Штурманы подземелья: как горные инженеры составляют карты под землей

«Если не знать углов и расстояний, можно копать неизвестно сколько и оказаться неизвестно где, – рассказывает Сергей Соболев, главный маркшейдер горно-металлургической компании "Норникель". – При строительстве зданий и дорог эти задачи выполняют геодезисты. В отличие от них маркшейдеры могут работать и под землей, обеспечивая нужную точность». Так, в 2019 году между рудниками «Скалистый» и «Комсомольский» была выполнена сбойка встречными забоями – горизонтальный тоннель соединил выработки рудников. Горняки двигались навстречу друг другу и более чем через 2 км сомкнули проходы с отклонением по высоте в 3 см.

В поисках новых месторождений геологи бурят разведочные скважины, чтобы оценить перспективы разработки. Если такие перспективы есть, начинается более тщательная разведка с помощью новых скважин, которые позволяют уточнить контуры скрытых под землей рудных тел. На основе полученных трехмерных данных специалисты готовят технический проект – главный документ рудника. Он устанавливает, где будут проложены стволы (большие вертикальные шахты с клетями-лифтами или со скиповыми машинами для подъема руды), где и куда от них отойдут тоннели оконтуривающих, вскрывающих и других выработок. Этот проект берется за основу инженерами, которые детализируют его на месте с учетом текущей горно-геологической обстановки. И уже на эти детальные планы опираются маркшейдеры, выстраивая собственную подземную сеть.

«Все начинается с геодезических пунктов на поверхности, координаты которых определены с высокой точностью, – объясняет Сергей. – Через стволы на глубину опускается отвес, по которому координаты передаются на маркшейдерские точки. Обычно это металлические стержни, которые забуриваются и закладываются в кровлю выработки, чтобы затем служить опорными точками для измерений и отсчетов». От них разрастается маркшейдерская сеть, которая определяет весь ход горной выработки, указывая, в каком направлении, под какими углами, на какие расстояния и с каким сечением ее вести.

«Рабочий день маркшейдера разделен на две части, – говорит Сергей Соболев. – Половину времени он проводит в шахте, делая измерения под землей, а вторую – на поверхности, обрабатывая собранные данные и выдавая необходимые предписания. Так он развивает маркшейдерскую сеть, задает направления горным выработкам и оценивает их результаты, чтобы обнаружить любые отклонения от проектных решений. Критической обычно считается ошибка в 10% и более, хотя этот предел может меняться – например, для капитальных выработок требования жестче. Если нарушения серьезные, составляется докладная записка главному инженеру, который решает, что делать с такой выработкой».

Работа в шахтах – самая сложная для маркшейдера, но и самая увлекательная. Здесь он должен развивать подземную маркшейдерскую сеть, выполнять пространственно-геометрические измерения, проверять углы, длины и расстояния, чтобы контролировать проектно-технические решения. «У всех свои фобии: кому-то и в лифте тревожно. Однако мне под землей страшно никогда не было, только интересно, – уверяет Сергей. – Максимум я был на глубине 1900 м, на нашем "Скалистом". На этом же руднике глубина ствола ВС-10 более 2050 м – это самый глубокий ствол в Евразии».

Прежде базовыми инструментами маркшейдеров под землей были теодолиты, позволяющие измерять углы относительно отвесов, и рулетки для фиксации расстояний. Ими маркшейдеры пользовались на протяжении столетий, но такая работа тяжела и медленна. Чтобы уменьшить ошибки, возникающие из-за провисания металлической рулетки длиной 50 и даже 100 м, ее приходилось изо всех сил растягивать с помощью рабочих. Еще более трудоемкой была фотограмметрическая съемка. Для нее нужно было сфотографировать человека с масштабной рейкой на фоне выработки, проявить и напечатать снимок, а затем обвести контур проходки, чтобы, зная масштаб, определить его сечение. Все это требовало целого штата подсобных рабочих и чертежниц, которые переносили собранные данные на планшеты и схемы.

Сегодня никакие вспомогательные службы не нужны: благодаря современным инструментам маркшейдеры обходятся без дополнительной помощи. На большом руднике может трудиться несколько тысяч человек – и всего пара десятков маркшейдеров. «Людей сейчас стало меньше, но мы способны выполнять даже больший объем работ для горной промышленности, – отмечает Сергей Соболев. – Если раньше съемку делали в среднем раз в месяц, то теперь она обновляется каждые 10 дней; помимо этого, постоянно проверяются, "переснимаются" отдельные участки. Упор делается на быстрое принятие решений, а значит, важно иметь самые свежие и точные данные».

Первыми новыми инструментами в «Норникеле» стали стационарные лазерные сканеры для съемок очистного пространства – горных выработок очень большого сечения, которые образуются в результате массового извлечения полезных ископаемых. «Это как 9- или 15-этажный дом под землей, – добавляет Сергей. – Съемка очистного пространства обычными приборами раньше была огромной проблемой, но сканеры все упростили. А вот для измерения в горных выработках стационарные сканеры неудобны: их постоянно приходится переставлять с места на место». Для таких работ маркшейдеры обзавелись портативными лидарами – в «Норникеле» имеется 16 систем, по две-три на каждый из больших рудников компании. Система упаковывается в обычный рюкзак. Придя на место, инженер достает лазерную головку и прикручивает ее на телескопическую веху, которую крепит за спиной. В рюкзаке остаются аккумуляторы, в руках – блок управления, то есть обычный смартфон или планшет. В таком облачении маркшейдеру нужно просто идти вдоль выработки – лазер будет сканировать окружающее пространство с огромной скоростью, делая 300 тыс. измерений в секунду. В режиме реального времени на экране планшета возникает облако точек – трехмерная модель камеры или выработки.

«Подходя к маркшейдерской точке, нужно поднести к ней головку лидара и зафиксировать отметку. Сам лидар выполняет измерения в своей условной системе координат, поэтому важно привязать его данные к пунктам сети, – подчеркивает Сергей Соболев. – Эта работа проводится уже на поверхности, при обработке съемки. Прежде всего убираются шумы: где-то трубы могли попасть, вентиляторы, лужи. Затем на основании отмеченных пунктов облако точек лидара привязывается к высокоточной системе координат рудника».

«У нас рудники большие, действующие выработки тянутся на тысячи километров, а добыча достигает 19 млн т в год. Это целые города под землей, добираться до места иногда приходится больше часа. Соответственно, времени на саму работу остается в обрез, – продолжает Сергей. – Поэтому мы присматриваемся к тому, чтобы использовать роботов, а еще лучше – роботизированные беспилотники, которые способны пролететь там, где проход для людей слишком сложен или небезопасен».

В 2021 году на рудниках «Норникеля» уже прошли испытания БПЛА, способных работать под землей, где нет сигналов глобальной навигации. Благодаря бортовым лидарам такие аппараты могут летать в шахте, не натыкаясь на препятствия. «Это не универсальное решение, но удобное для некоторых сложных задач – например, когда нет прямой видимости. Если выработку перегородил навал горной массы, надо как-то через него перебираться или обходить, чтобы рассмотреть, что происходит дальше, – добавляет Сергей Соболев. – Но можно для этого задействовать и беспилотник. Надеюсь, когда-нибудь мы сможем использовать такие системы у себя под землей».