Введение

Открытые горные работы в России охватывают более 70% объёма добычи твёрдых полезных ископаемых.

Устойчивость бортов карьеров и отвалов является критическим фактором безопасности. До 2021 г. мониторинг регламентировался Инструкцией Госгортехнадзора СССР 1970 г.; с принятием Правил обеспечения устойчивости бортов (2020 г.) в перечень эффективных инструментов долгосрочного мониторинга включены лазерный, аэрокосмический и фотограмметрический методы с точностью не хуже ±15 мм для бортов и ±30 мм для отвалов.[2-3]

Материалы и методы.

Применяемое оборудование

Комплекс включал: TLS Leica ScanStation P50 (дальность 1 000 м, 1 млн точек/с), БПЛА DJI Matrice 350 RTK с камерой Zenmuse P1 (45 Мп, GSD = 1,5 см при H = 100 м) и радарный интерферометр GB-SAR IBIS-FM (чувствительность < 0,1 мм, непрерывный режим).[3-4]

Математическая модель

Регистрация облаков точек (ICP). Целевая функция минимизации:

Таблица 1

Пороги оповещения

Результаты

Точностные характеристики методов подтверждены контрольными измерениями на 24 реперах ГНСС табл.2, рис.1):[5-6]

Таблица 2

За 90-суточный период наблюдений на восточном борту выделены четыре деформационные зоны: стабильная (52%), медленных смещений (28%), активных деформаций (14%) и предаварийная (6%). GB-SAR зафиксировал зарождение оползневого тела на отвале на 71-е сутки, обеспечив предупреждение за 72 часа до визуально заметного смещения.[5-7].

Для обоснования выбора инструментального комплекса был проведён сравнительный анализ точностных характеристик шести методов геодезического мониторинга. На рисунке 1 представлены значения среднеквадратической ошибки (RMSE) для каждого метода, полученные по результатам контрольных измерений на независимых реперах с известными координатами ГНСС. Нормативный допуск точности для бортов карьеров составляет ±15 мм (Ростехнадзор, 2020).

Рисунок 1 – Точность методов мониторинга деформаций

Анализ рисунка 1 позволяет сформулировать следующие выводы. Во-первых, наибольшей точностью обладает метод GB-SAR (RMSE = 1 мм), превосходящий традиционную тахеометрию в 5 раз и БПЛА-фотограмметрию в 15 раз. Во-вторых, метод TLS (RMSE = 3 мм) занимает второе место и полностью соответствует нормативным требованиям при работе на расстояниях до 400 м. В-третьих, БПЛА-фотограмметрия (RMSE = 15 мм) находится на границе нормативного допуска и применима лишь для предварительной оценки деформационной обстановки. Таким образом, для решения задач раннего предупреждения наиболее рациональна интегрированная связка GB-SAR и TLS.

Для оценки временной динамики деформационного процесса были построены графики накопленных смещений поверхности восточного борта карьера по данным трёх методов наблюдений за 90-суточный период. На рисунке 2 показаны кривые смещений TLS, БПЛА-фотограмметрии и GB-SAR, а также пороговые уровни системы оповещения: «Внимание» (скорость 2 мм/сут) и «Опасность» (скорость 10 мм/сут), соответствующие накопленным смещениям при постоянной скорости. Цветом выделены зоны деформационной активности.

Рисунок 2 – Динамика суммарных смещений борта карьера за 90 дней

Из рисунка 2 следует, что смещения бортовой поверхности нарастают нелинейно: до 45-х суток процесс носит квазиравномерный характер, тогда как после 60-х суток фиксируется отчётливое ускорение деформаций. Кривая GB-SAR отличается минимальным разбросом (σ = 0,2 мм) и наиболее достоверно отражает общий тренд, что подтверждает преимущество данного метода для анализа временны́х рядов. К 90-м суткам суммарное смещение по всем методам составило 22–28 мм, что соответствует зоне «Внимание» и требует перехода к усиленному режиму наблюдений. Наибольший разброс данных характерен для БПЛА-фотограмметрии (σ = 0,8 мм) вследствие вибраций платформы при скорости ветра свыше 10 м/с.

По результатам анализа разновременных облаков точек методом M3C2 вся наблюдаемая поверхность восточного борта карьера общей площадью ~0,72 км² была разделена на четыре деформационные зоны согласно разработанной классификации. На рисунке 3 показано процентное распределение площади борта по выделенным зонам: стабильной, зоне медленных смещений, зоне активных деформаций и предаварийной зоне. Данная классификация служит основой для расстановки приоритетов при планировании инженерных мероприятий [2, 9-10].

Рисунок 3 наглядно демонстрирует, что более половины поверхности борта (52%) остаётся в стабильном состоянии, не требующем оперативного вмешательства. Вместе с тем предаварийная зона, составляющая 6% площади (~0,043 км²), является первоочередным объектом для реализации мер по укреплению откоса. В совокупности зоны активных деформаций и предаварийная занимают 20% площади, что обусловливает необходимость их непрерывного мониторинга средствами GB-SAR в круглосуточном режиме. Полученное распределение соответствует типичной картине деформационной активности карьеров с блоковой трещиноватостью в условиях многолетней мерзлоты Северо-Востока России.

Рисунок 3 – Распределение борта карьера по зонам деформационной активности

Важнейшим практическим параметром при проектировании системы мониторинга является зависимость точности измерений от расстояния до наблюдаемого объекта [3, 7-9].

На рисунке 4 представлены теоретические кривые RMSE для методов TLS и GB-SAR в диапазоне расстояний 50–800 м. Горизонтальной пунктирной линией обозначен нормативный допуск точности 15 мм; стрелкой отмечена предельная дальность TLS, при которой метод ещё укладывается в установленный норматив.

Анализ рисунка 4 показывает, что точность TLS соответствует нормативу ±15 мм лишь при расстоянии до объекта не более ~650 м; при большей дальности необходима перестановка прибора или установка дополнительных станций сканирования. GB-SAR, напротив, сохраняет RMSE менее 4 мм на всём исследованном диапазоне до 800 м, что делает его незаменимым инструментом для мониторинга труднодоступных и удалённых секторов борта.

На максимальной дальности 800 м разница точностей двух методов составляет 6,9 раза (24,0 мм у TLS против 3,5 мм у GB-SAR). На основании полученных зависимостей для карьеров глубиной свыше 300 м рекомендуется совместное применение TLS и GB-SAR с перекрывающимися зонами охвата, что обеспечивает нормативную точность по всему периметру борта.

Рисунок 4 – Зависимость RMSE от расстояния до объекта

Обсуждение

GB-SAR обеспечивает наивысшую чувствительность (< 1 мм по LOD₉₅%) и непрерывность наблюдений, однако чувствителен к атмосферной рефракции — в условиях Колымы суточные амплитуды температуры достигают 25 °C, что вызывает фазовые ошибки до 5–8 мм. TLS обеспечивает трёхмерное описание деформированной поверхности с разрешением сетки 0,1×0,1 м; сравнение с тахеометрией показало сокращение трудозатрат в 4,2 раза при увеличении числа контрольных точек в 10³ раз. Годовые затраты на эксплуатацию составляют ~4,8 млн руб. при предотвращённом ущербе 150–400 млн руб. от одного обрушения, что обеспечивает окупаемость за 1–2 года.[1, 6-8]

Заключение

Интегрированная система TLS + БПЛА + GB-SAR обеспечивает переход от периодических маркшейдерских наблюдений к непрерывному автоматическому мониторингу с четырёхуровневой системой оповещения. Перспективы развития включают интеграцию машинного обучения, технологии InSAR и создание цифрового двойника горного предприятия.