Применение беспилотных летательных аппаратов в горнодобывающей промышленности
А.М. Кулешов , А.Г. Богачук, К.А. Колесников, И.О. Паничкин, М.А. Марковский
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №5S / 2024 стр.33-37
Резюме: На протяжении последних десяти лет беспилотные летательные аппараты активно применяются в горнодобывающей отрасли для выполнения различных задач, начиная от разведки полезных ископаемых и заканчивая рекультивацией промышленных территорий. Особое внимание в исследовании уделено задачам аэромагнитной съемки, маркшейдерских работ и мониторинга хвостохранилищ. Преимущества использования беспилотных летательных аппаратов заключаются в повышении эффективности, снижении операционных затрат и рисков, а также в улучшении качества данных, получаемых в режиме реального времени. Приведены примеры успешного применения беспилотных летательных аппаратов для создания цифровых моделей рельефа, картирования геологических структур и мониторинга состояния склонов и горных выработок. Отмечена высокая точность и оперативность получения данных с использованием современных технологий фотограмметрии и программного обеспечения, что способствует оптимизации процедуры планирования и обеспечению более высокого уровня безопасности производственных процессов. Несмотря на значительный прогресс в использовании беспилотных летательных аппаратов, существует необходимость в дальнейшем изучении их применения для более комплексных задач, таких как интеграция данных цифровых моделей в производственные процессы и разработка методов их использования в подземных условиях.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, маркшейдерское дело, трехмерные модели, хвостохранилище, аэромагнитная съемка
Для цитирования: Кулешов А.М., Богачук А.Г., Колесников К.А., Паничкин И.О., Марковский М.А. Применение беспилотных летательных аппаратов в горнодобывающей промышленности. Горная промышленность. 2024;(5S):33–37. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-33-37
Информация о статье
Поступила в редакцию: 21.07.2024
Поступила после рецензирования: 02.10.2024
Принята к публикации: 09.10.2024
Информация об авторах
Кулешов Артем Михайлович – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Колесников Константин Александрович – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Богачук Анатолий Григорьевич – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Паничкин Илья Олегович – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Марковский Максим Андреевич – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) используются для различных целей: при добыче, планировании и разведке полезных ископаемых, а также при взрывных работах. Использование БПЛА и связанных с ними исследований расширяется во всех отраслях промышленности благодаря возрастающему спросу на высококачественные данные, получаемые в режиме реального времени, и значительным достижениям в области разработки программного обеспечения для обработки данных [1].
Поскольку БПЛА могут быть оснащены оптическими устройствами, камерами, охватывающими различные диапазоны электромагнитного спектра, и геофизическими приборами, их можно использовать для различных целей, таких как геологическое и топографическое картирование, расчет фрагментации и объема запасов руды, а также мониторинг, связанный с безопасностью склонов, дамб и рядом других объектов.
Проведено значительное количество исследований по применению БПЛА в горнодобывающей промышленности. В работе [2] подробно описано использование БПЛА для топографической съемки. В исследовании [3] представлено краткое описание применения БПЛА на различных этапах разработки полезных ископаемых, а в работе [4] авторы проанализировали тематические исследования, связанные с использованием БПЛА для горнодобывающих предприятий, включая топографическую съемку, 3D-моделирование и мониторинг экологической среды. Кроме того, было рассмотрено несколько примеров использования БПЛА на этапе рекультивации [5]. В работе [6] авторы выполнили систематический обзор 65 статей (с июня 2010 г. по май 2020 г.) с целью обобщения результатов и выявления тенденций исследований по применению БПЛА в горной промышленности. Авторами было установлено, что БПЛА используются в горной промышленности для геологических и структурных анализов с помощью дистанционного зондирования, аэрогеофизической сьемки, топографической съемки, анализа скальных склонов, исследования горных выработок, а также для наблюдения за состоянием почвы, воды и оседанием земной поверхности. Однако в представленных исследованиях не рассматривается использование БПЛА для решения альтернативных задач производственного процесса на основе данных, полученных с помощью цифровых моделей.
Результаты и их обсуждение
Применение БПЛА в горнодобывающей промышленности охватывает широкий спектр задач. БПЛА стали неотъемлемым инструментом для выполнения разнообразных операций на всех этапах горных проектов, начиная от геологоразведочных работ и заканчивая рекультивацией шахтных территорий. Их внедрение позволяет повысить эффективность и безопасность производственных процессов, обеспечить высокую точность сбора данных и мониторинга, а также сократить затраты и минимизировать риски, связанные с человеческим фактором. Рассмотрим основные области их применения в горнодобывающей промышленности.
Аэромагнитная съемка
Аэромагнитная съемка с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) обладает значительными преимуществами по сравнению с традиционными методами, особенно в контексте геологической разведки. Эти преимущества включают снижение операционных затрат и повышение эффективности на труднодоступных ландшафтах, таких как горные долины, лесистые массивы или заболоченная местность [7]. В результате использования БПЛА для получения геофизических данных, таких как измерение магнитного поля Земли, обусловленного контрастом магнитных свойств пород, становится все более популярным при разведке и определении месторождений полезных ископаемых [8].
В работе [9] авторы разработали БПЛА мультироторного типа (коптеры) для увеличения масштаба картирования напряженности магнитного поля. Эти БПЛА могут собирать данные на высоте 5 м над исследуемой местностью и используются как в стабильных, так и в сложных условиях окружающей среды. Авторы также создали специальное программное обеспечение для управления полетными заданиями БПЛА. В рамках исследования была проведена магнитная съемка в горных районах Восточной Сибири с использованием разработанных аппаратов. Сравнение воздушной и наземной съемок показало, что высокая чувствительность системы к магнитным аномалиям на низких высотах позволяет обнаруживать важные геологические структуры.
Использование БПЛА для аэромагнитной съемки позволяет эффективно выполнять разведочные работы на обширных территориях, где наземные методы оказались бы слишком трудоемкими и дорогостоящими.
Применение БПЛА в маркшейдерском деле
Одной из областей применения БПЛА в горнодобывающей промышленности является маркшейдерское дело. В основном они используются для планирования шахт, подсчета минеральных ресурсов и запасов руды [10]. В последнее время все большее значение приобретает создание 3D-моделей шахтных участков и использование БПЛА для маркшейдерских работ. Технология БПЛА позволяет получать изображения высокого разрешения, которые затем преобразуются в 3D-модели поверхности, такие как цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель поверхности (ЦМП), и могут быть использованы для создания топографических карт, расчета объема выработок и создания 3D-моделей для различных задач [11]. Одной из таких задач является мониторинг состояния рельефа и деформаций горных объектов в реальном времени. Использование БПЛА позволяет оперативно отслеживать изменения, что особенно важно для контроля состояния открытых карьеров, склонов и шахтных выработок, а также для обеспечения безопасности на производственных объектах [12]. В настоящее время применение традиционных методов в маркшейдерских работах для функционирования горнодобывающих предприятий требует значительных финансовых и временных затрат. На сегодняшний день компании применяют различные технологии, включая наземное лазерное сканирование с использованием глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), пилотируемое воздушное лазерное сканирование, фотограмметрию, а также БПЛА.
Преимущество применения БПЛА перед традиционными методами заключается не только в экономической целесообразности, но и в их способности многократно выполнять различные функции, такие как 2D- и 3D-картирование c использованием технологии LiDAR. Это обеспечивает высокую универсальность и эффективность при выполнении маркшейдерских и геодезических задач, а также способствует сокращению временных затрат и повышению точности данных.
Маркшейдерские работы в подземных шахтах с применением БПЛА представляют собой сложную задачу из-за специфических условий под землей: плохая видимость, узкие проходы, магнитные помехи и отсутствие сигнала GPS. Однако современные БПЛА, оснащенные камерами высокого разрешения, светодиодными фонарями и тепловыми датчиками, могут эффективно собирать данные, такие как тепловые и спектральные изображения, расстояния, данные инерциальных измерительных блоков и звуковой навигации.
В работе [13] автор предложил систему мониторинга с использованием дронов для повышения безопасности и улучшения качества мониторинга в подземных условиях. В его исследовании показана возможность создания 3D-облаков точек на основе данных с дронов, которые оказались сопоставимыми с данными, полученными с помощью LiDAR. Несмотря на наличие помех, метод позволил выявить важные геотехнические параметры, например, трещиноватость горных пород.
В исследовании [14] авторы изучали количественную оценку параметров геологических структур, в частности трещин в скальном массиве, с использованием тепловых и многоспектральных изображений, полученных с помощью БПЛА. В рамках исследования были собраны данные разных типов, включая тепловые и многоспектральные изображения, а также КЗС-данные и данные LiDAR. На их основе они создали геопривязанные трёхмерные облака точек и сетки для картографирования геологических разрывов.
Рис. 1 Цифровые модели поверхности, полученные в результате съёмки с БПЛА
Fig. 1 Digital terrain models obtained using UAV imaging
В горнодобывающей промышленности для оценки состояния горных пород часто применяют трёхмерное моделирование с учётом рельефа местности и структурные данные о качественных показателях трещиноватости [15]. Одним из ключевых преимуществ цифровых моделей, созданных с помощью БПЛА, является их простая интеграция в различные программные комплексы для создания различных трёхмерных моделей (рис. 1). Это позволяет значительно ускорить анализ и повысить точность результатов численных расчётов, что, в свою очередь, способствует более эффективному планированию и контролю горных работ.
Регулярный мониторинг хвостохранилищ
Помимо упомянутых выше применений БПЛА в горных работах, таких как картографирование, аэрогеофизическая съемка, маркшейдерские работы и т. д., БПЛА также являются полезным инструментом для исследования горных отвалов. В исследовании [16] проводился мониторинг хвостохранилища с использованием БПЛА на протяжении 3 лет, чтобы оценить возможность оседания хвостов. Для этого применялась фотограмметрия SfM (процесс, который оценивает трехмерные координаты точек поверхности, используя изображения одного физического объекта, сделанные с разных углов), что позволило создавать ежегодные топографические модели поверхности хвостохранилища и отслеживать её изменения с течением времени. Результаты показали, что мониторинг с использованием БПЛА достаточно точен для поддержания эффективного управления хвостохранилищами и отслеживания смещений поверхности с точностью до дециметров [16].
Одним из ведущих производителей беспилотников в России, используемых для съемки местности, является компания «Геоскан». БПЛА поставляется с интегрированной системой РРР/PPK. Он имеет впечатляющее время полета 60–80 мин в зависимости от полезной нагрузки и может летать при очень сильном ветре, относительно других дронов своего класса, со скоростью 64–130 км/ч. Эти и другие параметры должны учитываться при фотограмметрической обработке для обеспечения соответствия конечного продукта требованиям нормативно-технических документов.
Для обработки изображений используют коммерческое программное обеспечение «AGISOFT PhotoScan» (Agisoft LLC, Санкт-Петербург, Россия) [17]. Эта программа в значительной степени ориентирована на автоматизацию процесса обработки данных, что существенно способствует оперативному получению топографической информации и снижает затраты на рабочий процесс. Результаты обработки на каждом этапе могут быть использованы в последующих этапах, а также экспортированы в обменный формат данных для дальнейшего использования в сторонних приложениях 1. Такая комбинация технологий позволяет значительно улучшить производительность и снизить затраты на рабочий процесс.
Выводы
Применение БПЛА в горнодобывающей промышленности демонстрирует значительные преимущества на всех этапах производственного процесса, начиная от разведки месторождений до рекультивации нарушенных территорий. Внедрение БПЛА позволяет повысить точность и оперативность получения данных, минимизировать риски, связанные с человеческим фактором, а также сократить затраты на выполнение геологоразведочных и маркшейдерских работ. Современные технологии, включая аэромагнитную съемку, фотограмметрию и 3D-моделирование, открывают новые возможности для мониторинга и управления состоянием горных объектов, что способствует повышению безопасности и устойчивости горнодобывающих проектов. Однако, несмотря на значительный прогресс в использовании БПЛА, существует необходимость в дальнейшем изучении их применения для более комплексных задач, таких как интеграция данных цифровых моделей в производственные процессы и разработка методов их использования в подземных условиях.
Список литературы
1. Гришин И.А., Козлова А.Е., Дерина Н.В., Великанов В.С., Хамидулина Д.Д., Логунова Т.В. Реализация возможностей использования беспилотных летательных аппаратов в горном деле. Уголь. 2022;(5):36–41. https://doi.org/10.18796/00415790-2022-5-36-41 Grishin I.A., Kozlova A.E., Dyorina N.V., Velikanov V.S., Khamidulina D.D. Logunova T.V. Implementing the potential of unmanned aerial vehicle in mining. Ugol’. 2022;(5):36–41. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2022-5-36-41
2. Тихонов А.А., Акматов Д.Ж. Актуальность применения мультикоптеров на производстве. Горный информационноаналитический бюллетень. 2019;(1):55–62. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2019/1/55_62_1_2019.pdf (дата обращения: 06.09.2024). Tikhonov A.A.1, Akmatov D.Zh. Time to use multicopters in industry. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2019;(1):55–62. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2019/1/55_62_1_2019.pdf (accessed: 06.09.2024).
3. Иванова Ю.Н., Иванов К.С., Бондарева М.К. Иванов И.Г., Жуковe А.О. Применение беспилотных летательных аппаратов при геологоразведочных и поисково-оценочных работах. Исследование Земли из космоса. 2021;(1):78–88. https:// doi.org/10.31857/S0205961421010061 Ivanova Yu.N., Ivanov K.S., Bondareva M.K., Ivanov I.G., Zhukov A.O. The use of unmanned aerial vehicles for the search and prediction of ore mineralization. Issledovanie Zemli iz Kosmosa. 2021;(1):78–88. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/ S0205961421010061
4. Ren H., Zhao Y., Xiao W., Hu Z. A review of UAV monitoring in mining areas: current status and future perspectives. International Journal of Coal Science & Technology. 2019;6:320–333. https://doi.org/10.1007/s40789-019-00264-5
5 Dering G.M., Micklethwaite S., Thiele S.T., Vollgger S.A., Cruden A.R. Review of drones, photogrammetry and emerging sensor technology for the study of dykes: Best practises and future potential. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2019;373:148–166. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2019.01.018
6. Park S., Choi Y. Applications of unmanned aerial vehicles in mining from exploration to reclamation: A review. Minerals. 2020;10(8):663. https://doi.org/10.3390/min10080663
7. Malehmir A., Dynesius L., Paulusson K., Paulusson A., Johansson H., Bastani M. et al. The potential of rotary-wing UAV-based magnetic surveys for mineral exploration: A case study from central Sweden. The Leading Edge. 2017;36(7):552–557. https:// doi.org/10.1190/tle36070552.1
8. Døssing A., da Silva E.L.S., Martelet G., Rasmussen T.M., Gloaguen E., Petersen J.T., Linde J. A high-speed, light-weight scalar magnetometer bird for km Scale UAV magnetic surveying: on sensor choice, bird design, and quality of output data. Remote Sensing. 2021;13(4):649. https://doi.org/10.3390/rs13040649
9. Parshin A., Bashkeev A., Davidenko Yu., Persova M., Iakovlev S., Bukhalov S. et al. Lightweight unmanned aerial system for time-domain electromagnetic prospecting – the next stage in applied UAV-Geophysics. Applied Sciences. 2021;11(5):2060. https://doi.org/10.3390/app11052060
10. Курбатова В.В., Волин А.М., Ломакина Н.Е., Гарифулина И.Ю. Обоснование рационального применения беспилотных летательных аппаратов при маркшейдерском обслуживании открытых горных работ на руднике «Дукат». Горный журнал. 2023;(4):16–19. https://doi.org/10.17580/gzh.2023.04.03 Kurbatova V.V., Volin A.M., Lomakina N.E., Garifulina I.Yu. Justification of UAV smart use range in surveying of Dukat open pit mining area. Gornyi Zhurnal. 2023;(4):16–19. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.04.03
11. Martelet G.; Gloaguen E.; Døssing A.; Lima Simoes da Silva E.; Linde J.; Rasmussen T.M. Airborne/UAV multisensor surveys enhance the geological mapping and 3D model of a pseudo-skarn deposit in Ploumanac’h, French Brittany. Minerals. 2021;11(11):1259. https://doi.org/10.3390/min11111259
12. Акматов Д.Ж., Николайчук В.В., Тихонов А.А., Шевчук Р.В. Радарная интерферометрия как дополнение к классическим методам наблюдений за сдвижением земной поверхности. Горная промышленность. 2020;(1):144–147. https:// doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-144-147 Akmatov D.Zh., Nikolaichuk V.V., Tikhonov A.A., Shevchuk R.V. Radar interferometry as supplement to classical methods to observe earth’s surface displacement. Russian Mining Industry. 2020;(1):144–147. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/16099192-2020-1-144-147
13. Raj P. Use of drones in an underground mine for geotechnical monitoring. Master’s. Thesis, The University of Arizona, Phoenix, AZ, USA, 2019. Available at: https://core.ac.uk/download/pdf/222806204.pdf (accessed: 06.09.2024).
14. Turner R.M., MacLaughlin M.M., Iverson S.R. Identifying and mapping potentially adverse discontinuities in underground excavations using thermal and multispectral UAV imagery. Engineering Geology. 2020;266:105470. https://doi.org/10.1016/j. enggeo.2019.105470
15. Татаринов В.Н., Акматов Д.Ж., Маневич А.И., Шевчук Р.В. Иерархический подход к оценке устойчивости геологической среды в геомеханических исследованиях. Горный журнал. 2024;(1):15–21. https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.03 Tatarinov V.N., Akmatov D.Zh., Manevich A.I., Shevchuk R.V. Hierarchical approach to assessing sustainability of geological environment in geomechanical studies. Gornyi Zhurnal. 2024;(1):15–21. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.03
16. Rauhala A., Tuomela A., Davids C., Rossi P.M. UAV remote sensing surveillance of a mine tailings impoundment in sub-arctic conditions. Remote Sensing. 2017;9(12):1318. https://doi.org/10.3390/rs9121318
17. Тихонов А.А., Акматов Д.Ж. Обзор программ для обработки данных аэрофотосъемки. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(12):192–198. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-12-0-192-198 Tikhonov A.A., Akmatov D.Zh. Review of aerophotography data processing programs. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(12):192–198. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-12-0-192-198
