Сравнительный анализ современных методов мониторинга техногенных объектов

Сравнительный анализ современных методов мониторинга техногенных объектов

Ю.Н. Малышев, акад. РАН, президент ГГМ РАН

А.В. Титова, д-р техн. наук, зам. директора ГГМ РАН

С.В. Черкасов, канд. геол.-менерал. наук, директор ГГМ РАН

С.В. Булов, зав. отделом системного администрирования и технической поддержки ГГМ РАН

Е.В. Чесалова, науч. сотр. ГГМ РАН

Минерально-сырьевые отрасли национального хозяйства относятся к первичному звену переработки природных ресурсов, поэтому именно они определяют параметры перерабатывающих и смежных отраслей. Именно они несут в полной степени ответственность за образованные техногенные отходы и необходимые шаги по их минимизации. Проблема образования техногенных отходов усугубляется, в первую очередь, отсутствием рычагов их централизованного учета и регулирования, что, в свою очередь, отягощает экологическую ситуацию территорий добывающих регионов. Модернизация минерально-сырьевого сектора на сегодня в первую очередь определяется наполнением ее, интеграцией в нее высокотехнологичной базы. Увеличение полноты использования минерально-ресурсного потенциала, в первую очередь за счет вовлечения в переработку техногенного стратегического минерального сырья, как основы формирования дополнительной минерально-сырьевой базы стратегического сырья РФ, становится важнейшим фактором рентабельного развития минерально-сырьевого сектора экономики. Актуальность проблемы динамичного накопления техногенных отходов требует выработки оперативного и инновационно привлекательного подхода к оценке, извлечению и использованию ценных минеральных компонентов.

Минерально-сырьевые отрасли национального хозяйства относятся к первичному звену переработки природных ресурсов, поэтому именно они определяют параметры перерабатывающих и смежных отраслей. Именно они несут в полной степени ответственность за образованные техногенные отходы и необходимые шаги по их минимизации. Проблема образования техногенных отходов усугубляется, в первую очередь, отсутствием рычагов их централизованного учета и регулирования, что, в свою очередь, отягощает экологическую ситуацию территорий добывающих регионов. Модернизация минерально-сырьевого сектора на сегодня в первую очередь определяется наполнением ее, интеграцией в нее высокотехнологичной базы. Увеличение полноты использования минерально-ресурсного потенциала, в первую очередь за счет вовлечения в переработку техногенного стратегического минерального сырья, как основы формирования дополнительной минерально-сырьевой базы стратегического сырья РФ, становится важнейшим фактором рентабельного развития минерально-сырьевого сектора экономики. Актуальность проблемы динамичного накопления техногенных отходов требует выработки оперативного и инновационно привлекательного подхода к оценке, извлечению и использованию ценных минеральных компонентов.

В особенности это относится к старым отвалам и хвостохранилищам, которые формировались в 1940–1950 гг., когда не уделялось должного внимания комплексному изучению минерального сырья, а кондиции его добычи и переработки были значительно выше современных. Определяя истоки этой проблемы, а они глубинны, можно с полной уверенностью констатировать серьезные ошибки, доставшиеся нам из прошлого, в период разобщенности ведомств, когда на каждый вид сырья было создано свое министерство, и соответственно оно было заинтересовано в добыче только своего вида сырья [1]. Для эффективного решения этой важнейшей задачи необходимо выработать алгоритм, основная цель которого заключается в оценке техногенных ресурсов с учетом содержания в них полезных компонентов. Для оценки техногенных отходов горнопромышленных производств необходим выбор современных методов мониторинга.

Один из которых – использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Нами предлагается оперативный и инновационно привлекательный подход, в основу которого положена методика определения границ и оценки объемов техногенных объектов, образованных при добыче и обогащении руд цветных, благородных и редких металлов (шламо- и хвостохранилища горно-обогатительных фабрик, в т.ч. старых рудников) с использованием БПЛА. Методика относится к области обработки информации и может быть использована для создания трехмерных моделей отходов рудообогащения, в том числе отходов старых рудников на основе существующих технологий и программного обеспечения [2].

Техногенно-минеральные аккумуляции (ТМА), возникающие при добыче и обогащении руд, представлены терриконами, а также шламо- и хвосто- хранилищами, сложенными измельчённым материалом с водонасыщением до 20–50%, плотностью от 1,5 до 2,5 т/мі и содержанием глинистых частиц до 50%. Такие отходы часто содержат значительное количество полезных компонентов, доступных для современного извлечения и могут быть перспективными для их разработки. Методика предназначена для оценки накопленного экологического ущерба, а также для повышения эффективности и точности выявления перспективных для освоения ТМА. Резкое снижение затрат на проведение детальной геодезической съемки позволяет оценивать объемы техногенных накоплений оперативно и с высокой точностью. Вопросы использования беспилотных летательных аппаратов до сих пор рассматривались с точки зрения оценки как объемов отходов горнорудного производства (трехмерное моделирование техногенных аккумуляций на основе высокоточной аэрофотосъемки), так и состава отходов (мультиспектральная аэрофотосъемка) [3].

В последнее время активно ведутся разработки технологий геофизических исследований с применением БПЛА в качестве носителей геофизического оборудования [4]. Особенно быстрыми темпами идут разработки технологии магнитной съемки [5].

В рамках работ отчетного периода авторами рассмотрена возможность использования беспилотного аэро-магнитометрического комплекса (БАМК) для оценки и разведки техногенных минеральных аккумуляций.

Методология применения беспилотного аэро-магнитометрического комплекса (БАМК) для мониторинга техногенных объектов (шламо- и хвостохранилищ горно-обогатительных фабрик, в т.ч. старых рудников).

Решение поставленной задачи базируется на анализе двух основных предпосылок для использования магнитной съемки при разведке техногенных аккумуляций:

1. контрастность магнитных свойств отходов горнорудного производства, обеспечивающая возможность классификации отходов по аномальному магнитному полю;

2. технические характеристики БАМК, обеспечивающие выделение аномалий магнитного поля, связанных с неравномерностью распределения магнитных минералов в отходах горнорудного производства.

Традиционно магнитная съемка используется для исследования природных объектов, в частности, глубинного строения земной коры, тектонической структуры территорий рудных районов и месторождений полезных ископаемых и др. Однако известна и практика использования магнитной съемки в археологии для поисков археологических артефактов [6].

В данном случае речь идет об исследованиях антропогенных объектов. Исследование отходов горнорудного производства методами магниторазведки занимают промежуточную позицию между этими задачами.

Контрастность магнитных свойств отходов производства, обеспечивающая возможность классификации отходов по аномальному магнитному полю.

По величине магнитной восприимчивости (х) минералы делятся на сильномагнитные или ферромагнитные (x> 3,8*10-5 м3/кг); слабомагнитные или парамагнитные (7,5.10-6 > х > 1,26*10-7 м3/кг); немагнитные (х < 1,26*10-7 м3/кг) и диамагнитные (х < 0).

К сильномагнитным минералам относятся магнетит, маггемит, франклинит, пирротин и др. К слабомагнитным минералам относятся оксиды, гидроксиды и карбонаты железа и марганца, ильменит, вольфрамит, гранат и др.

Большая часть магнитных и слабомагнитных минералов входят составляющими различных руд, и, как правило, их содержание в рудах отличается от содержания во вмещающих породах.

Основные объемы отходов горнорудного производства накоплены в отвалах разработанных и находящихся в эксплуатации месторождений полезных ископаемых и в хвостохранилищах обогатительных фабрик. При этом хвосты обогащения по сравнению с отвалами представляют собой более гомогенную массу при условии, что в ходе обогащения руды технология обогащения не изменялась.

Отвалы же месторождений представляют собой накопленные в ходе открытой добычи полезных ископаемых вскрышные породы и в разной степени оруденелые вмещающие породы, в т.ч. забалансовые руды и примеси потерянных балансовых руд. В породной массе отвалов месторождений, как правило, отсутствуют какие-либо рудные тела и зоны в классическом их понимании, а распределение рудных обломков носит хаотичный характер (Болтыров и др., 2015). Поэтому при наличии в составе руд магнитных минералов можно создавать условия для оконтуривания вмещающих пород методами магниторазведки, а при благоприятных условиях – и оценивать распределение содержания рудных компонентов в таких породах.

Исходя из вышеизложенного использование магниторазведки может быть рациональным в большей степени при разведке отвалов месторождений, нежели при исследованиях хвостохранилищ. В качестве примера рассмотрим разрез отвалов Аллареченского месторождения сульфидных медно-никелевых руд (рис. 1). Рис. 1 Схематичный разрез техногенной аккумуляции «Отвалы Аллареченского месторождения» (Болтыров и др., 2015): 1 – коренные скальные породы; 2 – рыхлые песчано-глыбовые четвертичные отложения; 3 – заболоченная почва; 4 – вскрышные, преимущественно безрудные породы (гнейсы, гранито-гнейсы, амфиболиты); 5 – вскрышные породы и в разной степени оруденелые вмещающие породы (перидотиты, оливиниты, контактовые амфиболиты и др.), которые концентрируют в себе наибольшую часть забалансовых руд и балансовых руд – из объемов потерь и некондиционных прослоев.

Рис. 1 Схематичный разрез техногенной аккумуляции «Отвалы Аллареченского месторождения» (Болтыров и др., 2015):

1 – коренные скальные породы; 2 – рыхлые песчано-глыбовые четвертичные отложения; 3 – заболоченная почва; 4 – вскрышные, преимущественно безрудные породы (гнейсы, гранито-гнейсы, амфиболиты); 5 – вскрышные породы и в разной степени оруденелые вмещающие породы (перидотиты, оливиниты, контактовые амфиболиты и др.), которые концентрируют в себе наибольшую часть забалансовых руд и балансовых руд – из объемов потерь и некондиционных прослоев.

Разработка месторождения была завершена в 1971 г., а в период 2006–2010 гг. на отвалах была проведена разведка с целью определения перспективности их разработки, как техногенной залежи. Разведочные работы строилась на условиях подготовки техногенной залежи к опытно-промышленной разработке, поэтому разведкой был охвачен верхний слой на глубину 4 м. На разведочной площади 60,2 тыс. мІ было пройдено 97 открытых горных выработок (траншейного типа) с плотностью разведочной сети 25х25–50 м.

Проведенные работы показали, что в породной массе отсутствуют какие-либо рудные тела и зоны, в классическом их понимании, а распределение рудных обломков носит хаотичный характер. Вследствие этого методика опробования строилась из приоритета получения данных о средневзвешенном содержании полезных компонентов в отдельно взятом объеме (выработке). Для этих целей в каждой выработке отбирались по две 4-метровые бороздовые пробы с противоположных бортов, которые затем объединялись в одну валовую пробу, в которой и определялись содержания полезных компонентов. Таким образом, представленный на рис 1 разрез – весьма схематичен, и граница между верхним слоем, сложенным из преимущественно безрудных пород, а также из вскрышных и оруденелых пород – скорее всего условная.

Исследования магнитных свойств пород отвалов произведены только с позиций изучения возможности использования магнитной сепарации при обогащении пород. При этом показано, что контрастность магнитных свойств базируется на тесной парагенетической связи основных рудообразующих минералов – пентландита и халькопирита с природными ферро- магнетиками, к которым относятся магнетит и моноклинный пирротин. Несмотря на то, что данные для проведения моделирования магнитного поля рудосодержащего слоя отсутствуют, имеющейся информации достаточно, чтобы утверждать, что магниторазведка с большой степенью вероятности позволит оконтурить рудосодержащий слой (слой 5 на рис. 1), в том числе, чтобы определить положение его нижней границы, что представляет собой важный параметр для оценки экономической перспективности разработки отвалов, и позволит сократить объем буровых работ на последующем этапе детальной разведки всей техногенной залежи.

Целесообразность применения БПЛА определяется возможностью достижения сопоставимых параметров съемки при улучшении экономических характеристик полевых работ за счет сокращения логистических затрат на их проведение [6]. Высокие темпы развития и внедрения БПЛА в повседневную жизнь, а также скачок в теории магнитометров (повышение чувствительности (до 0,001 нТл), их быстродействия (от 10 и 100 измерений в секунду) послужили основой для разработки нового, не имеющего аналогов в России, беспилотного комплекса дистанционного мониторинга природных и техногенных сред.

ГГМ им. В.И. Вернадского РАН, совместно с ГК ГЕОСКАН, разработан беспилотный комплекс и технология аэромагнитной съемки с использованием БПЛА. Также был разработан новый легкий аэромагнитометр с частотой измерения магнитного поля Земли 1000 Гц, где в качестве магнитометрического датчика использован рубидиевый датчик с оптической накачкой.

Назначение комплекса:

• выделение рудоконтролирующих факторов структур;

• детальное изучение рудных полей;

• поиски всех видов месторождений полезных ископаемых;

• детальное исследование нефтегазовых структур платформенного типа, соляных куполов;

• локальные поиски пресных вод.

Созданный комплекс также может использоваться для решения экологических задач:

• мониторинга природных и техногенных сред;

• мониторинга состояния плодородных земель.

Работы проводились в рамках проекта «Разработка методов и создание экспериментального образца беспилотного комплекса дистанционного оптического и магнитометрического мониторинга природных и техногенных сред». Одним из результатов работ стало создание прототипа беспилотного аэромагнитного комплекса БАМК (рис. 2), на который получен патент РФ №162771 от 06 июня 2016 г.Рис. 2 Беспилотный аэромагнитный комплекс коптерного типа

Рис. 2 Беспилотный аэромагнитный комплекс коптерного типа

Экспериментальные магнитные съемки с использованием БАМК коптерного типа были проведены в 2016 г. в Ленинградской области. Полеты совершались по заранее запрограммированному маршруту. Восточное смещение траектории полета при движении БАМК на север вызвано северо-западным ветром во время проведения работ. В сентябре 2016 г. в Ленинградской области (близ деревни Агалатово) с помощью комплекса проводили экспериментальные исследования. Аэромагнитные съемки масштаба 1 : 5000 выполнялись с огибанием рельефа на разных высотах (высота полета 200 м, уровень датчика – 150 м; полет на 150 м, уровень датчика – 90 м). Расстояние между профилями в полетном задании – 50 м. Полеты проходили на скорости 7–9 м/с. Частота записи – 1 кГц. В ходе летных экспериментальных исследований БПЛА девиационная погрешность съемки составила ±0,2 нТл. Поправка солнечно-суточных вариаций была учтена благодаря использованию записи МВС (магнитовариационной станции), в качестве МВС использовался разработанный датчик. После обработки данных аэромагнитной съемки с помощью БПЛА строились карты аномального значения магнитного поля, одна из них приведена на рис. 3, сделанном при высоте полета аппарата 205–220 м, на котором розовыми изолиниями отображены известные значения аэромагнитной съемки масштаба 1 : 500 000. На карте хорошо видна отличная повторяемость формы минералообразующей зоны, что говорит о применимости комплекса в аэромагниторазведке.

Характеристики съемки удовлетворяют потребностям измерения магнитного поля над большей частью техногенных объектов. Погрешность горизонтальной привязки положения БАМК во время съемки составила 5 м, вертикальной – 2 м. Точность измерения магнитного поля – 0,1 нТл.

Таким образом, на настоящий момент существуют технические, методические и программные средства, обеспечивающие решение большей части задач, стоящих перед магнитной съемкой техногенных объектов. Разработанный ГГМ РАН совместно с ГК ГЕОСКАН беспилотный магнитометрический комплекс представляет собой одно из возможных технических решений для успешного выполнения таких работ.

Для подсчета количественных характеристик техногенных объектов необходим сравнительный анализ полученных по результатам дешифрирования космоснимков и результатов аэросъемки с использованием БПЛА. При этом важное значение приобретает выбор оптимального метода и подходов к мониторингу техногенных объектов. Для этого перед нами была поставлена задача сравнения результатов и определение границ оценки техногенных объектов с использованием БПЛА и космических снимков. Для оценки преимущества того или иного метода мониторгинга был выбран карьер (использованы данные ООО «ГЕОСКАН», подготовленные ЗАО «Нордеко Евразия»), (рис. 3).Рис. 3 Трендовая поверхность для отвала с границей техногенного объекта: а) по данным БПЛА; б) по спутниковым данным

Рис. 3 Трендовая поверхность для отвала с границей техногенного объекта: а) по данным БПЛА; б) по спутниковым данным

Рис. 3 Трендовая поверхность для отвала с границей техногенного объекта:
а) по данным БПЛА; б) по спутниковым данным

На ту же территорию из открытых источников получена модель данных SRTM – NASA's Shuttle Radar Topography Mission. Разрешение данных составляет около 30 м. По спутниковым данным были построены карты уклонов рельефа и трендовой поверхности на отвалах. В результате были определены границы и оценены объемы отвалов на основе как данных БПЛА, так и данных спутника.

Погрешность определения объема складывается из двух составляющих:

– погрешности собственно съемки объекта, объем которого надо определить, и моделирования снятой поверхности;

– определения объема путем вписывания элементарных объемов в пространство, ограниченное этой поверхностью. Погрешность определения координат с помощью БПЛА – 0,05 м, высоты – 0,1 м. На основе съемки создается гипсометрическое представление земной поверхности с высотой сечения до 1 м.

Погрешность определения координат и высот спутниковых измерений составляет первые метры, соответственно разрешение цифровой модели местности также достигает нескольких метров. Общедоступная модель SRTM предоставляет данные с разрешением 30 м. Ошибки моделирования поверхности соответственно зависят от этих параметров. Ошибки также зависят и от характера местности.

Очевидно, что для равнинной местности ошибки будут существенно меньшими, чем для горной, сильно пересеченной местности. Это можно продемонстрировать с помощью графика т.н. «коэффициента неопределённости» (рис. 4), который отражает ошибки моделирования при различном градиенте поверхности.

Рис. 4 Зависимость коэффициента неопределённости от угла наклона рельефа (К.K = a tg(slope)), a – разрешение ЦМР (цифровые модели рельефа). График построен для ЦМР с разрешением 30 м (спутник) – синяя линия, с разрешением 10 см (БПЛА) – оранжевая линия

Рис. 4 Зависимость коэффициента неопределённости от угла наклона рельефа (К.K = a tg(slope)), a – разрешение ЦМР (цифровые модели рельефа). График построен для ЦМР с разрешением 30 м (спутник) – синяя линия, с разрешением 10 см (БПЛА) – оранжевая линия

Из графиков рис. 4 видно, что неопределенность сильно возрастает для спутниковых данных, при приближении их к 20є. Из этого следует, что совершенно правомерно применять спутниковые данные для оперативной оценки площадей и объемов свалок бытовых отходов, хвостохранилищ, отвалов песчаных и глинистых пород (для них угол естественного откоса – до 15град.) и других объектов, у которых небольшой уклон поверхности.

В погрешность определения объемов техногенных образований входит и погрешность использования численных методов подсчетов, которая также зависит от разрешения ЦМР, кривизны поверхности рельефа и от размеров техногенных образований. Хотя, как видно из работы по сравнению данных космосъемки и БПЛА, ошибка определения объема с помощью спутниковых данных не слишком большая, что определяет возможность использования этих данных для мониторинга экологической обстановки, оперативной оценки объемов техногенных образований, первичной оценки запасов полезных ископаемых хвостохранилищ и других техногенных образований.

Для других задач: точному определению объемов выемки карьеров для определения объемов работ, кадастровой съемке и др. – предпочтительней использовать БПЛА.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

– проведенные работы убедительно подтверждают факт целесообразности использования БПЛА для съемки объектов, на которых углы наклона рельефа превышают 15град.;

– для техногенных объектов с углами наклона рельефа меньше 15град. целесообразно использовать спутниковые данные, позволяющие исключить дополнительные затраты на аэрофотосъемку.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Малышев Ю.Н., Титова А.В. Твердые отходы промышленности как основа формирования дополнительной минерально-сырьевой базы стратегического сырья РФ // Маркшейдерия и недропользование. 2014. 1. С. 23-32.
2. Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика. Часть 2. Модель обработки аэрофотоснимков в среде AGISOFT PHOTOSCAN // Технологии. 2013. 3(50). С. 48-51.
3. Малышев Ю.Н., Черкасов С.В., Титова А.В., Чесалова Е.И. Об оценке техногенных минеральных аккумуляций с использованием беспилотных летательных аппаратов // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2016. 5. С. 72-76.
4. Goosens, Marc. Role of unmanned aircraft and sensor miniaturisation in geology. 35th International Geological Congress, Cape Town 2016, Aug. 27 Sept. 4
5. Черкасов С. В., Семенов А. Е., Стерлигов Б. В. Перспективы использования сверхлегких беспилотных летательных аппаратов для целей геологического картирования // Международное совещание «Состояние и перспективы развития Государственного геологического картографирования территории Российской Федерации и ее континентального шельфа масштаба 1:1 000 000 и 1:200 000» (С-Пб, ВСЕГЕИ, 7–9 апреля 2015 г.)
6. Смекалова Т.Н., Восс О., Мельников А.В. Магнитная разведка в археологии. С-Пб.: С-ПбГУ, 2007. 73 с.
Ключевые слова: минеральное сырье, науки о земле, техногенные объекты, техногенные источники сырья, методика оценки техногенных объектов, месторождения полезных ископаемых (МПИ), беспилотные летательные аппараты (БПЛА)

Журнал "Горная Промышленность"№6 (136) 2017, стр.46