Статьи→Слежение за состоянием глубоких открытых шахт (Geomatics World, Май/Июнь 2009)

Космический снимок карьера в провинции Мпумаланга Изображение © Digital Globe

Южно-Африканская республика отличается развитой горнорудной промышленностью. В больших масштабах производится добыча многочисленных полезных ископаемых, минералов и руд: алмазов, золота, меди, марганца и платины (запасы её составляют 90% от общемировых). Горнорудная промышленность обеспечивает 6.5% валового национального продукта, занимает 45% долю от добычи полезных ископаемых Африки и обеспечивает благосостояние страны, обладающей покупательной способностью, равной суммарной покупательной способностью остального континента. Тем не менее, мы не стоим на месте - и в этой связи интересно выяснить то, каким нас видит окружающий мир.

На Интернет-сайте, посвященном ЮАР, появляются такого рода вопросы:

(из США): "А в какой стороне у вас направление на Север?".
Ответ: "Встаньте лицом на Юг, после чего повернитесь на 90°. Свяжитесь с нами для получения дополнительных инструкций".

(из Великобритании): "На всех фотоснимках Южной Африки ярко светит солнце - если у вас нет дождей, как же выживает растительность?"
Ответ: "Очень просто: мы импортируем полностью сформировавшиеся растения, высаживаем их, рассаживаемся кружком и смотрим, как они засыхают".

(из Германии): "Есть ли в Кейптауне супермаркеты и круглый ли год доступна молочная продукция?"
Ответ: "Нет! У нас миролюбивое общество вегетарианцев охотников-собирателей. Употребление молока законодательно запрещено".

Как вы уже поняли, чувство юмора у южноафриканцев своеобразное, и людей недалёких мы не жалуем.

Одна из самых глубоких

в мире открытых шахт активно эксплуатируется в настоящее время. В связи с тем, что в сооружении такого размера очень сложно оценить прочность скальных пород, опасность обвалов весьма велика. В таких условиях особо важной становится задача постоянного контроля, успешное решение которой уменьшает риски и удешевляет меры по обеспечению техники безопасности. Помимо этого, существенный экономический эффект достигается в связи с увеличением крутизны склонов. Например, в алмазной шахте Джуаненг (Ботсвана) увеличение допустимой величины уклона на 15° приводит к уменьшению перемещения пустых пород на 39 млн. тонн.

На трехмерной модели и сечении шахты показаны размеры карьера, положение вентиляционных башен и прочих сооружений.

Схема расположения станций слежения
Изображение © Digital Globe

В медной шахте провинции Мпумаланга (одна из самых глубоких открытых шахт в мире, 1 км) уже произошел оползень части склона. Следует отметить, что в настоящее время на этой шахте перешли к проходке туннелей. Нестабилен, по крайней мере, один из участков склона, и на нем расположена вентиляционная башня, обеспечивающая приток воздуха на дно шахты и в систему туннелей - её обрушение будет иметь катастрофические последствия. Местный дилер компании Trimble - Optron Geomatics установил систему слежения за состоянием сооружений на основе ГНСС приёмников Trimble NetRS GNSS, которая заменила ранее эксплуатировавшуюся систему, построенную базе GPS приёмников 4600. Новая система состоит из 4 станций слежения, позволяющих выявить резкие смещения амплитудой 5-10 см и медленные движения с точностью лучше 1 см.

Программа Trimble Integrity Monitoring собирает данные с периодом 1 секунда и отображает их в графическом представлении.

График построен по данным, обработанным подпрограммой RTK Engine и показывает перемещения, вызванные искусственно -качанием станции, показанной на рисунке справа.

Соображения безопасности препятствуют использованию развернутых систем связи

Развертывание системы слежения, работающей в реальном масштабе времени, требует внимания к большому количеству факторов: организации систем связи, выбору оборудования и программного обеспечения, энергоснабжению и обустройству точек стояния антенн. Самым сложным оказалась построение системы связи.

Представители компании Trimble предложили использовать уже развернутую сеть WiFi диапазона 2.4GHz. Однако доступ к ней получить не удалось из-за соображений безопасности. Дополнительные сложности возникли при размещении базовой станции радиосети на кромке шахты. Вблизи расположено высоковольтное оборудование, создающее очень высокий уровень электромагнитных помех.

По указанным выше причинам мы были вынуждены развернуть независимую сеть WiFi, для увеличения дальности действия используя направленные антенны и установив репитер.

Положение четырёх станций слежения было согласовано с главным геологом шахты. Три станции слежения ('Edge', 'Failure' и 'Office') были установлены на кромке шахты и четвертая - вблизи вентиляционной башни ('Vent').

Спутниковые измерения, производимые этими станциями, передаются через удалённый от шахты репитер ('Lookout') в офис компании Geo-tech, в котором установлен сервер, работающий под управлением программного обеспечения Trimble Integrity Manager. Расстояния от пунктов до репитера составляют: от Edge - 1360 м; от Failure - 1880 м; от Vent - 2040 м; от офиса -2430m; от TIM - 2660 м.

Развертывание сети WiFi вблизи высоковольтного (1000 Вольт) оборудования требует нетривиальных решений

На шахте Кимберли антенны установлены на долговременных монументах

Используемое оборудование.

Для проекта был выбран приёмник Trimble NetRS, предназначенный для использования в качестве непрерывно функционирующей базовой станции - он отличается малым энергопотреблением, оснащён интерфейсом Ethernet и работает от нестабильных источников (диапазон допустимого напряжения питания от 11 до 28 В постоянного тока). Приёмник оснащен встроенной энергонезависимой памятью объёма 150Мбайт, потребляет 4 Вт при работе с антенной Zephyr geodetic. Диапазон рабочих температур от -20°C до +65°C. Поскольку в ЮАР ежедневно солнце светит более восьми часов, в качестве основного источника питания были выбраны солнечные батареи. Неожиданной проблемой стало непонимание геологами требований к долговременным стабильным монументам - стальная портативная пирамидка совсем не подходит! После решения всех этих вопросов система слежения была введена в строй. Фильтры данных, системы предупреждений и формирования отчётных материалов позволяют полностью контролировать состояние системы, обеспечивающей ежесекундные определения места с точностью 5 см на удалениях до 30 км от базовой станции. Камеральная обработка - ценный инструмент для выявления медленных движений , в том числе циклических и сезонных - позволяет, при учёте данных сети TrigNet, получить координаты станций с миллиметровой точностью.

Знаменитая шахта Кимберли давно выведена из эксплуатации и входит в список объектов культурного наследия ЮНЕСКО. Однако в нескольких метрах от её края проходит шоссе, и слежение за состоянием необходимо - к счастью, здесь уже размещены постоянные монументы.

Для реализации этих сложных систем реального времени нам пришлось привлекать специалистов по информационным технологиям, поскольку настройка систем связи является нетривиальной задачей. Да, кстати, а мы упомянули о слонах, время от времени заходящих посмотреть на станции?

А про слонов мы упомянули?

• Здесь представлена сокращённая версия доклада, сделанного Ian du Toit на конференции пользователей Trimble Dimensions 2009 в г. Лас-Вегас.

Сеть базовых станций,  RTK сеть,  ПО,  Как работает,  GPS,  Trimble