Евгений Сивенков, студент пятого курса кафедры Геологии и маркшейдерского дела, НИТУ МИСИС, Горный институт
Ческидов Василий Владимирович, научный руководитель, к.т.н., заместитель директора Горного института, доцент кафедры Геологии и маркшейдерского дела НИТУ «МИСиС»
Горнодобывающие компании для сохранения конкурентоспособности и оптимизации собственных затрат в условиях существующего рынка должны постоянно развиваться и совершенствоваться. В том числе это связано с ведением работ на больших глубинах, снижением содержания полезного компонента в рудном материале, ростом производительности. Нередко возникает вопрос об ускорении осмотра рабочего пространства для того, чтобы техника могла продолжать добычные работы, а жизням рабочего персонала не угрожала какая-либо опасность. Применение автоматизированных систем осмотра и сканирования пространства становиться все более актуальной темой, так как оно позволяет ускорить съемку пространства, сбор и обработку данных.
Нужно отметить, что сокращение времени и расходов на обследование состояния горных выработок является перспективным направлением оптимизации производства. Обследование очистных выработок позволит повысить безопасность производства работ по добыче полезных ископаемых; при сокращении времени на съемку выработок компания сможет увеличить продолжительность работы добычных машин.
Целью данной работы является определение технической возможности и экономической целесообразности применения БПЛА для производства дистанционного визуального и инструментального обследования вертикальных горных выработок, а также горных выработок, находящихся в небезопасном (аварийном) состоянии.
Вопрос о съемке очистных пространств всегда остро стоял для маркшейдеров на подземных горных предприятиях, в частности – узнать контур этого (очистного) пространства. Последствия некорректной съемки очистных пространств камер негативно влияют на подсчет объемов отбитой горной массы, а также на безопасность ведения работ. Очистное пространство камер – это сложная геометрическая фигура, сформировавшаяся в результате ведения взрывных работ, на ее форму влияют геологические условия, в том числе прочностные свойства горных пород, наличие тектонических нарушений и др. Достоверно спрогнозировать форму выработки после взрыва на сегодняшний день достаточно сложно, в связи с этим возникает необходимость проведения маркшейдерской съемки для определения контура отбитой руды.
Первая задача, которая была решена при выполнении данной работы – это выбор дрона (БПЛА) для достижения поставленной цели. Основные параметры, которые использовались при обосновании выбора:
• Ограниченность лётного пространства (так как работа/ съемка ведётся под землей, полеты ограничиваются размерами горных выработок).
• Размер летательного аппарата (дрон должен свободно перемещался по выработкам, не должно происходить контакта БПЛА с элемент
ами оборудования и стенками выработок). • Возможность выполнение функционала по съемке.
В рамках данной работы было рассмотрено 10 дронов, среди них было выделено два, которые в наибольшей степени отвечают вышеуказанным требованиям.
Первый БПЛА, который предлагается для использования на подземных рудниках, – это ELIOS 2 (рис. 1) от компании FLYABILITY (Швейцария).
Рис. 1. Дрон ELIOS 2 от компании FLYABILITY
Данный дрон обладает защитным корпусом в виде сетки. Это позволит защитить аппарат от поломок при столкновении или в результате падения на него обломка породы. Вторым преимуществом необходимо отметить небольшой размер дрона, в диаметре вместе с защитой он составляет 40 см. Данный БПЛА сможет пролететь во многих местах, куда человек не сможет попасть из соображений безопасности и размеров выработок (возможно, и пустот естественного происхождения).
Третье преимущество – возможность проведения съемки в реальном времени (на пульте управления есть экран для пилота), при этом оценка выработок может происходить как в реальном времени, так и после, уже в результате работы со снимками или видеофрагментами. Собранные за длительное время фотоматериалы могут быть использованы для изучения динамики процессов в подземных выработках. Путем наложения снимков можно оценить изменение размера трещин в массиве горных пород или изменение геометрии самой выработки.
Второй дрон, который был выбран для решения поставленной цели, – это DJI M210 в компоновке от компании Emersent с Lidar (данная компоновка имеет название HOVERMAP). Предназначение БПЛА – 3D-сканирование замкнутых пространств, аппарат с помощью системы лазерных сканеров способен вычислять расстояния до окружающих предметов и оперативно создавать цифровую карту ближней местности. Компания уже проводила исследования на рудниках (Finsch, ЮАР), основной задачей которых была оценка состояния рудоспуска, в том числе для принятия стратегического решения о его ремонте или ликвидации. Во время работы была произведена съемка выработки и создана её трехмерная модель на основании облака точек (рис. 2). На съемку потребовалось порядка 20-30 минут, а обработка данных заняла 20 часов (длительность данного процесса зависит от количества точек, которое может составлять от нескольких до сотен миллионов). Использование HOVERMAP для сбора данных позволило сэкономить компании 5 месяцев работы по съемке и оценке состояния рудоспуска, а также 350 000 долларов США.
Рис. 2. 3D-облако точек (контур) рудоспуска на руднике Finsch
В основе съемки лежит сенсор Lidar (light amplification by stimulated emission of radiation), если привычная нам технология фотограмметрии использует визуальную съемку для создания топографических карт и трехмерных моделей, то Lidar с помощью лазерного луча создает изображение на основе тысяч точек с данными. В последнем случае очевидным преимуществом становится очень высокое качество съемки и высочайший уровень детализации объекта. У этой системы (Lidar) также есть собственная ниша: быстрое и эффективное сканирование (съемка) с воздуха, чтобы “увидеть” то, что скрыто от человеческого глаза под деревьями, из-за слабого освещения, облачности или других факторов, препятствующих традиционной аэрофотосъемке. Кроме того, в то время как метод фотограмметрии предлагает создавать точную трехмерную карту путем определенного количество перекрывающихся изображений, Lidar ту же карту сможет создать на основе точных измерений. Результаты этих измерений можно использовать для создания точных цифровых матриц высот и/или моделей рельефа (Digital Elevation Models (DEM)/Digital Terrain Models (DTM)).
Следующая задача, которая была поставлена в рамках данного исследования, – это анализ существующего программного обеспечения (ПО), позволяющего производить отображение облака точек и создавать модель горных выработок.
В результате работы БПЛА получаем массив точек, каждая из которых обладает координатами (X, Y, Z) и цветом (256 RGB). Наиболее доступных и широко применяемым ПО для решения поставленной задачи является AutoCAD. Однако у компании AUTODESK существует специальные программы, базирующиеся на AutoCAD, такие как AutoCAD Map 3D и AutoCAD RECAP. Также немецкими разработчиками создан модуль AutoPlan, его можно дополнительно установить на AutoCAD и производить работу с массивом точек и создание 3D-модели. На рисунке 3 представлен скрин из ПО AutoCAD Map 3D, в частности, на нем представлен элемент борта карьера, построенный из облака точек. Представленный рисунок позволяет оценить точность и детальность получаемой модели.
Рис. 3. Трехмерная модель элемента борта карьера, построенная в AutoCAD Map 3D с использованием облака точек, полученных путем съемки сенсора Lidar, расположенного на дроне
Также необходимо отметить, что любая программа, в которой возможно вносить данные о маркшейдерской съемке, пригодна для построения 3D-модели выработок из облака точек, в частности Micromine (Австралия, стандартизирована под российский рынок), DataMine (Великобритания, стандартизирована под российский рынок). При этом построение трехмерной модели будет осуществляться в 3 этапа: работа с облаком точек (устранение «помех»), построение триангуляционной модели на основе точек, соединение треугольников в каркасы. Важнейший результат, который достигается при построении трехмерных моделей камер, – это обеспечение необходимой информацией следующих этапов планирования горных работ. При расчете следующих камер будут учитываться границы существующих выработок, при необходимости положение рудного тела (например, жилы), это позволит избежать или минимизировать потери и разубоживание полезного ископаемого. При этом проведение съемки выработки и обработка данных в общей сложности занимает 2,5-3 часа рабочего времени специалиста суммарно.
Для подземных способов отработки месторождения можно использовать облако точек для моделирования и оценки состояния выработок, стволов, недавно пройденных выработок (поиск заколов). БПЛА можно применять для проведения подсчетов объемов погруженной горной массы за смену или сутки; осуществлять контроль состояния конвейерной ленты, а также рудничной атмосферы. При наличии труднодоступных и опасных участков (например, старые неэксплуатируемые выработки) туда можно направить дрон и благодаря камере в режиме live оценить состояние конструкции.
Важным аспектом при внедрении любой новой технологии является подготовка сотрудников, обладающих соответствующими навыками и умениями. Часть компаний проводят краткий курс при поставке оборудования, например, FLYABILITY (производитель БПЛА Elios 2) реализует однодневное обучение по эксплуатации дрона, однако, как правило, его недостаточно для начинающего пилота. Кроме того, существуют специализированные организации, которые осуществляют подготовку специалистов для работы с БПЛА. Как правило, такие организации производят обучение управлению дроном любой компании и типа (самолетный и вертолетный типы). В состав курса входят: обзор устройства, пульта управления; знакомство с основами безопасного управления; отработка на практике начальных навыков управления – взлет/посадка, базовые фигуры; рассмотрение нештатных ситуаций и практическая отработка возможных действий для предотвращения поломки коптера; знакомство с интеллектуальными режимами полета и отработка на практике типовых задач видеосъемки и аэрофотосъемки; освоение принципов планирования маршрутов для полетов в автономном режиме; организация трансляции видеопотока через Интернет.
В рамках данной работы мной была решена задача обоснования внедрения и использования БПЛА в условиях рудника. Были выбраны два дрона, которые полностью подходят для решения тех задач, которые стоят перед современными горнодобывающими предприятиями, в том числе применение БПЛА для производства дистанционного визуального и инструментального обследования вертикальных горных выработок (камер, рудоспусков), а также горных выработок, находящихся в аварийном состоянии.
Анализ существующего ПО показал, что оно имеет широкий функционал, позволяет создавать 3D-модели любой сложности, как для открытых работ, так и для подземных. Точность и достоверность создаваемых моделей, а также их применимость для научных и прикладных целей подтверждается опытом зарубежных компаний и организаций, в последние годы БПЛА стали широко внедряться при ведении открытых горных работ и в России.
Любая инновация является конечным результатом вложенных средств предприятия в интеллектуальные способности человека, и это служит в современном мире импульсом к дальнейшему развитию. Компании, сконцентрировавшие в себе науку и производство, поставившие и объединившие в одну цепь интеллектуальные способности человека и высокоточные производственные линии, становятся лидерами в своих отраслях и, несомненно, повышают устойчивость своего развития в условиях динамично меняющейся конъюнктуры минерально-сырьевого рынка, экологических и нормативных требований.
Список литературы:
1. ELIOS 2 Brochure and Technical characteristics. М.: FLYABILITY, 2021. Руководство по эксплуатации и технические характеристики дрона DJI M210. М.: HOVERMAP, 2021.
2. Постановление от 3 февраля 2020 года №74 «О внесение изменений в Федеральные правила использования воздушного пространства Российской федерации».
3. Обработка данных облаков точек в ГГИС Micomine. М.: Горный институт НИТУ МИСИС, Первый геологический канал. 2021.
