Идейное Лидерство: Измерение Показателя Когерентности — Новый Подход к Выявлению Неизбежных Обрушений Борта Карьера

Менеджер-геотехник компании GroundProbe в азиатском регионе Рахмат Хамид Муса (Rachmat Hamid Musa)

Старший инженер-геотехник GroundProbe Рахардиан Двитья (Rahardian Dwitya)

Обнаружение неминуемого обрушения имеет огромное значение при мониторинге устойчивости откоса, особенно для открытых разработок, где потенциальная угроза обрушения может существенно повлиять на безопасность и производительность карьера. Современный и хорошо зарекомендовавший себя метод обнаружения неминуемого обрушения заключается в мониторинге поведения бортов карьера и прогнозировании, основанном на анализе данных о прогрессирующей деформации борта. Однако, существует и новый подход: использование показателя когерентности, получаемого с наземного радара, контролирующего устойчивость откосов. Именно такой метод помогает обнаружить неминуемое обрушение, дополняет существующие методы обнаружения и позволяет добиться более точных результатов.

Радарная Интерферометрия Для Мониторинга Откосов Уступов

IИнтерферометрия — это метод получения информации на основе явления интерференции электромагнитных волн, и он уже давно используется в наземных радарах, осуществляющих контроль откосов. Методика наземной радиолокации откосов сочетает в себе концепцию измерения минутной деформации при помощи интерферометрии, а также гибкий характер ее наземного развёртывания.

Интерпретация данных деформационного поведения с наземного радара даёт точную информацию, представляющую большую ценность при мониторинге устойчивости откоса уступа. Всесторонние исследования горных пород бортов карьеров выявили, что до того, как произойдёт обрушение прибортового массива, в течение длительного периода времени будут проявляться небольшие сдвижения горной породы, предшествующие обрушению. Наблюдение за деформационным поведением, предшествующим самому обрушению, может дать полезную информацию в отношении обнаружения и прогнозирования обрушений в будущем.

Амплитуда, Дальность И Показатель Когерентности

Измерение показателя когерентности при помощи наземного радара неразрывно связано как с амплитудой, так и с дальностью, причём амплитуда означает силу сигнала, возвращаемого от наблюдаемого объекта, а дальность — расстояние между радаром и наблюдаемым объектом. Показатель когерентности, полученный наземным радаром, показывает согласованность амплитуды и дальности. Диапазон показателя когерентности колеблется от единицы (максимум) до нуля (минимум).

Показатель когерентности, равный единице, означает, что поверхность наблюдаемого участка является ненарушенной и неизменной. Любое нарушение существующего положения вещей будет выражено в снижении показателя когерентности ниже единицы. Когерентность подразумевает нормализованную сложную кросс-корреляционную функцию измерения амплитуды и дальности.

Если при последовательном сканировании сравнение амплитудных признаков с расстоянием до борта или объекта от наземного радара выявит некоторую степень различия, то радар, осуществляющий мониторинг откоса, выдаст низкое значение когерентности. Изменения показателя когерентности сообщат, есть ли изменения на поверхности откоса или нет, а также могут указывать на предстоящее обрушение.

Обнаружение Потенциального Обрушения С Помощью Показателя Когерентности — Метод Изменения Когерентности

Чтобы понять роль показателя когерентности в выявлении обрушений, важно осознать природу изменений значения когерентности в случае приближения обрушения борта карьера. Обнаружение обрушения путём простого наблюдения за падением показателя когерентности на каждом пикселе радара будет неэффективным, так как значительное падение когерентности происходит не прогрессивно. Хотя обрушения обычно совпадают со снижением показателя когерентности, например, с 0,95 до 0,2 и менее, такое снижение может произойти в среднем только после двух-трёх сканирований радара и во многих случаях остаётся слишком мало времени для того, чтобы смягчить последствия грядущего обрушения. Вместо того чтобы назначать определённый параметр, основанный на снижении показателя когерентности, предлагаемый метод только выиграет от чувствительности к значениям когерентности, получаемых наземным радаром, отслеживающим устойчивость откоса. Метод обнаружения надвигающегося обрушения с использованием показателя когерентности лучше всего объяснить посредством создания когерентных изображений, где значение когерентности каждого отдельного пикселя представлено цветовым градиентом, в зависимости от заданного порогового значения.

По умолчанию высокий показатель когерентности будет представлен более светлым цветом, в то время как низкое значение будет представлено более тёмным цветом. На основании метода изменения когерентности, наблюдая явление изменения связности породы, можно визуально обнаружить приближающееся обрушение.

Первый Пример Из Практики — Добыча Угля В Породах Мягкого Типа

Первый пример демонстрирует последовательность обрушений, происходящих на угольном карьере, где борт с уступами состоит из мягких пород. Прогрессивное поведение деформаций, проявившееся в кластере из 120 пикселей, отчётливо формировалось с самого начала сканирования радаром. Этот пример показывает явное изменение градации изображения когерентности, которое началось на раннем этапе сканирования радаром. Изменение тональности изображения когерентности со светлого на тёмное происходило довольно бессистемно, предположительно потому, что механизм обрушения относится к механизму обрушения вследствие сдвиговой ползучести (рис. 1 и 2).

Рисунок 1: Изображение изменения когерентности с наземного радара

Рисунок 2: График изменения когерентности с наземного радара, пример 1

Для повышения способности обнаружения надвигающегося оползня с использованием метода изменения когерентности применяется система оповещения с различными настройками. Ретроспективный анализ оповещения в рассматриваемом случае показывает наличие достаточного времени предупреждения при различных настройках порога когерентности. Ретроспективный анализ позволяет увидеть, что рекомендуемая настройка оповещения использует значение 0,995 в качестве порога когерентности, а при такой настройке более 25, 50 и 75% общего числа пикселей претерпели прогрессирующую деформацию. Время выдачи оповещения варьировалось от 48 минут до 4 ч. 42 мин. и 8 ч. 18 мин. и было сочтено достаточным для принятия соответствующих мер для смягчения последствий.

Пример Из Практики — Стремительная Деформация

Во втором случае показан пример разрушения вследствие сдвиговой ползучести, при которой скорость деформации слишком велика, чтобы её мог засечь наземный радар, выполняющий мониторинг откосов. Несмотря на это, обрушение в этом случае всё равно легко обнаруживается по когерентности — с течением времени изображение когерентности становится всё более тёмным.
Однако использование только лишь метода прогрессивной деформации приведёт к неверному выводу о времени, когда должно случиться обрушение. По мере возникновения двусмысленности, диаграмма деформации с наземного радара становится менее надёжной, поскольку радар уже утратил возможность отслеживания деформации борта, что может свидетельствовать о случившемся обрушении. Используя анализ когерентности, становится ясно, что процесс деформации на самом деле всё ещё развивается, даже после начала получения неоднозначных показаний. График изменения когерентности в этом случае показывает видимый переход от высокой когерентности к низкой (рис. 3).

Рисунок 3: График изменения когерентности с наземного радара

Ретроспективный анализ сигналов тревоги показывает, что смещение когерентности не представляло собой целостную последовательность обрушения от начала до конца, так как начало сканирования радаром в этом случае уже наполовину соответствует прогрессирующему деформационному поведению. Использование 25% от общего количества пикселей даёт одинаковые результаты по трём пороговым значениям когерентности.
Этот результат также говорит, что природа механизма обрушения относится к сдвиговой ползучести, поэтому изменение когерентности, как правило, занимает больше времени, прежде чем достигается полный процент снижения пикселей когерентности. Результаты ретроспективного анализа обратной связи свидетельствуют о том, что наилучший возможный порог когерентности, который должен применяться, составляет 0,990. В результате установки такого значения, время тревожного оповещения составит 16, 40 и 63 часа до обрушения.

Третий Пример Из Практики — Обрушение Карьера В Породах Твёрдого Типа

Третий случай возник на участке добычи с системой из типичных твёрдых пород, что повлияет на развитие изменения когерентности. Обрушениям в системах из твёрдых пород, как, например, на золотодобывающих и алмазных рудниках, как правило, предшествует кратковременная прогрессивная деформация. В этом примере, внутреннее изменение изображения когерентности от светлого к тёмному означает обрушение под влиянием геологической структуры.  График изменения когерентности иллюстрирует прогрессирующую кривую процентного отношения пикселей, имеющих значение когерентности ниже порогового по мере продвижения времени радарного сканирования (рис. 4).

Рисунок 4: График Изменения Когерентности С Наземного Радара

Этот случай является примером системы из твёрдых пород, где смещение когерентности имеет тенденцию прогрессировать быстрее, чем в случае системы из мягких пород. Поэтому в данном случае устанавливается другая настройка сигнала тревожного оповещения, при которой количество пикселей для срабатывания сигнала оповещения будет составлять 15, 25 и 50% от общего количества пикселей, отображающих прогрессирующее поведение деформации. Результаты ретроспективного анализа обратной связи свидетельствуют о том, что наилучший возможный порог когерентности, который должен применяться, составляет 0,999. В результате установки такого значения время тревожного оповещения составит 42 минуты, 2 ч. 30 мин. и 2 ч. 42 мин. до обрушения.

Краткий Итог — Сфера Применения, Ограничения И Выводы

Применяя метод изменения когерентности вместе с системой оповещения можно существенно повысить эффективность обнаружения надвигающегося обрушения. Как показывают примеры, время выдачи предупреждения варьировалось от 42 минут до более чем 12 часов, предоставляя достаточно времени для осуществления ряда защитных мер.

Однако этот новый метод обнаружения предстоящего обрушения, по сути, опирается на другие традиционные методы, включая выявление обрушения путём наблюдения за его поведением при прогрессирующей деформации. Наиболее важным фактором является понимание человеком, анализирующим данные радара, а также его возможность распознать ограничения когерентности. Несмотря на свои ограничения, обнаружение с помощью метода изменения когерентности может быть весьма полезно программам по обеспечению устойчивости откосов в горнодобывающей промышленности, где в качестве инструмента мониторинга используется наземный радар.

Читать Далее

Эта статья представляет собой краткое изложение доклада «Новый подход к выявлению неизбежных обрушений борта карьера с использованием измерения показателя когерентности и наземного радара для мониторинга устойчивости откосов» под авторством Рахмата Хамида Муса, Рахардиана Двитья и Ф. А. Кахио.

Доклад был представлен 12 мая 2020 года на Международном симпозиуме «Устойчивость откосов открытых горных выработок и в гражданском строительстве 2020».