Wykorzystanie dronów w górnictwie

Pomiary geodezyjne wyrobisk kopalni

Fotogrametria w górnictwie obecna jest od zeszłego wieku, ale dopiero teraz przeżywa prawdziwy rozkwit. Wszystko to za sprawą bezzałogowych statków latających (BSL, UAV, dronów). To one pozwoliły na pozyskanie w sposób szybki i precyzyjny dużej ilości danych. Rzecz dotyczy głównie górnictwa odkrywkowego, ale jak można się przekonać, również naziemnej części kopalni głębinowych.

fotogram
Fragmenty fotogramów (prawego i lewego) (źródło: Archiwum Działu Mierniczego KWB „Bełchatów” S.A.)

Na terenach dużych wyrobisk skalnych od zawsze istniał problem dokładnego wyznaczenia objętości urobku. W czasach „analogowych” eksperymentowano z fotogrametrią naziemną, stosując specjalistyczne kamery fotogrametryczne. Metoda ta była niedoskonała ze względu na charakterystykę pomiaru oraz brak komputerów (lub zbyt małej mocy obliczeniowej tychże). Z pomocą przyszły pierwsze aparaty cyfrowe oraz mocniejsze procesory. Jednak i to nie było wystarczające, aby wdrożyć takie rozwiązanie na skalę przemysłową.

Prawdziwy przełom nastąpił wraz z pojawieniem się pierwszych zdalnie sterownych urządzeń latających. Wraz z nimi na kopalnie odkrywkowe zaczęła wkraczać fotogrametria niskiego pułapu. Można przyjąć, że gwałtowny rozwój zaczął się pod koniec pierwszej dekady XXI wieku.
Udoskonalenie różnego rodzaju platform pozwoliło na zamontowanie kamer na ich pokładach i wykonywanie zdjęć całego obszaru z powietrza, analogicznie do fotogrametrii lotniczej. Od tamtego czasu drony, jak je później nazwano, na dobre zadomowiły się wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba obliczenia objętości na dużych obszarach.

Podstawowym produktem wykorzystywanym w górnictwie jest numeryczny model terenu (NMT).

Jak powstaje NMT możesz dowiedzieć się tutaj

teksturowany nmt z nałożoną siatką trójkątów
Teksturowany numeryczny model terenu pozyskany z drona z nałożoną siatką trójkątów
Barwna mapa hipsometryczna z UAV
Barwna mapa hipsometryczna wyrobiska

Inwentaryzacja wyrobiska górniczego

Numeryczny model terenu z drona służy przede wszystkim do inwentaryzacji wyrobiska oraz obliczenia objętości. To na jego podstawie powstaje mapa wyrobiska. W zadanym dla każdej kopalni okresie rozliczeniowym (miesięcznym, kwartalnym lub rocznym), porównuje się dwa modele i sporządza dokumentację górniczą, która następnie składana jest do urzędów górniczych, celem naliczenia opłat eksploatacyjnych.

Wykorzystując drony, przy zachowaniu zasad sztuki geodezyjnej, pozyskujemy dokładny model terenu, który pozbawiony jest generalizacji. W przeciwieństwie do technik klasycznych, gęsta chmura punktów pozwala dokładnie zobrazować nieregularne bryły. Ma to proste przełożenie na wynik finansowy kopalni. Dzięki UAV możemy obliczać objętości z błędem nawet 0,5%.

obliczenia mas ziemnych z drona
Obliczenia objętości mas ziemnych
pomiary mas ziemnych z drona
Zmiany zobrazowane przez nałożenie dwóch modeli z różnych okresów

Kopalnie, które mają ogromne koszty transportu oraz opłat eksploatacyjnych, chętnie wykorzystują tę technologię, ponieważ ograniczenie błędu pomiaru o każdy punkt procentowy daje wymierne oszczędności.

Oprócz modeli samego wyrobiska, sporządza się modele dla wszelkiego rodzaju hałd, zwałowisk czy składowisk. Niejednokrotnie okazuje się, że zastosowanie bezzałogowców to jedyna metoda pomiaru. Szczególnie w przypadku materiałów sypkich, łatwopalnych, toksycznych itp., gdzie wejście człowieka wiąże się z wysokim ryzykiem. Przykładem mogą być hałdy węgla, w przypadku których istnieje ryzyko samozapłonu czy wysypiska śmieci.

Wynika z tego kolejna korzyść stosowania dronów – to poprawa warunków BHP na terenie zakładów górniczych. Metoda ta nie wymaga (lub zmniejsza do minimum) wejścia na teren wyrobiska, szczególnie na obszary niebezpieczne. Dodatkowo wykorzystując geodezyjne odbiorniki na pokładzie UAV możemy pozwolić sobie na ograniczenie liczby fotopunktów.

Sporządzanie dokumentacji mierniczo-geologicznej

W ramach obsługi mierniczo-geologicznej, geodeci mają wiele zadań do wykonania. Należą do nich:
– aktualizacja mapy sytuacyjno-wysokościowej wyrobiska oraz map dla kierownictwa i osób dozoru ruchu,
– sporządzanie map profili górniczych oraz przekrojów geologicznych,
– kontrola zgodności prowadzonych robót górniczych z zatwierdzonym planem ruchu i dokumentowanie tych kontroli w „książce uwag”,
– wykonywanie pomiarów kontrolnych i uzupełniających na zgłoszenie służb górniczych,
– pomiar bieżący postępów frontów eksploatacyjnych, nadkładu oraz zwałowisk górniczych i przeróbczych
– pomiar na potrzeby rozliczenia złoża
– obmiary zdjętego nadkładu
– sporządzanie dokumentacji mierniczej osuwisk

Dzięki wykorzystaniu dronów niemal wszystkie z tych prac możemy wydatnie skrócić a co ważniejsze zwiększyć dokładność pomiaru. Dla przykładu, pomiar kilkunastu składowisk metodami klasycznymi zajmuje cały dzień i jest obarczony błędem generalizacji, natomiast wykorzystując fotogrametrię niskiego pułapu pomiar trwa kilkanaście minut.

pomiar objętości składów dron
Raport z obliczenia objętości
gęsta chmura punktów breakline
Breakline jako krawędź ściany wyrobiska

Mając do dyspozycji gęstą chmurę punktów, możemy dokładnie określić przebieg krawędzi ścian wyrobiska. Co więcej daje nam to możliwość kontroli kąta nachylenia w dowolnym wybranym fragmencie. Ma to szczególne znaczenie przy planowaniu robót strzałowych gdzie wszystkie parametry są ściśle określone dla danego zakładu oraz są uzależnione od rodzaju wydobywanej kopaliny.

Te same dane podczas prac kameralnych przekształcamy na mapę wyrobiska. Są one świetnym materiałem archiwalnym, ponieważ oprócz standardowej warstwy wektorowej, posiadamy również ortofotomapę na której możemy dokonać inspekcji wizyjnej. Tak przygotowane opracowanie znajduje uznanie w oczach kierownictwa zakładów górniczych jak i urzędach górniczych.

mapa wyrobiska dron uav
Mapa wyrobiska

Mówiąc o tych ostatnich nie sposób nie wspomnieć o wymogu składania odpowiednich dokumentów spełniających określone kryteria. Na chwilę obecną (rok 2018) posiadamy duże doświadczenie i wypracowaną ścieżkę z najbardziej wymagającymi urzędami górniczymi w Polsce w przekazywaniu dokumentacji mierniczo-geologicznej, wykonanej za pomocą UAV.

Sam model to nie wszystko – inne zastosowania dronów w górnictwie

Wykorzystując zdjęcia, tworzymy równolegle ortofotomapy oraz teksturowane modele 3D. Mając do dyspozycji taki kartometryczny podkład na bieżąco monitorujemy stan wyrobiska, jak i całej przyległej infrastruktury.

inwentaryzacja wyrobiska dron
Ortofotomapa umożliwiająca inwentaryzację wyrobiska oraz stanu maszyn i urządzeń w zakładzie górniczym

Barwna ortofotomapa może służyć do oceny zmian środowiska naturalnego, wpływu eksploatacji oraz do inspekcji maszyn i urządzeń. Teksturowane modele oraz same zdjęcia świetnie nadają się do oceny kondycji wież szybowych oraz wyciągów.

Bezzałogowce znajdują zastosowanie we wszelkich nietypowych zadaniach. Przykładem może być wyznaczanie poziomu wody wraz z odległością linii brzegowej od korony zapory. Na płytkich, zamulonych zbiornikach, dodatkowo wypełnionych niebezpieczną cieczą, gdzie wejście ani wpłynięcie nie jest możliwe, pozyskany NMT oraz ortofotomapa z drona to jedyny sposób na pomiar. Co więcej, precyzyjny model pozwala na dokładne prognozowanie wypełniania zbiornika, a w efekcie na podjęcie działań przed wystąpieniem zagrożenia. W takich przypadkach wykorzystujemy również drony nawodne. Za pomocą zdalnie sterowanych łódek z echosondą wykonujemy pomiar batymetryczny w celu określenia głębokości zbiornika wodnego. Podczas obróbki łączymy chmurę punktów z obu sensorów otrzymując kompletny wynik.

ortofotomapa i model terenu colidrone

Innym przykładem może być użycie UAV do badania zmian na terenach objętych wpływem eksploatacji górniczej. W miejscach, gdzie osiadania gruntu przekraczają 10 cm pozyskane modele pozwalają precyzyjnie modelować niecki osiadań. Znów gęsta chmura punktów pozwala na pełne zobrazowanie zjawiska. Ma to szczególne znaczenie na terenach zurbanizowanych, gdzie ważne jest bezpieczeństwo. Pozwala również zoptymalizować koszty związane z odszkodowaniami.
Podobnym, bardzo ciekawym przykładem jest kopalnia piasku Obora (KGHM), gdzie na powierzchni prowadzone jest wydobycie odkrywkowe, a pod ziemią głębinowe. Gdyby nie dokładny pomiar z drona, pomiary objętości na powierzchni obarczone byłyby błędem wynikającym z osiadania gruntu.

Jak można się przekonać, zastosowanie bezzałogowych statków latających w górnictwie niesie wiele korzyści. Należy jednak pamiętać, że wszystko to jest dostępne przy zachowaniu ściśle określonych zasad z wykorzystaniem sprzętu klasy geodezyjnej.