ГОРНОЕ ДЕЛО

Мониторинг в реальном времени устойчивости бортов конечных границ карьера с помощью усовершенствованной радиолокационной технологии

Коли, Н.
ИДС Инженерия, Деи Системи СпА, Италия (IDS Ingegneria Dei Sistemi SpA, Italy)
Райх, У.
ООО «терра технолоджис», Россия (terra technologies, Russia)

1. Введение:

Радар для отслеживания состояния откосов – это общепринятый мощный инструмент для мониторинга движения естественных и искусственных уклонов.

Радиолокационная технология, в которой применяются интерферометрические методы, дает преимущества высокоточных измерений, дальнобойности и ограниченного воздействия атмосферных явлений на точность измерений.

Благодаря возможности быстрого получения данных по чрезвычайно большой площади практически в реальном времени, радарные установки эффективно применяются для достижения лучшего понимания пространственного распределения движений откоса, а также для предупреждения в случае прогрессирующих смещений, которые могут привести к обрушению.

В основе радара для отслеживания состояния откоса лежит радиолокатор с реальной апертурой (РРА) (обычно используются параболические антенны большого размера для изучения наблюдаемого сценария), который изначально использовался в горнодобывающей промышленности для отслеживания в режиме, близком к реальному времени, специфических "критических" зон карьера и подает предупредительные сигналы в случае быстрых смещений, которые могут привести к обрушению части откоса. Из-за ограничений, возникающих вследствие пространственного разрешения, которого можно достичь с помощью радиолокации с реальной апертурой, ее ограниченного рабочего диапазона и значительного количества времени, требуемого на получение отдельного радиолокационного изображения, зоны отслеживания обычно ограничиваются карьером, где смещения были сначала обнаружены обычными системами мониторинга, такими, как тахеометр или геотехнические датчики.

Изначально разработанные для спутниковых технологий отслеживания деформаций почвы, радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) превратились в конфигурируемый инструмент для отслеживания поверхностных смещений уклонов или стен карьеров.

Так как он нацелен на применение при горных работах и имеет быструю частоту регенерации (примерно 2-3 минуты на весь сценарий), РСА дает пользователю мгновенное и комплексное представление о состоянии карьера. Вне зависимости от размера и скорости, данные о смещении в настоящий момент обеспечивают для пользователей подход "все в одном", который позволяет сочетать критические для безопасности и долгосрочные данные по большой площади в режиме, близком к реальному времени.

2. Технология РСА:

Радар для отслеживания состояния откоса, основанный на технологии РСА, характеризуется ограниченным количеством подвижных элементов по сравнению с параболической антенной РРА, и обычно состоит из радиолокационного датчика, линейного сканера и блока питания. Небольшие рупорные антенны не подвержены вызванным ветром вибрациям и обеспечивают большую зону охвата при сканировании на большом расстоянии (Mitri and Vennes, 2014; Atzeni et al., 2015).

Такая конфигурация позволяет радару отслеживания состояния откоса на основе РСА сократить обычное время получения изображения наблюдаемой зоны с полным разрешением (напр., 5 минут для охвата зоны 6-8 км² на рабочем расстоянии 2 км).

Один из имеющихся на рынке на сегодняшний день радиолокаторов для отслеживания состояния откоса, это IBIS, производимый Компанией ИДС (IDS).

Обычный элемент разрешения радиолокатора для отслеживания состояния откоса IBIS РСА может быть 0,5 м х 4,3 м на расстоянии 1 км, по отношению к разрешению около 8,5 м х 8,5 м для параболической антенны, используемой в РРА и работающей на том же расстоянии. Точность измерения варьируется от 0,1 до 0,2 мм вдоль линии радиолокационной видимости в пределах первого км от уклона и менее 1 мм в пределах 2 - 4 км (Pieraccini et al., 2013)..

Высокое пространственное разрешение – это важная дополнительная особенность для открытых горных работ, так как она означает повышенную чувствительность к смещениям уклонов и возможность обнаружения небольших зон обрушений, в частности , обрушений небольших уступов.

Это преимущество, в сочетании с большим пространственным охватом, делает РСА превосходным инструментом для одновременного исследования всего диапазона очагов нестабильности уклона или стенки карьера в пространственном масштабе (обрушения как небольших уступов, так и всего уклона).

Еще одна инновация радиолокатора IBIS – это алгоритм обработки данных, применяемый для коррекции воздействия атмосферных явлений. Вызванные атмосферными явлениями артефакты возникают вследствие изменения показателя преломления воздуха (функция температуры, влажности и давления) и могут быть истолкованы как ложные смещения, если они не распознаны и не обработаны надлежащим образом.

Стандартные алгоритмы, используемые РРА, подразумевают ручной выбор стабильных зон по отслеживаемому сценарию, которые используются как ориентиры для расчета атмосферной коррекции. При использовании этого метода производится только линейная оценка атмосферного воздействия, которое может быть принято как верное только в диапазоне от ближнего до среднего и большую часть времени не применимо в зонах с сильным атмосферным воздействием.

Усовершенствованный алгоритм, используемый РСА, основан на технике постоянного рассеивания, которая была изначально разработана для спутников, и которая не подразумевает необходимости выбора атмосферной зоны пользователем (что является очень сложной задачей даже для опытных пользователей). Обработка данных основана на оценке атмосферного воздействия при осуществлении автоматического выбора множества сотен тысяч стабильных пикселей для исследования различий спектрального поведения во времени и пространстве. Автоматическая классификация, полученная в результате спутниковой интерферометрии, применяется при каждом радиолокационном обнаружении и используется для получения нелинейной модели атмосферной коррекции. Автоматический и итерационный расчет атмосферных артефактов по всему постоянному рассеиванию, делает возможным расширение рабочего диапазона радара на большие расстояния (до 4 км), при сохранении высокой точности.

Радар в открытых разработках обычно используется для мониторинга представляющих опасность сдвигов, посредством подачи сигналов тревоги в режиме реального времени на основании определенных пользователем предельных значений скорости сдвига. Благодаря возможности стационарной установки (которая возможна в силу большой дальности работы и высокого пространственного разрешения), технология РСА включает возможности отслеживания опасных моментов с отслеживанием общего состояния для осуществления геотехнического анализа. Более того, постоянное длительное хранение данных может быть использовано для долгосрочного отслеживания смещений, что может оказаться полезным для регулирования и ретроспективного анализа опасных зон откоса, а также более полного и комплексного геотехнического/геологического анализа.

3. Анализ опасных зон откосов при открытых горных работах:

Использование радара IBIS при открытых горных работах обеспечивает возможность обнаружения и регулирования больших зон неустойчивости на всем откосе, множественных переходных сегментах уклона, а также локализованный мониторинг в одно и то же время.

Основной причиной использования IBIS является мониторинг для безопасности, а именно подача предупреждающих сигналов для прогрессирующих смещений на основе измерений объема/скорости смещения. Радар становится инструментом, сочетаемым с другими источниками информации, для минимизации рисков посредством определения опасных условий и содействия в процессе принятия решений.

Рисунок 1. Пример установки РСА в угольном разрезе. На максимальном расстоянии 2,4 км. Карта смещения показана на цифровой модели местности (ЦММ) разреза

Также, долгосрочный мониторинг (в течение нескольких месяцев или лет) на больших участках карьера позволяет геотехническому персоналу лучше понять механизм крупномасштабных зон неустойчивости посредством получения данных о прочности толщи породы и ее деформации (Рисунок 2).

Использование радара таким образом, в основном нацеленное на разработку эффективных планов устранения последствий, также облегчается возможностью интеграции карт смещения с привязкой к местности, полученных с помощью радара, с другими геологическими/геотехническими слоям, и их импорта в программное обеспечение по планированию разработок и ГИС. Основной геоморфологический анализ может быть осуществлен посредством отображения карт смещения или скорости на ЦММ карьера в трехмерном изображении (3D) (Рисунок 1). Также, подробный мониторинг, как с пространственной, так и с временной точек зрения, является важным источником информации для надежной калибровки и валидации моделей анализа устойчивости – для определения механизмов запуска и видов обрушений, а также для оценки эффективности применяемой структуры уклона.

Рисунок 2. – Внизу – Общая карта смещений с привязкой к местности (55 дней) с момента установки компанией БиЭйчПи Биллитон (BHP Billiton) на руднике Эскондида, Чили, на максимальном расстоянии 2,5 км. Вверху – Временный ряд смещений

4. Полный мониторинг карьера – 360 градусов:

В случае множества радиолокационных установок, обычные радиолокаторы с реальной апертурой (РРА) работают независимо и отображают отдельные данные с подмножества участков зоны открытых разработок. Используя преимущества технологии IBIS, разработанное в последнее время программное обеспечение в настоящий момент времени расширяет возможность мониторинга для безопасности и позволяет интегрировать данные с множества систем IBIS и отобразить их на одном дисплее (Рис. 3), при этом производится полный мониторинг на 360 градусов, преимуществом которого является способность отслеживать для безопасности обрушения как небольших уступов, так и множественные обрушения.

Раннее распознавание как крупномасштабных, так и небольших зон неустойчивости по всем стенкам карьера, без необходимости предварительных сведений о подвижных зонах (которая может возникнуть при использовании радара с небольшим диапазоном), позволяет повысить осведомленность и подвижности и понимание поведения уклона.

Концепция полного мониторинга состояния уклона FPM360, основанная на возможностях радара IBIS, имеет следующие преимущества:

• Мониторинг опасных зон и общего состояния карьера в режиме 24/7 с получением полных сведений о ситуации и возможных и потенциальных зонах опасности.
• Оптимизация установок обычной системы мониторинга, таких, как призмы тахеометров или экстензометров, посредством обнаружения новых очагов активности в ранее стабильных зонах.
• Оптимизация планирования производства посредством разработки надлежащих стратегий уменьшения последствий в соответствии с долгосрочной информацией, полученной в ходе мониторинга общего фона (напр., откачка воды, оптимизация взрывных техник и т.д.).

Также, высокое пространственное разрешение IBIS и большой диапазон охвата позволяет производить комплексный мониторинг состояния карьера с помощью минимального количества систем. В зависимости от геометрии карьера и эксплуатационных условий, обычно 2-4 системы охватывают весь карьер.

Рисунок 3. Концептуальный пример компоновки для полного мониторинга карьера. Показаны все системы семейства IBIS.

Рисунок 4. Пример: полный охват достигается с помощью 4 установок IBIS-FM, расположенных по краю карьера.

5. Многомасштабная обработка:

Технология IBIS обладает возможностью измерить быстрые смещения от мм/день до нескольких десятков см/день, типичные для скорости деформации при мониторинге для безопасности. Система также может обнаружить очень медленные смещения (мм/месяц).

Обнаружение медленных смещений является уникальной особенностью модуля обработки IBIS, который способен охватить в режиме реального времени до четырех диапазонов смещения (от десятков мм/час до нескольких мм/месяц). Анализ радиолокационных данных с помощью этого модуля обработки делает возможным обнаружение в режиме реального времени обширного диапазона смещений, что позволяет пользователю одновременно определять зоны быстрого и медленного смещения, и сравнивать скорость смещения между зонами.

Возможность обнаружения неизвестных опасностей начинается со способности быстрого нахождения зон медленного смещения при отслеживании максимально большой части уклона. Определение медленного смещения с очень высоким пространственным разрешением позволяет геотехническим инженерам и планировщикам получить дополнительное время для оценки условий на откосе и разработать решения до того, как смещение начнет мешать работе в карьере.

Многомасштабное обнаружение смещений, в сочетании с комплексным мониторингом карьера и долгосрочными наборами данных, в последнее время стало важной частью планирования горных работ и уменьшения геотехнических рисков.

Рисунок 5. Пример концептуальной визуализации техники многомасштабной обработки

6. Предметные исследования:

Раннее обнаружение смещений стенок карьера сыграло решающую роль в Африке 23 октября 2013 г., когда перемещения грунта были успешно обнаружены радаром IBIS и были поданы сигналы для принятия необходимых мер.

Вследствие сложных геологических особенностей, угол наклона слоев поблизости от рудника варьируется от 10˚до 40˚ и был ограничен основными обрушениями которые круто упали к юго-восточной стене. Дневная структура восточной стены карьера обусловила угрозу устойчивости и привела к необходимости использования систем радиолокационного мониторинга.

Начало движения было засечено радаром за месяц до обрушения. Время обрушения было точно предсказано с помощью обратного скоростного подхода, который выявил четкую тенденцию с утра 21 октября и указал, что обрушение произойдет ранним утром 23 октября (Рисунок 7).

Рисунок 6. Временный ряд смещения по отношению к обрушению множества уступов, зарегистрированному радаром IBIS.

Рисунок 7. Временный ряд смещения обратной скорости по отношению к обрушению множества уступов, зарегистрированному радаром IBIS.

Другой рудник открытых горных работ находился в субарктическом климате и для него были характерны крутые склоны, разрабатываемые в массе крепкой породы, перемежающейся несколькими продолжительными и сильно наклонными зонами сдвига, практически параллельными откосам бортов карьера, что представляло собой опасный сценарий.

Зоны сдвига, частично измененные в значительной степени и в некоторых местах соединенные, привели к неустойчивости уступов, которая обычно связана с обвалами, обрушениями слоев и секторов уступов. Одна из наиболее важных зон сдвига расположена на восточной стороне карьера, в рудном пласте, практически соприкасающемся с пустой породой. Зона сдвига проходит почти по всей восточной стене карьера.

На Рисунке 8 показано, каким образом РСА IBIS смог уловить некоторые смещения в подуступах, связанные с обрушением сектора уступа. Несмотря на то, что радар работал на расстоянии более 1 км от откоса, высокое пространственное разрешение обеспечило возможность получения данных о смещении практически за двенадцать часов до обрушения и выдачи четких указаний в отношении подвижной зоны.

Рисунок 8. Карта смещения IBIS и временная последовательность обрушения подуступов, которые произошли на практически вертикальном уступе.

7. Выводы:

Радиолокатор для отслеживания состояния уклонов вошел в стандартную практику мониторинга состояния откосов в режиме, близком к реальному времени, в открытых разработках. Разработка в последние годы радаров для мониторинга состояния уклонов на основании радара IBIS РСА – это явный шаг в усовершенствовании радиолокационных технологий и расширения возможностей мониторинга.

Преимущества системы РСА по отношению к установкам РРА предыдущего поколения связаны с улучшением пространственного разрешения, рабочим расстоянием от уклона, временем обнаружения, коррекцией атмосферные явления, меньшим количеством подвижных элементов и меньшим энергопотреблением. Усовершенствование этих особенностей позволяет пользователям увеличить охват возможных зон неустойчивости откоса на всех уровнях, от обрушений уступа до обрушений всего уклона, и расширить диапазон отслеживаемой скорости деформации, включив в них медленные деформации (Farina et al., 2011). Это делает РСА идеальным инструментом как для тактического, так и для стратегического мониторинга (Farina et al., 2012).

Радар IBIS представляет собой ценный инструмент управления рисками, связанными с обрушением, обеспечивающий эффективный тактический мониторинг подвижной зоны и стратегический мониторинг всего уклона.

Возможность обработки долгосрочных данных в сочетании с широким диапазоном и высоким разрешением позволяет отслеживать всю эволюцию сдвигов с самого их начала и представляет собой ценный инструмент геотехнического персонала для выполнения ретроспективного анализа обрушения и разработки возможных стратегий уменьшения вероятности наступления таких событий посредством, например, пересмотра программы взрывных работ и работ по откачке воды.

Также программное обеспечение в настоящий момент позволило осуществлять комплексный мониторинг карьера с помощью интегрированных систем IBIS, обеспечивающим охват уклонов карьера на 360° в режиме реального времени. В результате круглосуточного мониторинга опасных зон, возможность обработки долгосрочных (охватывающих месяцы) наборов данных для мониторинга общего состоянии и ретроспективного геотехнического анализа по всему карьеру и охвата на 360 градусов оказывает существенное воздействие на практику радиолокационного мониторинга в современных карьерах и разрезах.

Список литературы:

1. Atzeni C., Barla M., Pieraccini F., Antolini A. 2015. Early Warning monitoring of natural and engineered slopes with Ground Based Sythetic Aperture Radar. Roc. Mech. Roc. Eng, vol 48, Issue 1, pp 235-246, Springer.

2. Farina P., Leoni L., Babboni F., Coppi F., Mayer L., Ricci P. 2011. IBIS-M, Innovative Radar for Monitoring Slopes in Open-Pit Mines. Proceedings, Slope Stability 2011: International Symposium on Rock Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering. Vancouver, Canada (September 18-21, 2011)

3. Farina P., Leoni L., Babboni F., Coppi F., Mayer L., Coli N., Helbawi A. 2012. Monitoring open pit slopes through Slope Monitoring Radar based on Synthetic Aperture Radar. Proceedings RockEng 2012 21st Canadian Rock Mechanics Symposium. Edmonton (AB), Canada. May 5-9, 2012, 6 pp

4. Farina P, Coli N., Yon R., Eken G., Ketizmen H. 2013. Efficient real time stability monitoring of mine walls: the Çöllolar Mine case study. Proceedings of 23rd International Mining Congress & Exhibition of Turkey, 16-19 April2013, Antalya, Turkey.

5. Mitri, H. and Vennes, I. 2014. Rock Slope Surface Monitoring Technologies with Focus on Ground-Based Synthetic Aperture Radar. Proceedings Mine Planning and Equipment Selection. Switzerland, 2014.

6. Pieraccini, M., 2013. Real Beam vs. Synthetic Aperture Radar for Slope Monitoring. Proceedings Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings. Stockholm, Sweden, Aug. 12-15, 2013.

• < Назад
• Вперёд >