Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования

Агарков И.Б., Коновалов А.В.
ОАО «Виогем», Белгород, Россия
Игнатенко И.М., к.т.н.
НИУ «БелГУ», Белгород, Россия
Настоящая статья посвящена решению одной из актуальных проблем, с которой зачастую сталкиваются горные предприятия при ведении открытой разработки месторождений полезных ископаемых – мониторингу сдвижения горной породы и установлении наиболее проблемных с точки зрения устойчивости участков прибортового породного массива. Разработанная авторами методика позволяет дистанционно и безопасно выделять очаги развития деформаций, оценивать область их распространения в плане и скорость движения.

Горные предприятия применяют различные системы наблюдения за состоянием уступов карьера, чтобы своевременно выделить наиболее неустойчивые их участки и оперативно разработать мероприятия, позволяющие безопасно вести отработку месторождений полезных ископаемых. Эти участки выделяют посредством изучения трещиноватости породного массива и выявления потенциальных деформаций уступов карьера, коэффициент запаса устойчивости которых ниже критериального, регламентируемого нормативными документами. На выделенных участках организуется мониторинг [3,4]. Таким образом, оперативное выявление опасных с точки зрения устойчивости участков карьера является важной задачей, от решения которой зависит выбор схемы мониторинга. Наиболее полные и достоверные сведения о строении массива могут быть получены при комплексном геолого-структурном картировании уступов карьера с применением натурных исследований прибортового массива и дистанционных методов выявления потенциально опасных участков прибортового породного массива [1,2]. По итогам исследования выделяют опасные участки карьера на которых организуется мониторинг смещений горной породы.

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
Рисунок 1– Блок-схема алгоритма мониторинга смещений бортов карьера по данным лазерного сканирования их уступов

Авторами статьи предложена методика наблюдений за смещениями бортов карьеров, реализованная путем обработки результатов лазерного сканирования уступов карьера по алгоритму, представленному на рис. 1.

Начальным этапом мониторинга является лазерное сканирование уступов карьера. Сканированию подлежит все карьерное поле. Для обеспечения максимальной точности сканирования выполнять съемку необходимо в ясную погоду при минимальной запыленности. Чем ближе будет располагаться точка съемки к объекту изучения, тем большую точность будет обеспечивать сканер. Исходя из требований к точности, выбирают расстояние от точки съёмки до исследуемого объекта. В настоящее время современные сканеры позволяют делать замеры с точностью до миллиметра на расстоянии 100-130 м и до 15 мм с расстояния 2-4 км [6,7]. Если сканер оснащается фотокамерой, то рекомендуется во время сканирования сделать фотоснимок исследуемого участка, что позволит окрасить облако точек в естественные цвета. Эта окраска упрощает навигацию по карьерному полю и позволяет визуально выделять опасные участки карьера (рис. 2).

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
Рисунок 2 – Фрагмент облака точек, окрашенного в естественные цвета

Частоту сканирования выбирают из следующих соображений. На первом этапе выделяют наиболее проблемные с точки зрения устойчивости участки карьера. Для этого сканирование карьерного поля выполняют ежемесячно. После 3-4 серий съемки на плане карьера устанавливают очаги сдвижения и оценивают их скорость. Если скорость смещения не превысит 30 мм в месяц и затухнет, то интервалы съемки увеличивают до одного раза в квартал и более, но не реже 2 раз в год. При постоянной скорости смещения 15-30 мм в месяц съемку производят ежемесячно. Если скорость смещения увеличивается до 100 и более мм в месяц, то интервал съёмки сокращают до нескольких недель, а в крайних случаях дней [3].

Результаты сканирования, обрабатывают в специализированном программном обеспечении, поставляемом со сканером (RiScan Pro, Leica Cyclone). Сканы очищаются от шумов (ЛЭП, карьерная техника, облака пыли и т.д.), окрашиваются в естественные цвета, переводятся в местную систему координат, а затем сохраняются в формате LAS_1.3 или выше. Полученные данные импортируются в программу «Мониторинг 3D», реализованную на базе АСНИ «Облако 3D» [5].

Алгоритм работы программы заключается в следующем. Облако точек Q – это множество координат точек Q={(xi;yi;zi)}, i= 1,2,…,n, где n – общее число точек в облаке. Облако точек Q(k), k=0, от которого будут измеряться смещения, назовём базовым, а все последующие Q(k) (где k=1,2,…,kmax – номер снимка) – промежуточными. Выберем также в пространстве координат 3D снимка базовую точку C=(xc;yc;zc), от которой будут рассчитываться расстояния до поверхности облаков точек. Произвольно взятую точку P=(x;y;z) можно спроецировать на регулярную сетку размером m×n ячеек, образованную значениями угла относительно горизонтали β и азимута \(\alpha\) вектора \(\vec{CP}\), определив индексы ячейки, в которую попадает точка P, следующим образом:

Читайте также:  Горнодобывающая промышленность - описание отрасли, состав и значение в мировом хозяйстве

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
где \(\vec{CP}\) – вектор направления от базовой точки на точку P; \(\alpha\) – азимут вектора \(\vec{CP}\); \(\beta \) – угол относительно горизонтали вектора \(\vec{CP}\); m – размер сетки по углу относительно горизонтали; n – размер сетки по азимуту; atan2(y,x) – функция «двухаргументный арктангенс» [8], возвращающая азимут направления (x,y); \(\left |\alpha \right | \) – число \(\alpha\), округлённое до ближайшего целого в сторону —\(\infty\); i – номер ячейки по вертикали, в которую попадает точка P; j – номер ячейки по горизонтали, в которую попадает точка P.

Для каждого из анализируемых облаков точек Q(k) алгоритмом (рис.4) строится карта глубин – матрица Dkm×n={dij}, содержащая средние расстояния от базовой точки C до точек P=(x;y;z), P\(\in\)Q, попадающих в ячейку с индексами ij, определяемые по формуле (1). Размеры сетки m,n выбираются таким образом, чтобы в каждой клетке содержалось количество точек, обеспечивающее достаточную точность оценки среднего расстояния (не менее 15-18 точек).

Для определения смещений между снимками вычисляется разность карт
глубин:

S(u,v)=D(v)-D(u),

где D(u) – карта глубин u-го снимка; D(v) – карта глубин v-го снимка; u,v – номера снимков (в диапазоне от 0 до kmax); S(u,v) – матрица смещений между снимками u,v. Матрица смещений, каждая ячейка которой содержит величину смещения для соответствующих участков двух снимков, раскрашивается по цветовой шкале и отображается на экране для дальнейшего анализа.

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
Рисунок 4 – Блок-схема алгоритма построения карты глубин

По итогам описанного выше анализа строится объемная модель карьерного поля, которая служит основой для оценки смещений. Рассмотрим алгоритм выделения обрушений и оценки динамики смещений на примере карьера «Комсомольский» АК «Алроса» (ПАО). На первом этапе по итогам сравнения облаков точек строится объемная модель, представляющая собой чашу карьера, окрашенную по шкале смещений (рис. 5).

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
Рисунок 5 – Объемная модель карьера с визуализацией смещений по цветовой шкале 1 – смещение в сторону точки сканирования на величину более 1 м; 2 – смещения в сторону точки сканирования и от нее на величину 0-0,5 м; 3 – смещения от точки сканирования на величину более 1 м

Этот тип представления информации необходим для оценки общей ситуации на изучаемом объекте. Программа позволяет перемещаться по виртуальному карьеру, выявлять участки с наибольшими и наименьшими смещениями, оценивать их направление развития, устанавливать границы области распространения, получать координаты локализации, по заданному условию подсвечивать участки с определенными величинами смещения.

Визуализация смещений реализована цветовой шкалой. Синим цветом визуализированы участки карьера, на которых произошло смещение точек съемки в сторону карьерной выемки. В рамках рассматриваемого объекта смещение в направление карьерного поля вызвано – отсыпкой карьерных дорог, под уступами – выпавшей из массива горной породой. Красным цветом отображены точки со смещением в сторону массива. Такие смещения характеры для обрушений (при локализации в уступе), участков транспортных берм (при изменении конструкции транспортной бермы), горизонтов активного ведения горных работ (углубление чаши и разноска бортов карьера). Зеленым цветом показаны участки с незначительными смещениями. Как правило, эти смещения в связаны с погрешностью измерения и криогенным выветриванием, которое в условиях многолетней мерзлоты неизбежно приводит к разрушению даже крепких пород (известняки, доломиты).

По итогам изучения объемной модели выделяют участки с наибольшими величинами смещений и строят для них фронтальные проекции уступов карьера. Она может быть построена как для одного уступа, так и для группы, в зависимости от требований к предоставлению данных мониторинга. Фронтальная проекция состоит из квадратных ячеек, окрашенных по цветовой шкале смещений, а в центре каждой ячейки отображается величина смещения промежуточного облака относительно базового (рис. 6).

Читайте также:  Оптимальные параметры сети эксплуатационной разведки Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения

Алгоритм оценки смещений на практике показал достаточно высокую точность определения границ развития деформации. На рис. 6 видно, что контуры обрушения, выделенные программой (рис. 6а) повторяют границы обрушения в уступе (рис. 6б). Кроме того, на проекции отчетливо видно, что горная масса, выпавшая из уступа, аккумулируется у подножья.

Полученные проекции рассекаются сетью наблюдательных профилей, которые регламентируются действующими нормативными документами и в отличии от фронтальных проекций должны предоставляться к отчетам о смещениях горной породы [3,4]. Наблюдательный профиль строят субперпендикулярно откосу через участки с наибольшей величиной смещения (рис. 7).

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
Рисунок 6 – Обрушение части уступа +450÷ +500 м на фронтальной проекции (а) и на фотографии (б) (желтым показаны границы обрушения в уступе; легенду цветовой шкалы см. на рис. 5)

По итогам сравнения облаков точек формируется журнал наблюдения за изменением профиля уступа (таблица 1). Оценка изменения формы профиля уступа выполняется по ячейкам, высота которых зада`тся в параметрах сравнения облаков точек, а ширина ограничивается расстоянием от базового профиля до промежуточного.

Оценка смещений уступов и бортов карьера по данным лазерного сканирования
Рисунок 7 – Наблюдательный профиль по линии I-II (положение линии см. на рис.6)

Таблица 1 – Журнал визуальных наблюдений за изменением профиля уступа +455÷505 м:

Наблюдательный профиль I-II
№ ячейки Имя базового профиля Смещения относительно базового профиля, м
27.09.2016 28.03.2017 11.12.2017 28.03.2018 28.03.2018
1 2 3 4 5 6 7
1 10.03.2016 0,27
2 10.03.2016 -0,20
3 10.03.2016 0,68
4 10.03.2016 1,64
5 10.03.2016 2,01
6 10.03.2016 1,95
7 10.03.2016 -1,48
8 10.03.2016 -3,44
9 10.03.2016 -3,07
10 10.03.2016 -2,47
11 10.03.2016 -0,67
12 10.03.2016 -0,09

Примечание: знак «-» показывает на сколько ячейки приблизился к центру карьера, «+» – удалились

Выводы:

  • Мониторинг смещений горной породы является актуальной и важной задачей при разработке месторождений полезных ископаемых, так как позволяет управлять экономическими и производственными рисками, своевременно выявлять потенциально опасные участки карьера с точки зрения устойчивости и принимать меры по обеспечению безопасности работы персонала и горной техники.
  • Разработанная методика мониторинга базируется на сравнении облаков точек лазерного сканирования и позволяет дистанционно выделять опасные участки карьера и оценивать скорость их смещения посредством авторской программы «Мониторинг 3D», реализованной на базе АСНИ «Облако 3D».
  • Методика апробирована в условиях карьера «Комсомольский» АК «Алроса» (ПАО) и показала свою состоятельность на практике.
  • Визуализация смещений реализована в виде трехмерной модели карьера, фронтальной проекции уступов и наблюдательных профилей, окрашенных по шкале смещений. Количественные параметры смещений сводятся в журнал наблюдений за изменением профиля откоса.

Литература

  1. Агарков И.Б. Годовников Н.А. Применение методики количественной оценки степени гладкости откосов уступов карьера для выявления потенциально опасных с точки зрения устойчивости его участков.// Научные ведомости БелГУ, вып. 33 с. 137-142
  2. Дунаев В.А., Игнатенко И.М. Методика геолого-структурного обеспечения открытой разработки месторождений железистых кварцитов.// Научные ведомости БелГУ 2011 г, вып. 16 с. 121-131
  3. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. – ВНИМИ, Минуглепром СССР, 1971
  4. Методическое пособие по определению углов откосов уступов и углов наклона бортов карьеров, сложенных многолетнемерзлыми породами. – Л.: Печатный цех ВНИМИ, 1972. – 107 с.
  5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016610687 Автоматизированная система научных исследований Облако 3D. 18.01.2016 г

Интернет источники


Ссылка на основную публикацию
Adblock detector