели рельефа (ЦМР), которые могут использоваться для решения таких задач, как расчеты объемов, геоморфологических и структурно-геологических исследований, анализа склонов и моделирования поверхностного стока, для технико-экономического обоснования и исследований воздействий на окружающую среду. Воздушное лазерное сканирование также может использоваться для трехмерного картографирования или топографического моделирования во временном разрезе для облегчения мониторинга оседаний.

Ручное лазерное сканирование

Современной тенденцией является использование портативных лазерных сканеров, которые особенно подходят для работы в сложной горнодобывающей среде. Ручное лазерное сканирование является идеальным решением благодаря простоте использования, а некоторые легкие и компактные сканеры также могут устанавливаться на мобильных платформах. Портативные сканеры — отличный инструмент для обследования шахтных туннелей, а также для выполнения таких задач, как измерение объема запасов или отслеживание изменений.

Помимо фактора мобильности, в некоторых портативных системах сканирования используются алгоритмы одновременной локализации и сопоставления (SLAM) — робототехническая технологии, которая позволяет точно регистрировать отсканированные данные с использованием окружающей геометрии.

Постоянно растущее число решений с использованием портативных лазерных сканеров создает эффективную альтернативу более традиционным технологиям съемки, основанным на GNSS, которые недостаточно надёжно работают в подземных и закрытых зонах. Можно с уверенностью сказать, что лазерное сканирование будет предпочтительным методом съемки данных в горнодобывающей промышленности в ближайшие годы, а ручные или портативные сканеры ещё более расширят возможности для получения геопространственных данных. Одним из важных преимуществ с точки зрения применения портативных лазерных сканеров является их разумный ценовой диапазон.

Аэрофотограмметрия

За последние несколько десятилетий аэросъемка изменила общую технологию горных работ и произвела революцию в геологоразведке. Применение аэрофотограмметрии является проверенным методом картирования шахт и измерения объема запасов. Особо акцент делается на трехмерное моделирование и мониторинг. Полученные таким образом пространственные данные используются, например, для создания ЦММ, ортотрансформированных геопривязанных снимков и топографических карт. Снимки, полученные в результате аэрофотосъемки, могут также использоваться при автоматизированной обработке для создания ЦМР.

В настоящее время аэрофотограмметрия довольно часто сочетается с технологией лазерного сканирования, все чаще для съемки используются БПЛА. Успешное использование аэрофотограмметрии зависит от таких факторов, как опыт и скорость поставки данных аэросъемочной компанией, уровень наземной поддержки со стороны маркшейдеров, что немаловажно, благоприятные погодные условия.

Беспилотные летательные аппараты

Следуя тенденциям, характерным за последние пять лет для всей геопространственной отрасли, всё больше горнодобывающих компаний используют БПЛА. Они оснащены цифровыми камерами для обеспечения аэрофотосъемки с высоким разрешением, данные которой затем обрабатываются для получения высокоточных ортофотоснимков, облаков точек и 3D-моделей. Эти данные могут использоваться для прогнозирования добычи, мониторинга изменений и расчета объемов. БПЛА могут также играть определенную роль в повышении безопасности рабочих под землей, предоставляя информацию о наземной обстановке.

Новой революционной технологией, которая также может обеспечить преимущества для горнодобывающего сектора, является комбинация БПЛА и систем воздушного лазерного сканирования. Несколько компаний, таких как YellowScan, запустили сверхкомпактные и легкие беспилотные системы лазерного сканирования. Растущие экологические вызовы, а иногда и опасные условия делают БПЛА идеальным решением для получения ГИС-данных для создания ЦМР и ЦММ.

Космическая съемка

Из космоса приходит много полезной информации для горнодобывающей промышленности. Например, спутниковые снимки являются важным инструментом поддержки проектов разведки полезных ископаемых. Высокая детализация космических снимков, возможность определения по ним наличие различных видов полезных ископаемых, позволяет обеспечивать ценной информацией добывающие компании до принятия ими решения относительно целесообразности инвестирования в разработку месторождений. Благодаря своему глобальному охвату, спутниковые снимки являются безопасным и экономически эффективным методом получения информации, независимо от местных ограничений, даже в отдаленных регионах. Спутниковые снимки также позволяют контролировать изменения смещений в карьерах. Обработка снимков, ортотрансформирование, геопривязка, дешифрирование — всё это методы гарантируют получение индивидуальных данные для различных горных и геологических приложений. Один из методов, особенно заслуживающий упоминания, это использование для съемки коротковолновых инфракрасных (SWIR) каналов, что предоставляет уникальные возможности, в частности, для классификации объектов по их физическим свойствам, что зачастую является невозможным в других технологиях. Например, спутники серии SPOT оснащены SWIR, также компания DigitalGlobe является поставщиком космических снимков высокого разрешения в SWIR- диапазоне (спутник WorldView-3).

Программное обеспечение

За последние годы появилось множество инновационных программных решений для планирования горных работ и геодезических приложений. Решение Bentley по разведке месторождений объединяет результаты обследования шахтных участков, ЦМР, цифровые снимки и облака точек. Это решение позволяет горным инженерам разрабатывать комплексную 3D-модель горнодобывающего предприятия, соответствующую стандартам компаний. Одной из компаний, предлагающих весь геопространственный рабочий процесс, связанный с разработкой месторождений, является Maptek. Эта австралийская компания устраняет недостаточную связь между геологическим, пространственным дизайном, выполнением и точной оценкой операций по добыче полезных ископаемых. Другие известные компании в геоинформационной отрасли, такие как Leica Geosystems (интегрированные с Hexagon Mining), Topcon и Trimble (Trimble Connected Mine), также предлагают полный набор продуктов для горных инженеров. Их решения включают в себя воздушное, наземное и подземное лазерное сканирование и снимки, позиционирующие инфраструктуру, программное обеспечение для планирования, визуализации, ГИС и многое другое. Фактически, они включают в себя весь инструментарий, необходимый маркшейдеру.

Будущее разведки рудников

Имея в наличии такое большое количество доступных сейчас геодезических решений для специалистов горного дела, можно было бы предположить, что их использование превращает съёмку в относительно легкий процесс. Тем не менее, пара захватывающих более широких технологических разработок заслуживает отдельного упоминания, поскольку они предназначены для повышения продуктивности добычи полезных ископаемых, а именно: виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR). Фактически, горнодобывающая промышленность была одним из первых пользователей обеих этих технологий. Одним из пионеров отрасли, когда речь заходит о VR, является бразильская компания Vale, крупнейший в мире производитель железной руды и никеля. С 2000 года Vale собирает географические базы данных своих полей, вкладывая средства в снимки с очень высоким разрешением. Компания проводит трехмерную аэрофотосъемку в сочетании с лазерным сканированием и создает 3D-цифровые модели. В 2013 году Vale вступила в партнёрские отношения с Британской геологической службой, которая сыграла важную роль в использовании виртуальной реальности в горнодобывающей промышленности. В настоящее время Vale использует VR для содействия принятию решений по нескольким аспектам своих операций и проектов: от определения зоны добычи до экологического лицензирования сценариев и даже закрытия участков добычи. Геологические, геотехнические и экологические исследования проводятся с использованием VR.

Точно так же AR, которая, при накладывании слоя интерактивной цифровой информации на снимки физического мира, предлагает значительные возможности для горнодобывающей промышленности с точки зрения повышения производительности, снижения затрат на обслуживание оборудования и обеспечения безопасности сотрудников. Microsoft HoloLens AR уже сейчас преобразовывает бизнес-процессы в архитектуре, автомобилестроении, машиностроении и образовании, и это лишь некоторые примеры, и потенциал технологии «смешанной реальности» для революционных изменений в горнодобывающей промышленности уже широко признается.

Таким образом, «полные» решения уже поставляются ведущими компаниями в этой сфере, и определение «полные», скорее всего, в ближайшем будущем будет расширяться. И, если наш собственный разум иногда поражается этим научно-фантастическим достижениям, то что случилось бы с римским геодезистом древнего рудника Рио Тинто, если бы он увидел эти нововведения?

 

Перевод статьи «Surveying in the Mining Sector». Автор Wim van Wegen,  журнал GIM International.