CC BY
13Обоснование устойчивых параметров бортов с применением обратных расчетов при съемке оползня беспилотными летательными аппаратами Justification of stable parameters of the sides with the use of reverse calculations when shooting a landslide by unmanned aerial vehicles
Патачаков Игорь Витальевич,
кандидат технических наук, ассистент, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Руденко Екатерина Александровна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», rudenko.rudenko2017@yandex.ru
Анашкин Никита Александрович, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Абдуллаева Анна Анатольевна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Гришин Арсений Александрович, геолог, Общество с ограниченной ответственностью научно-инженерное предприятие «СИБМАРКПРОЕТ»
Patachakov Igor Vitalievich, Candidate of Technical Sciences, Assistant, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies, Siberian Federal University
Rudenko Ekaterina Aleksandrovna, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies, Siberian Federal University, rudenko.rudenko2017@yandex.ru
Anashkin Nikita A., Institute of Mining, Geology and Geotechnologies, Siberian Federal University»
Abdullayeva Anna Anatolyevna, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies, Siberian Federal University
Ь й московский
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ^¡ЖУРНАЛ
DOI 10.24412/2413-046Х-2021-10280
Grishin Arseny Alexandrovich,
geologist, Limited Liability Company scientific and engineering enterprise «SIBMARKPROET» Аннотация. При открытой разработке месторождений часто встречаются разнообразные деформации бортов карьеров и отвалов. Наличие оползня на карьере позволяет изучить деформацию и определить прочностные характеристики массива методом обратных расчетов. Данный способ является более масштабным по сравнению с лабораторными и натурными испытаниями и в неявном виде учитывает совокупность всех особенностей строения прибортового массива. Для использования метода обратных расчетов выполняется маркшейдерская съемка оползня. Методика выполнения маркшейдерской съемки оползня достаточно затруднительна и имеет большое количество недостатков. В данной работе предлагается использование интеграции методов фотограмметрии и БПЛА для съемки и построения 3D модели оползней с последующим определением сдвиговых характеристик методом обратных расчетов. Экспериментальными участками являлись три различных объекта с оползневыми явлениями. Съемка выполнялась при использовании квадрокоптера DJI PHANTOM с установленной на него системой ТЕОКИТ, позволяющей определять точные положения центров снимков. Построение 3D модели осуществлялось в программной среде Agisoft Metashape Professional. Построенная 3D модель позволяет построить множество профилей, на которых могут быть отображены контуры борта до и после оползня, а также построить на них поверхности скольжения. Расчет сдвиговых характеристик осуществлялся численно-аналитическим методом. Используя полученные прочностные характеристики пород тела оползня, определен коэффициент запаса устойчивости борта до обрушения. Полученное значение свидетельствует о достоверности определенных прочностных характеристик полученных по 3D модели. Summary. In open-pit mining, various deformations of the sides of quarries and dumps are often found. The presence of a landslide in the quarry allows you to study the deformation and determine the strength characteristics of the array by reverse calculations. This method is more extensive in comparison with laboratory and field tests and implicitly takes into account the totality of all the features of the structure of the instrument array. To use the reverse calculation method, a landslide survey is performed. The method of performing a landslide survey is quite difficult and has a large number of disadvantages. In this paper, we propose to use the integration of photogrammetry and UAV methods for shooting and constructing a 3D model of landslides, followed by determining the shear characteristics by reverse calculations. The experimental sites were three different objects with landslide phenomena. The shooting was performed using a DJI PHANTOM quadrocopter with the TEOKIT system installed on it, which allows you to
determine the exact positions of the image centers. The 3D model was built in the Agisoft Metashape Professional software environment. The built 3D model allows you to build a variety of profiles on which the contours of the board can be displayed before and after the landslide, as well as to build sliding surfaces on them. The shear characteristics were calculated by the numerical-analytical method. Using the obtained strength characteristics of the rocks of the landslide body, the coefficient of the margin of stability of the board before the collapse is determined. The obtained value indicates the reliability of certain strength characteristics obtained from the 3D model.
Ключевые слова: TEODRONE, борт карьера, метод обратных расчетов, БПЛА, оползень. Keywords: TEODRONE, quarry board, reverse calculation method, UAV, landslide.
При открытой разработке месторождений часто встречаются разнообразные деформации бортов карьеров и отвалов. Деформации разделяют на оползни, обрушения, обвалы, осыпи, оплывины и просадки. Наиболее опасными и масштабными нарушениями карьерных откосов являются оползни, которые по объемам достигают от десятков тысяч до миллионов кубических метров вскрышных пород.
При наличии оползня на карьере целесообразно изучить деформацию и определить прочностные характеристики массива в нарушенной зоне методом обратных расчетов.
Обратные расчеты оползней откосов являются наиболее точной методикой для определения сдвиговых характеристик пород С и р по фактическим поверхностям скольжения с учетом структурно-тектонических, гидрогеологических, деформационных и технологических факторов, определяющих развитие оползневых процессов [1]. Полученные данным способом характеристики более надёжны, потому что способ является более масштабным по сравнению с лабораторными и натурными испытаниями и в неявном виде учитывает совокупность определённых инженерно-геологических условий и особенностей деформирования горного массива [3].
Определение прочностных характеристик массива горных пород методом обратных расчетов проводится в следующем порядке. Выполняется съемка оползня геодезическими инструментами по профильным линиям. Снимается тело оползня и, при необходимости, положение борта вблизи оползневого участка. При выполнении съемок необходимо придерживаться определенных условий: на теле оползня по профилям снимаются все характерные точки, а также точки перегиба, т.е. точки, в которых кривизна меняет свой знак. При этом необходимо, чтобы расстояния между соседними точками согласовывались с изменчивостью оползня. По результатам съемок строится план оползня
и разрезы по профильным линиям, на которых отстраиваются известными способами контуры борта до и после оползня и поверхность скольжения.
Из вышеописанной методики можно сделать выводы, что съемка тела оползня достаточно затруднительна. Рекомендуемые инструкцией [4] способы наблюдений за деформациями откосов требуют присутствия людей в опасных зонах и весьма трудоемки в исполнении. Они не позволяют обеспечить необходимый объем, объективность и своевременность документирования нарушений устойчивости. Специальных способов наблюдений за развитием обрушений в связи с труднодоступностью объектов и неприменимостью контактных методов измерений в инструкции не приводится.
В данной работе предлагается использование интеграции методов фотограмметрии и БПЛА (беспилотных летательных аппаратов) для съемки и построения 3D модели оползней с последующим определением сдвиговых характеристик методом обратных расчетов.
Для экспериментальных участков были выбраны три различных объекта с нарушениями устойчивости в виде оползней.
Съемка выполнялась при использовании квадрокоптера DJI PHANTOM 4 с установленной на него системой ТЕОКИТ производителя TEODRONE® позволяющей определять точные положения центров снимков. Построение 3D модели осуществлялось в программной среде Agisoft Metashape Professional.
На первом объекте, расположенном в Северо-Енисейском районе Красноярского края, на северо-восточном участке борта произошел оползень.
* белые линии отображают положение уступов до обрушения Рисунок 1. ЗЭ модель оползня на борту карьера
_ Поофиль sûdtû до ополанй Л _ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ УГОЛ ОТКОСА Ацу Ж1Л ВНУТРЕННЕГО ГСЕНИЯ МАССИВА Р-Э1а0 СЦЕПЛЕНИЕ С-2,0 ПЛОТНОСТЬ ПОРОД Ш ССНВ А 0-2,7 ЗАДАННАЯ ВЫСОТА ОТКОСА Н-Ш
Профиль оползня _/ ■/
у/ / '' s; 1 РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ
/У/ \ ПРЕДЕЛЬНАЯ ВЫСОТА Н-22,0 ПРЕДЕЛЬНЫЙ МОЛОТОГО А ■ 4Ц ВЫСОТА ОТРЫВА над -4,0 ШИРИНАПРИЗМЫОБРУШЕНИЯ В-б,! РАДИУС ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ К - Ы,5 КОЭФ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ ПОС-0.7Ш
МЕТОД ОБРАТНЫХ РАСЧЕТОВ МЕТОД ПРОФЕССОРА ШПАКОВ А П.С .-РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЯЕТСЯ ЧНСЖННО-АН АЛИТИ ЧЕ СКИМ ЩТОДО М АВТОРЫ : ПРОФ. ШПАКОВ Ш. ПРОФ. ЮНАКОВ Ю-Ч, ШПАКОВ А МБ
УДЕРЖИВАЮЩИЙ СИЛЫ - NN0 - 5053,3 С ДВИГАЮЩИЕ СИЛЫ -ТИ -3145,4 ОБЩАЯ ДЛИНА ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ -L- Ш ДЛИНА ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ Б МАССИВЕ-L0- 13S.1 УТОЛВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ - Е- 31J5 ОБЩАЯ ДЛИНА ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ -L- Ш УДЕРЖИВАЮЩИЕ СПЛЫВ МАССИВЕ -Xnl- Ш,0 СДВИГАЮЩИЕ СИЛЫВ МАССИВЕ -ГТ1-40».4 СЦЕПЛЕНИЕ В МАССИВЕ .БЕЗУЧЕТА HSTO-C ■ 1J9 УГОЛ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ■ Ё - 31.35 СЦЕПЛЕНИЕ В МАССИВЕ -С -l,flt
Рисунок 2. Определение физико-механических свойств массива
Таблица 1. Прочностные характеристики пород тела оползня, полученные
методом обратных расчетов
Угол внутреннего трения <р. град Сцепление С, т/м2 Объемный вес. у т/м3
31,35 1.93 2,7
Таблица 2. Рекомендуемые параметры откосов уступов и бортов карьера
Сцепление Угол Объемный Предельная Угол Призма Коэффициент
в массиве. внутреннего вес. у т/м3. высота борта, возможного запаса
Ст/м2 трения в откоса Н, м град обрушения. устойчивости.
массиве, ф м п
град
1.93 31.35 2,7 5 90 1,2 1.1
10 65 1,9 1
15 55 2.6 1
20 43 3,2 1
30 43 4,2 1
40 40 5 1
60 33 6.5 1
30 37 7,9 1
100 36 9,3 1
120 35 10.3 1
Московский экономический журнал №5 2021
Рисунок 3. 3D модель оползня на северо-западном участке Васильевского
рудника
Центр
МЕТОД ОбРАТных РАСЧЕТОВ METQQ ПРОФЕССОРА ШПАКОВА П С РЕШЕН* МДАЧИ ВЫПОХЯЕТСЯ ЧИСЛЕЖОАМАЛКТ*«СКИМ МЕТОДОМ
АВТОРЫ ПРО* ШПАКОВ ПС ПРО* ЮНАКОВ ЮЛ ШПАКОЙАМВ
УДЕРЖИВАЮ«»« СИЛЫ- NNO-200I • УДЕРЖИВАЮЩИЕ СИПЫ В МАССИВЕ Nul- 1*2 7
СДВИГАЮЩ* СИЛЫ ПО .700» СДВИГАЮЩИЕ СИЛЫ В МАССИВЕ • П> Ut 1
ОВЩАЯ ДЛИНА ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬ«»«« I. 115« СЦЕПЛЕЮЕ В МАССИВЕ ИЗ УЧЕТА HW С ■ I 77
ДЛЖА ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ В МАССИВЕ 10* 106 3 УГОЛ ВWTPEtWO ТРЕПЛЯ |> 17*
УГОЛ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ». 17 M СЦЕПЛЕНИЕ В МАССИВЕ С ЛСТОМ НМ < С • 1 П ДЛЮА ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ I" 10» 1
Рисунок 4. Разрез по центральной профильной линии. Сдвиговые
характеристики пород
Таблица 3. Прочностные характеристики пород тела оползня, полученные
методом обратных расчетов
Угол внутреннего трення <р. град Спеаленне С, т/м: Объемный вес. у т/м3
16,4 1.97 1.63
Таблица 4. Рекомендуемые параметры откосов уступов и бортов карьера
Сцепление Угол Объемный Предельная Угол Призма Коэффициент
в массиве, внутреннего вес. у т/м3 высота борта, возможного запаса
Ст/м2 трения в массиве, <р град откоса Н, м град обрушения, м устойчивости, и
1.97 16,4 1.63 5 90 1,2 1.1
10 61 3.1 1
15 44 4,9 1
20 36 6.6 1
30 28,2 9.6 1
40 25,2 12 1
60 23,5 14,1 1
30 21.3 19,8 1
100 20.5 23,2 1
120 20.1 26,7 1
Таблица 6. Рекомендуемые параметры откосов уступов и бортов карьера
Сцепление Угол Объемный Предельная Угол Призма Коэффициент
в массиве. внутреннего вес, у т/м3 высота борта. возможного запаса
Ст/м2 трения в откоса Н, м град обрушения. устойчивости.
массиве, ф м и
град
2,05 19.6 1.98 5 80 1.6 1,4
10 70 2,8 1
15 52 4,2 1
20 43 5.6 1
30 34 3.1 1
40 30 10,2 1
60 27 13,5 1
80 25,5 16,4 1
100 24,6 19,3 1
120 24,1 22 1
По итогам исследования получены следующие выводы:
Использование материалов полученных интеграцией методов фотограмметрии, аэрофотосъёмки и БПЛА может эффективно применяться для получения прочностных свойств пород прибортовых массивов методом обратных расчетов, на основе которых можно производить более достоверные расчеты устойчивых параметров откосов уступов и бортов карьера, что в свою очередь повысит безопасность ведения горных работ.
Предложенный метод позволяет создавать подробные цифровые 3D модели оползней и откосов карьеров и отвалов без необходимости присутствия специалистов в опасной зоне и уменьшает трудозатраты.
Построенная по результатам съемки 3D модель оползня, позволяет избегать погрешностей, возникающих из-за некорректного выполнения съемки оползня классическими методами т.к. сьёмка с применением БПЛА позволяет получать более полные данные (до 1 точки на см ) о геометрии оползневого тела без выполнения особых условий сьемки (поиска характерных точек и точек, в которых кривизна поверхности меняет свой знак).
Список литературы
1. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработка мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л., ВНИМИ, 1971, — 187 с.
2. Кащенко Е.В. Отбор перспективного генофонда CRATAEGUS L. на основе мониторинга интродукционных дендрологических популяций // Наука. Мысль: электронный периодический журнал. 2017. Т. 7. № 7. С. 12-18.
3. Матвиенко Е.Ю., Цымбер А.Я. Таксономический состав и перспективность использования древесных интродуцентов в озеленении г. Новочеркасска // Наука. Мысль: электронный периодический журнал. 2017. Т. 7. № 8. С. 43-48.
4. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л.: ВНИМИ, 1972. - 166 с
5. Попов В.Н., Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л. Управление устойчивостью карьерных откосов. Учебник для вузов - М: издательство Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга», 2008. - 683 с.
6. Строкова Я.А. Децентрализованные вычисления на основе технологии блокчейн // Наука. Мысль: электронный периодический журнал. 2017. Т. 7. № 8. С. 1-11.
7. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов.- М.: Недра, 1965. - 378с.
