Московский экономический журнал 9/2020

image_pdfimage_print

УДК 622.1:622.271

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10640

Определение элементов залегания трещин с применением БПЛА

Determination of crack occurrence elements using UAVs

Боос Иван Юрьевич, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Руденко Екатерина Александровна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Разин Антон Игоревич, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Гришин Арсений Александрович, ООО НИП «Сибмаркпроект», геолог

Гуща Дмитрий Игоревич, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», ассистент

Абдуллаева Анна Анатольевна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Boos Ivan Yurievich, Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Rudenko Ekaterina, Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Razin Anton Igorevich, Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Grishin Arseny Aleksandrovich, OOO “NIP Sibmarkproekt”, geologist

Grounds Dmitry Igorevich, Institute of mining, Geology and geotechnologies of the Federal STATE Autonomous educational institution “Siberian Federal University”, assistant

Abdullayeva Anna A., Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Аннотация. При разработке полезных ископаемых открытым способом в скальных массивах, трещиноватость является одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на устойчивость бортов и уступов карьера. В данной работе была опробована инновационная методика, основанная на комбинированном применении БПЛА и методов фотограмметрии для картирования и анализа трещиноватости откосов бортов карьеров. В качестве инструмента измерений был использован квадракоптер DJI PHANTOM 4 с установленной на нем системой ТЕОКИТ производителя TEODRONE® позволяющей определять точные положения центров снимков. Была построена 3D модель экспериментального участка борта карьера «Эльдорадо», на которой непосредственно выделялись плоскости трещин. Далее методами аналитической геометрии вычислены углы падения и простирания каждой плоскости. Построены диаграммы трещиноватости. По результатам данного исследования была изучена возможность успешного внедрения БПЛА для решения горно-геомеханических задач на предприятиях. Разработанная методика имеет ряд преимуществ по сравнению с классическими способами выполнения аналогичных работ.

Summary. When mining open-pit minerals in rock massifs, fracturing is one of the most important factors affecting the stability of the sides and ledges of the quarry. In this work, we tested an innovative technique based on the combined use of UAVs and photogrammetry methods for mapping and analyzing the fracturing of the slopes of the sides of quarries. As a measurement tool, the DJI PHANTOM 4 quadrocopter was used with the TEODRONE® TEOKIT system installed on it, which allows determining the exact positions of the image centers. A 3D model of the experimental section of the side of the Eldorado quarry was built, on which the crack planes were directly distinguished. Further, the angles of incidence and strike of each plane are calculated using analytical geometry methods. Fracture diagrams are constructed. Based on the results of this study, the possibility of successful implementation of UAVs for solving mining and geomechanical problems at enterprises was studied. The developed method has a number of advantages in comparison with the classical methods of performing similar work.

Ключевые слова: трещина, геомеханика, борт карьера, карьер, TEODRONE.

Keywords: crack, geomechanics, quarry Board, quarry, TEODRONE.

При разработке месторождений полезных ископаемых, для решения технологических задач важным условием является наличие актуальных и точных геометрических данных о поверхности карьера, включая структурно-тектонические характеристики прибортового массива.

Так, например, в скальных массивах при разработке полезных ископаемых открытым способом трещиноватость является одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на устойчивость бортов и уступов карьера. Поэтому для оценки устойчивости бортов и уступов одними из обязательным работ является изучение структурно-тектонических нарушений и трещиноватости.

На данный момент съёмка трещиноватости классическим способом (рисунок 1) (с помощью горного компаса, и мерных лент) имеет множество недостатков:

  • Опасность выполнения работ, специалисту приходится находиться в непосредственной близости от откоса уступа;
  • Трудоёмкость полевых работ;
  • Человеческий фактор, при производстве измерений;
  • Необходимость вести в поле большое количество абрисов, схем, зарисовок, записей;
  • Невозможность в полной мере охватить весь откос уступа по высоте
  • Ограниченное количество замерных станций;
  • Малое количество измерений на станциях, не достаточное для качественного статистического анализа;
  • Трудоёмкость точной плановой привязки трещиномерных станций;
  • Трудоёмкость камеральной обработки данных;

Невозможность быстрого получения результата делает прогнозирование устойчивости не актуальным.

Стремительное развитие БПЛА (Беспилотные летательные аппараты) привело в свою очередь к совершенствованию методов фотограмметрии и аэрофотосъёмки, что позволило активно применять их на горных предприятиях для решения разного рода горно-геометрических задач.

Предлагаемая методика основана на применении БПЛА и методов фотограмметрии для картирования и анализа трещиноватости откосов бортов карьеров.

Объектом изучения являлся карьер «Эльдорадо» в Североенисейском районе Красноярского края. В качестве инструмента измерений использовался квадракоптер DJI PHANTOM 4 с установленной на него системой ТЕОКИТ производителя TEODRONE® позволяющей определять точные положения центров снимков.

Экспериментальным участком являлась северо-западная часть борта карьера месторождения «Эльдорадо». Построение 3D модели участка в виде «облака точек» (рисунок 2) осуществлялось в программной среде Agisoft Metashape Professional.

На экспериментальном участке борта было выделено 166 плоскостей трещин (рисунок 3). Затем методами аналитической геометрии были вычислены элементы залегания каждой плоскости, угол падения и простирания.

По полученным данным были построены решетки трещиноватости (рисунок 4).

Далее на диаграммах были выделены системы трещин. На данном экспериментальном участке выделяется две системы трещин:

Первая система трещин представляет собой согласно падающую сланцеватость с простиранием параллельным откосу (рисунок 5). Простирание α = 315° падение δ=60°.

Вторая система трещин перпендикулярна сланцеватости (рисунок 5) и образует блочность: Простирание α = 234° падение δ=86°.

Полученные результаты согласуются с ранее выполненными исследованиями.

В результате данного исследования были получены следующие выводы:

  1. Возможно успешное применение БПЛА на горных предприятиях для картирования и анализа трещиноватости откосов бортов карьеров.
  2. Интегрируя методы БПЛА, фотограмметрии, и аналитической геометрии, возможно определить элементы залегания систем, и выделять системы трещин.
  3. Описанная методика обладает рядом преимуществ перед классическими способами. Значительно растет безопасность и производительность труда, в результате обработки получается 3D модель откосов месторождения что позволяет производить более глубокий анализ структурных нарушений.

Литература

  1. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. Москва.: Недра, 1965. 378 с.
  2. Демин А. М. Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. Москва.: Недра, 1973. 232 с.
  3. Шпаков П. С., Поклад Г. Г., Ожигин С. Г., Долгоносов В. Н. Выбор прочностных показателей пород для расчета параметров устойчивых откосов // Маркшейдерия и недропользование. 2002. № 2. С. 37–41.
  4. Попов В. Н., Шпаков П. С., Юнаков Ю. Л. Управление устойчивостью карьерных откосов: учеб. для вузов. Москва.: Горная книга, 2008. 683 с.
  5. Попов Ю.В., Пустовит О.Е. Методика изучения и анализа трещиноватости. Часть 2 графические методы изображения замеров ориентировки трещин и анализ трещиноватости: учеб.пособие для вузов. Ростов-на –Дону, 2009. 35 с.
  6. Патачаков И.В., Фуртак А.А., Боос И.Ю «Определение прочностных свойств горных пород методом обратных расчетов в условиях Горевского свинцово-цинкового месторождения» // Маркшейдерия и недропользование. 2018 №1(93). 41 с.
  7. Mark D. Zoback. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 2010. 449 p.
  8. Ameen, Mohammed S. Operational Geomechanics – A Rock-Based Science for Environmental, Energy, and Engineering Applications. EAGE Publication, 2018. 327 p.
  9. Kianoosh Taghizadeh, Gael Combe, Stefan Luding. ALERT Doctoral School 2017 – Discrete Element Modeling. The Alliance of Laboratories in Europe for Education, Research and Technology, 2017. 218 p.
  10. P. TURNER, R.R. HILLIS, M.J. WELCH. GEOLOGICAL SOCIETY SPECIAL PUBLICATION NO. 458. Geomechanics and Geology. Geological Society of London. Geomechanics and Geology, 2017, 458 p.
  11. François Henri Cornet, Université de Strasbourg. Elements of Crustal Geomechanics. Cambridge University Press, 2015, 490 p.
  12. Гальперин, А.М. Геомеханика открытых горных работ: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломирования специалистов «Горное дело». – Москва. Горная книга, 2012. – 480 с.
  13. Попов В.Н., Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л., Управление устойчивостью карьерных откосов: Учебник для вузов. – Издательство Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга». 2008. – 683 с.
  14. Livinskiy I. S., Mitrofanov A. F., Makarov A. B. Complex geomechanical modeling: structure, geology, reasonable sufficiency. Gornyi Zhurnal. 2017. No. 8. pp. 51–55. DOI: 10.17580/gzh.2017.08.09
  15. Ляшенко В. И. Развитие научно-технических основ мониторинга состояния горного массива сложноструктурных мес то рожде ний. Сообщение 2 // ГИАБ. 2017. № 3. С. 123–141.
  16. Курленя М.В. Научная школа. Геомеханика и технологии освоения недр. Новосибирск: Наука, 2016. 268 с.
  17. Козырев А. А., Рыбин В. В. Геомеханическое обоснование рациональных конструкций бортов карьеров в тектонически напряженных массивах // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2015. Т. 2. № 2. С. 245–250.
  18. Левин Е. Л., Половинко А. В. Влияние неопределенности физико-механических свойств пород прибортового массива на коэффициент запаса устойчивости борта карьера, вероятность его обрушения и оценка зоны развала обрушившихся масс // Горный журнал. 2016. № 5. С. 14–20
  19. Semenyutina, A., Choi, M., & Bugreev, N. (2020). Evaluation of woody plants of Juniperus L. for urban greening in sparsely wooded regions . World Ecology Journal, 10(1), 97-120. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2020.1.5
  20. Belyaev, A., Repnikov, B., Semenyutina, A., Solonkin, A., & Khuzhakhmetova, A. (2020). Scientific substantiation of formation of a selection-seed-breeding center for wood and agricultural plants. World Ecology Journal, 10(2), 3-17. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2020.2.1

References

  1. Fisenko G. L. Ustojchivost` bortov kar`erov i otvalov. Moskva.: Nedra, 1965. 378 s.
  2. Demin A. M. Ustojchivost` otkry`ty`x gorny`x vy`rabotok i otvalov. Moskva.: Nedra, 1973. 232 s.
  3. Shpakov P. S., Poklad G. G., Ozhigin S. G., Dolgonosov V. N. Vy`bor prochnostny`x pokazatelej porod dlya rascheta parametrov ustojchivy`x otkosov // Markshejderiya i nedropol`zovanie. 2002. № 2. S. 37–41.
  4. Popov V. N., Shpakov P. S., Yunakov Yu. L. Upravlenie ustojchivost`yu kar`erny`x otkosov: ucheb. dlya vuzov. Moskva.: Gornaya kniga, 2008. 683 s.
  5. Popov Yu.V., Pustovit O.E. Metodika izucheniya i analiza treshhinovatosti. Chast` 2 graficheskie metody` izobrazheniya zamerov orientirovki treshhin i analiz treshhinovatosti: ucheb.posobie dlya vuzov. Rostov-na –Donu, 2009. 35 s.
  6. Patachakov I.V., Furtak A.A., Boos I.Yu «Opredelenie prochnostny`x svojstv gorny`x porod metodom obratny`x raschetov v usloviyax Gorevskogo svinczovo-cinkovogo mestorozhdeniya» // Markshejderiya i nedropol`zovanie. 2018 №1(93). 41 s.
  7. Mark D. Zoback. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 2010. 449 p.
  8. Ameen, Mohammed S. Operational Geomechanics – A Rock-Based Science for Environmental, Energy, and Engineering Applications. EAGE Publication, 2018. 327 p.
  9. Kianoosh Taghizadeh, Gael Combe, Stefan Luding. ALERT Doctoral School 2017 – Discrete Element Modeling. The Alliance of Laboratories in Europe for Education, Research and Technology, 2017. 218 p.
  10. P. TURNER, R.R. HILLIS, M.J. WELCH. GEOLOGICAL SOCIETY SPECIAL PUBLICATION NO. 458. Geomechanics and Geology. Geological Society of London. Geomechanics and Geology, 2017, 458 p.
  11. François Henri Cornet, Université de Strasbourg. Elements of Crustal Geomechanics. Cambridge University Press, 2015, 490 p.
  12. Gal`perin, A.M. Geomexanika otkry`ty`x gorny`x rabot: uchebnik dlya studentov vuzov, obuchayushhixsya po napravleniyu podgotovki diplomirovaniya specialistov «Gornoe delo». – Moskva. Gornaya kniga, 2012. – 480 s.
  13. Popov V.N., Shpakov P.S., Yunakov Yu.L., Upravlenie ustojchivost`yu kar`erny`x otkosov: Uchebnik dlya vuzov. – Izdatel`stvo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, izdatel`stvo «Gornaya kniga». 2008. – 683 s.
  14. Livinskiy I. S., Mitrofanov A. F., Makarov A. B. Complex geomechanical modeling: structure, geology, reasonable sufficiency. Gornyi Zhurnal. 2017. No. 8. pp. 51–55. DOI: 10.17580/gzh.2017.08.09
  15. Lyashenko V. I. Razvitie nauchno-texnicheskix osnov monitoringa sostoyaniya gornogo massiva slozhnostrukturny`x mes to rozhde nij. Soobshhenie 2 // GIAB. 2017. № 3. S. 123–141.
  16. Kurlenya M.V. Nauchnaya shkola. Geomexanika i texnologii osvoeniya nedr. Novosibirsk: Nauka, 2016. 268 s.
  17. Kozy`rev A. A., Ry`bin V. V. Geomexanicheskoe obosnovanie racional`ny`x konstrukcij bortov kar`erov v tektonicheski napryazhenny`x massivax // Fundamental`ny`e i prikladny`e voprosy` gorny`x nauk. 2015. T. 2. № 2. S. 245–250.
  18. Levin E. L., Polovinko A. V. Vliyanie neopredelennosti fiziko-mexanicheskix svojstv porod pribortovogo massiva na koe`fficient zapasa ustojchivosti borta kar`era, veroyatnost` ego obrusheniya i ocenka zony` razvala obrushivshixsya mass // Gorny`j zhurnal. 2016. № 5. S. 14–20
  19. Semenyutina, A., Choi, M., & Bugreev, N. (2020). Evaluation of woody plants of Juniperus L. for urban greening in sparsely wooded regions . World Ecology Journal, 10(1), 97-120. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2020.1.5
  20. Belyaev, A., Repnikov, B., Semenyutina, A., Solonkin, A., & Khuzhakhmetova, A. (2020). Scientific substantiation of formation of a selection-seed-breeding center for wood and agricultural plants. World Ecology Journal, 10(2), 3-17. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2020.2.1