Применение технологий лазерного сканирования при производстве мониторинга бортов карьера и отвалов
Общие сведения о мониторинге карьеров
До 2021 года мониторинг на карьерах производился в соответствии с Инструкцией по наблюдениям за деформациями бортов, откосов, уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости, которая была утверждена Госгортехнадзором СССР, 21.07.1970 [1].
В соответствии с Инструкцией [1]:
3.3.3 Привязка исходных к опорным реперам наблюдательной станции в горизонтальной плоскости осуществляется посредством триангуляции или проложением замкнутых полигонометрических ходов o близлежащих пунктов триангуляции или полигонометрии.
Высотная привязка исходных и опорных реперов наблюдательной станции производится от пунктов триангуляции нивелированием II класса.
3.3.10 Тригонометрическое нивелирование производится для определения высотных отметок реперов и горизонтальных проложений между ними на участках с большими наклонами.
В настоящее время современное геодезическое оборудование позволяет выполнять наблюдения с необходимой точностью и сократить время производства работ до минимума.
В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 06.08.2020, вышеуказанная Инструкция [1] признается утратившей силу. Взамен Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (от 13.11.2020 г. №439) утверждены Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и откосов отвалов» [2].
В соответствии с Приложением №8 [2], к эффективным методам долгосрочного мониторинга относятся спутниковый, лазерный, аэрокосмический и фотограмметрический. Точность данных методов должна быть не ниже ±15 мм для бортов карьера и ±30 мм для отвалов.
В каждом из видов используется высокоточное оборудование:
- спутниковый – аппаратура геодезическая спутниковая 8 и ей аналогичная;
- лазерный – воздушное лазерное сканирование - система мобильного сканирования АГМ-МС3.100, наземное лазерное сканирование - мультистанция 50;
- аэрокосмический - система мобильного сканирования АГМ-МС3.100;
- фотограмметрический – спутниковые снимки.
Наиболее быстрым и информативным методом мониторинга бортов карьера является лазерное сканирование.
Что из себя представляет лазерное сканирование?
Лазерное сканирование является разновидностью активной съемки, лазерный сканер (лидар), работая в импульсном режиме, производит дискретное сканирование поверхности Земли и объектов, расположенных на ней, регистрируя направление лазерного луча и время прохождения луча.
Какие виды лазерного сканирования применяются для мониторинга?
Наиболее широкое распространение получило воздушное лазерное сканирование (далее ВЛС). Технология ВЛС заключается в следующем: - работы производятся при помощи беспилотного летательного аппарата (далее БПЛА), на борту которого закреплен ГНСС-приёмник, который производит запись траектории с большой частотой; - инерциальная навигационная система во время полета регистрирует углы наклона системы сканирования; - воздушная лазерная система сканирования выполняет измерения расстояния и угла от аппаратуры до поверхности. К недостаткам ВЛС стоит отнести погодные условия, такие как ветер, дождь и снежный покров, но на случай плохих погодных условий применяется технология наземного лазерного сканирования (далее НЛС).
Методика производства измерений при применении технологии НЛС отличается от ВЛС только тем, что оборудование находится на поверхности земли. Для получения максимально идентичной цифровой модели при выполнении работ точки стояния прибора из серии в серию не должны меняться, для этого на территории объекта необходимо производит закладку пунктов принудительного центрирования.
Что мы получаем по результатам производства лазерного сканирования?
По результатам производства лазерного сканирования пользователь получает массив (облако) точек, каждая точка имеет свои координаты в необходимой системе координат.
Полученные облака точек одних и тех же участков в разные промежутки времени сопоставляются друг с другом, на основании чего делаются выводы о динамике сдвижения бортов карьера, а также полученные данные позволяют производить подсчет выполненных объемов. На наименее устойчивых участках строятся вертикальные разрезы.
На основании данных, полученных в результате производства лазерного сканирования (как воздушного, так и наземного), изучается характер протекания деформационных процессов, которые затрагивают борта карьера, также делается прогноз их деформационного состояния и на основании полученной информации составляются выводы и рекомендации по повышению устойчивости.
На рисунке изображено наложение двух облаков точек, которые были получены в разные промежутки времени, фиолетовые области указывают на изменения положения откосов уступов.
В каждой серии наблюдений по полученному облаку точек на наиболее неустойчивых участках строятся разрезы, а также схемы наклонов бортов. На основании полученных данных проводится анализ устойчивости бортов карьера.
Преимущества методов лазерного сканирования
Основным преимуществом мониторинга методами лазерного сканирования является возможность производства наблюдений без закрепления долговременных реперов. Возможность получения облака точек позволяет выявить на всей территории карьера деформационные процессы и наиболее нестабильные участки, учитывая непрерывный цикл работы на производстве. Наблюдения за отвалами позволяют выявить формирование оползневых процессов и своевременное принятие мер по их устранению.
На рисунке представлена область осыпания породы с отвала.
Применяемое оборудование
В соответствии с Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений», нормативным документам, применяемые средства измерений подлежат своевременной поверке в аккредитованных в области обеспечения единства измерений учреждениях.
Для выполнения лазерного сканирования специалистами компании ООО НИПИ «МарГео» используется следующее оборудование:
- для наземного лазерного сканирования применяется мультистанция 50, которая представляет собой высокоточный электронный тахеометр с возможностью лазерного сканера;
- для воздушного лазерного сканирования применяется система мобильного сканирования АГМ-МС3.100, закрепленная на беспилотном летательном аппарате 600 .
Выводы
В настоящий момент технология лазерного сканирования является неотъемлемой частью мониторинга открытых разработок. По сравнению с традиционными методами измерений технологии лазерного сканирования позволяют оперативно и дистанционно получать необходимую информацию о деформационных процессах. На основании вышеизложенного можно выделить следующие преимущества применения методов лазерного сканирования:
- возможность проведения мониторинга в местах, где закрепление грунтовых реперов затруднено или невозможно;
- технология лазерного сканирования исключает необходимость непосредственного нахождения сотрудников на опасных участках объекта, таких как откосы, склоны и т.д.;
- возможность классификации рельефа и отсеивания мест осыпания породы из анализа деформационных процессов;
- определение объемов горной массы, подверженной деформационным процессам;
- пополнение и актуализация геомеханической модели месторождения (в соответствии с требованиямиПриказа от 13.11.2020 № 439 [2]) и др.
Список литературы
1. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Ленинград. ВНИМИ, 1971.
2. Приказ Ростехнадзора от 13.11.2020 № 439 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и откосов отвалов» Зарегистрировано в Минюсте России 18.12.2020, № 61603.