MODERN MINE SURVEYING PROCEDURES FOR MONITORING THE MOVEMENTS OF WASTE ROCK PILES
HAVASI István
Intézeti tanszékvezető egyetemi docens, PhD gbmhi@uni-miskolc.hu
Geofizikai és Térinformatikai Intézet, Miskolci Egyetem
Kivonat: A tanulmány a Miskolci Egyetem 2018. évi Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program (FIKP) keretében elnyert pályázat részeként íródott. A kutatómunka a meddőhányókra, szűkebb értelemben pedig a meddőhányók mozgásmérésére, az ehhez kapcsolódó korszerű mérési technikák áttekintésére és értékelésére irányult.
Kulcsszavak: bányamérés, meddőhányók, mozgásvizsgálat, mérési módszerek.
Abstract: This study was written as a part of a gained project in the frame of the Higher Education Excellence Program (HEEP) at the University of Miskolc in 2018. My research aimed at waste rock piles, in a narrow sense, their monitoring of movements, in addition, surveying and evaluating the relevant modern mine surveying techniques.
Keywords: mine surveying, waste rock piles, monitoring of movements, surveying methods.
1. A MEDDŐHÁNYÓKRÓL ÁLTALÁBAN
A meddőhányókat gyakorta a bányászati tevékenység melléktermékeként szokás emlegetni [1]. Azok kapcsán a kitermelt nyersanyag lehet pl. szén, valamilyen érc, vagy a számunkra értékes anyagot fedő, vagy azt bizonyos mértékben még tartalmazó, de a kitermelés szempontjából az adott technikai színvonalon gazdasági szempontból már értéktelen kőzetanyag felhalmozódása. Rájuk tekintve meredek dombokat szemlélhetünk. Az imént említett hányóbeli hasznos anyag(ok) azonban idővel (technikai fejlődéssel és más gazdasági környezetben) még hasznosításra alkalmassá válhatnak. A meddőhányók lehetnek kúposak, laposak és lapultak; elhelyezkedésük és megjelenésük lehet tájba illő (rekultivált) és tájidegen. Sokszor több millió tonnás halmok is képződnek, amelyek a különböző környezeti hatásoknak (pl. napsugárzás, csapadék stb.) ki vannak téve. A felmelegedés például megnehezíti azokon a növényzet megtelepedését, így az erózió hatása a lejtősíkjaik instabilitását eredményezheti.
Tekintettel arra, hogy az ásványi nyersanyagok kitermelése együtt jár jelentős mennyiségű meddőanyag keletkezésével, ma már a bányászattól elvárás az ún. környezetbarát tevékenység, és a rendelkezésre álló készletek csökkenésével, a nyersanyagokkal való takarékosabb gazdálkodás is. A bányavállalkozó előtt két választási lehetőség van. A meddőanyagot vagy tájrendezésre (rekultivációra) használja fel, vagy pedig abból meddőhányót épít [2].
A hazai gyakorlatban általában a meddőhányókat, mint bányászati hulladékkezelő létesítmények emlegetik, amelyekre a 14/2008.(IV.3) GKM rendelet előírásai a mérvadóak.
Minden bányatelekhez tartozó (rajta és rajta kívül található) meddőhányóhoz az illetékes bányahatósághoz jóváhagyásra hulladékgazdálkodási tervet kell készíteni [2].
A meddőhányók újrahasznosításának többféle alternatívája van. Beszélhetünk geotechnikai
130
módszerről és tájba-illesztésről/rekultivációról, az utóbbit kiegészítve egyéb hozamlehetőséggel (erdőgazdálkodás, mezőgazdaság, szőlészet/borászat, sport /sí, szán/ és szabadidő tevékenység).
2. A MÉRNÖKGEODÉZIAI MOZGÁSVIZSGÁLATOKRÓL ÁLTALÁBAN
A különböző mozgásvizsgálatok végrehajtása során a következők tisztázása, meggondolása lehet szükséges: modellválasztás (szükséges-e a mozgáskiváltó okok feltárása), munkafolyamat, mozgásmezőt jellemző mennyiségek, mérési pontrendszer kialakítása, pontossági kérdések, mérési módszer és az ahhoz szükséges mérőeszközök, az idő szerepe, a mérési eredmények feldolgozása, a fellépő változások értelmezése [3]. Az imént felsoroltak közül a továbbiakban most csak a kiemeléssel is jelzett mérési technológiára koncentrálok.
A felszínmozgások mérése egyrészt végrehajtható az ismert, a gyakorlatban is már rutinszerűen alkalmazott, mérési módszerekkel és eszközökkel (pl. hagyományos geodéziai, fotogrammetriai, mérőállomásos, GPS), másrészt a technológiai fejlődés eredményeképpen bevezetett új technikák (földi radarberendezések, lézerszkennerek, drónok) felhasználásával.
Nyilvánvaló az is, hogy az egyes módszerek kiválasztásánál mindig célszerű figyelembe venni a mozgásvizsgálat jellegét, a mérésekkel szemben támasztott pontossági elvárásokat valamint a mozgásvizsgálat helyszíni és technológiai adottságait. Napjainkban a hazai bányamérési gyakorlatban az olyan mérési technikák, mint a drónos, lézerszkenneres, vagy LIDAR mozgásmérési célú alkalmazása egyáltalán nem tekinthető még általánosan elterjedtnek. Ezek kapcsán egyelőre inkább csak kísérleti jellegű vizsgálatokról beszélhetünk.
Ugyanakkor az e célra számításba vehető GPS mérési technikák felhasználása már mindennapossá vált.
3. KŐZETMOZGÁSOK KÜLFEJTÉSEKBEN, RÉZSŰÁLLÉKONYSÁG, RÉZSŰELMOZ-DULÁSOK MÉRÉSE
A hányók rézsűinek állékonyságát geológiai, hányóképzési, hidrogeológiai és éghajlati tényezők befolyásolják. A geológiai tényezőkhöz sorolhatjuk a meddőanyag fizikai-mechanikai tulajdonságait, a kohéziót, a belső súrlódási tényezőt a csúszási felületeken, a mozgásirány-dőlésirány viszonyt és az olyan gyengítő faktor jelenlétét, mint pl. rétegződési síkok. Egyes külfejtésekben a rézsűk állékonyságára igen kedvezőtlen hatást gyakorolhatnak a jövesztési célú robbantási munkák. A már említetteken kívül a rézsűállékonyság kapcsán tekintetbe kell venni a hányó anyagának duzzadásra való képességét, a talajvíz áramlását, a hidrosztatikai és hidrodinamikai nyomást, a váratlan jelentős vízbeáramlást, a külfejtés elhelyezkedését, a domborzati viszonyokat, az éghajlatot és a csapadék mennyiségét (főleg agyagos kőzeteknél). A bányaművelés biztonsága érdekében a rézsűcsúszások elkerülése céljából a következő teendők lehetnek szükségesek: vízlecsapolás, vízelvezetés, elvízesedett kőzetréteg feltárása, rézsűhorgonyzás, stb.
A rézsűk állékonyságának számításakor gyakorta a csúszási felületet keresik, és a csúszási felületen fellépő fenntartó és elmozdító erőket határozzák meg, és hasonlítják össze. A csúszási felület körhengeresnek tekinthető, és az főleg a hányó szegélyét alkotó kőzetanyag fizikai-mechanikai tulajdonságaitól függ. A meddőhányó rézsűje kőzetanyagának elmozdulása akkor jön létre, ha az említett felület fölött elhelyezkedő anyag tömegének tangenciális elmozdító ereje meghaladja a csúszási felületen ható kohéziót és súrlódó erőket [4].
Korábban e bányamérési feladatot általában klasszikus geodéziai, ritkán földi fotogrammetriai úton hajtották végre [4]. E módszerek részletezésére – tekintettel e cikk
131
limitált terjedelmi kívánalmaira - most nem térnék ki.
Ami a mozgásvizsgálati pontok meghatározási pontosságát illeti, erről elmondható az, hogy abban a mérési körülményeknek fontos szerepe van, és az is általános elvárás, hogy a mérési hiba lehetőleg ne lépje túl a várható mozgásvektor 10-20 %-át. Az egyes mérések gyakoriságát főképpen a rézsűcsúszás sebessége határozza meg. Intenzív mozgási szakaszban akár 5-10 naponként, egyébként 3-6 hónaponként szokás a méréseket ismét elvégezni.
A külfejtések rézsűcsúszásainak, hányómozgásainak meghatározására többféle távérzékelési eljárás (pl. fotogrammetria, földi radar /InSAR/, lézerszkennelés /TLS/) is számításba vehető. Ezek egyike a földi fotogrammetria [4]. Ez sem tekinthető új mérési eljárásnak, ezért ismertetését most nem tartom szükségesnek.
Egyes meddőhányók elmozdulásának automatikus műszeres megfigyelésére, a lejtő deformációk vizsgálatára – főképp a kiemelt bányászati tevékenységet folytató országokban – gyakorta és előszeretettel alkalmaznak radar rendszert. Ez leginkább instabil lejtők esetén jellemző, ahol a zavarmentes működtetés érdekében, a folyamatos mozgásvizsgálat, és annak értékelése elkerülhetetlen. Ez ugyanis döntő valós-idejű adatokat szolgáltat ahhoz, hogy a biztonságos meddőhányó kialakítást segítse. E vizsgálatok hozzájárulnak az előre várt kőzetülepedés és egy nem remélt tönkremeneteli jelenség elkülönítéséhez, amely összefügghet egy rossz minőségű hányó gyengülő alapjaival, vagy annak egyes rétegeivel.
A bányabeli radarberendezések az általánosan ismert műholdas technika földi adaptációját képviselik. Az ilyen InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) eszközök mérési elve a következő [5]: a rendszer két időpontban két mikrohullámú jelet bocsát ki, amelyek a vizsgált céltárgyról a radarhoz visszaverődnek, amelyben azok nagysága és fázisa mérhető.
Amennyiben a kettő vétel között mozgás történik, akkor az a fázis-differenciákban megjelenik. Ezek (interferometrikus fázisok) pedig már felhasználhatók arra, hogy a felületi pontok radarirányú elmozdulásai (ún. LOS komponensek) mm-es pontossággal, közel valós időben produkálhatók legyenek. A radaradatokat a különböző pixeleken térbeli átlagolással nyerik. Ezután a fázis-interferogrammokat pixel megfeleltetése következik, ahol is az egyes pixelek az egyes fázis-különbségeket mutatják meg, létrehozva egy 2D elmozdulás-térképet.
Az egyes felvételek a lejtő és a radarberendezés között tehát kirajzolhatók, és a rögzített időszakra az elmozdulás jelenség bemutatható lesz. Az InSAR technika lehetővé teszi a vizsgált mozgásra vonatkozó 2D színes radarkép nagyfelbontású előállítását LOS és szkennelési irányban értelmezve. Az ún. keresztirányú felbontás csökken a mérési távolság növelésével, és a pixelméret is növekszik (pl. 200 m-nél már néhány m²). Lehetséges a pixel dimenzió csökkentése magasabb frekvenciájú radarhullám alkalmazásával, amely azonban a légköri hatások szempontjából nem kedvező. A radar egység szoftvere vezérli a rendszer működését, végzi a begyűjtött adatok redukálását, sőt az illetékesek részére akár még vészjelzést is elindíthat, amennyiben a mozgás mértéke elér egy előre meghatározott már nem kívánatos értéket. E távérzékelési eljárásnak is nagy előnye – szemben más geodéziai szállításuk sem egyszerű. Emellett még stabil installálást is igényelnek. Előnyei között viszont megemlíthető még az időjárási és fényviszonyoktól való függetlenség is. A jelen és a közeljövő fejlesztései a földi radaros rendszerek tervezése kapcsán arra irányulnak, hogy azok képesek legyenek előállítani geo-referált radarképeket azért, hogy azokból pontosan és megbízhatóan lehessen következtetni a mozgásirányokra és azok nagyságára.
Egy másik ismert, és az ilyen jellegű vizsgálatoknál számításba vehető, mérési módszer a
132
LIDAR (LIght Detection And Ranging) [5]. E mérési eljárás lézer alapú, ahol a kibocsátó mérőműszer és a visszaverő felület közötti távolságokat rögzítik. A LIDAR tehát egy saját jelforrású aktív távérzékelési rendszer. Jelen esetben, amikor is nagy felületű kőzettest/kőzetfal elhelyezkedését, pozíciójának változását kívánjuk meghatározni, akkor egy e célra létrehozott műszerrel (lézerszkennerrrel) gyorsan, nagyon sok ilyen elvű távmérést hajtunk végre egy előre megtervezett minta szerint. Ez a mérési eljárás a lézerszkennelés. A radartól eltérően a LIDAR az ultraibolya, a látható, vagy az infravörös tartományban működik. A földi lézerszkennelést (Terrestrial Laser Scanning, TLS) általában topográfiai felmérésre alkalmazzák, napjainkban azonban annak használata lejtő mozgások vizsgálatára (lejtő-monitoring-ra) is egyre inkább terjed. Hasonlít a GB-InSAR technikához (földi radarszkennelés), de a két módszer alkalmazott mérőjeleinek hullámhosszbeli különbsége miatt a lézerszkennelés kevésbé pontos. Ezen azonban sokat lehet javítani, ha a mérési eredményeinket referencia pontok használatával kalibráljuk. Ugyanakkor e technika milliós pontszámra vetítve a különböző időpontokban rögzített felvételek összevetése alapján gyorsan 3D elmozdulások detektálását teszi lehetővé. A vizsgált felület komplett és pontos Digitális Magassági Modellje (angol rövidítéssel DEM-je) hozható létre. A mérési pontosság szempontjából lényeges a műszerálláspont és a vizsgált felület közötti távolság helyes megválasztása. Az InSAR eljáráshoz hasonló pontosság csak rövidebb távolságokon (10 m-eken) biztosítható, ennél viszont minden egyes pontra nyerünk információt, és nemcsak átlagolt adatokat a m²-es pixelekre, mint a radarszkennelésnél. A cm-es pontosságot más egyéb körülmények is befolyásolják, mint például a mérési környezet körülményei (időjárási, por, falazat stb.). A lézerszkennelést jó atmoszférikus és jó megvilágítottságú kondíciók mellett kell végezni. Az InSAR berendezésekkel összevetve könnyebb, kevésbé terjedelmes és jól szállítható mérőműszerekről beszélhetünk. A pontossági korlátok miatt a lézerszkennerek valós-idejű használata nem igazán jellemző, de időszakos alkalmazásuk már egy reális alternatíva. Ebből az is következik, hogy e mérőeszközök inkább megfelelnek az inaktív hányók mozgásának műszeres vizsgálatára.
Természetesen a GB-InSAR és a TLS együttes alkalmazása igen hatékony távérzékelési technikát képvisel nemcsak a jelen kutatási téma, hanem más hasonló környezet-monitoring probléma kapcsán is.
4. KÖSZÖNETNYÍLVÁNÍTÁS
"A tanulmány/kutatómunka az ME-FIKP természeti erőforrások optimalizálása korszerű anyagtechnológiákra alapozva: energetikával, vízzel, anyagfejlesztéssel és smart technológiákkal kapcsolatos kutatások részeként valósult meg."
5. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] https://hu.wikipedia.org/wiki/Medd%C5%91h%C3%A1ny%C3%B3
[2] VÉGH, V.: Meddő vagy haszonanyag? Bányajog blog, 2017. szeptember 29.
[3] HAVASI, I.: Monitoring and evaluation of ground and building movements. Training and research working paper, Miskolc, 2002, Bolyai János Scolarship (1999).
[4] HOVÁNYI, L.: Külfejtéses bányák felmérése. Tankönyv, Műszaki Könyvkiadó, 1979.
[5] A. LINGUA, D. PIALLI, F. RINAUDO: Remote monitoring of a landslide using an integration of GB - InSAR and LIDAR techniques (pp. 361-366).
https://core.ac.uk/download/pdf/21173090.pdf.
133