Барлаудан кенішті жабуға дейін: Қашықтықтан зондтау технологиясымен қолдау көрсетілетін минералды ресурстардың өмірлік циклін басқару

Қашықтықтан зондтау технологиясы жанаспайтын, кең аумақты, көп уақытты және жоғары ажыратымдылықты артықшылықтарымен минералды ресурстарды олардың бүкіл өмірлік циклі бойы кешенді «ғарыш-ауа-жер-ұңғыма» басқарудың негізгі қолдау құралына айналды, ол геологиялық барлау, шахта құрылысы, тау-кен өндірісі, шахтаны жабу және экологиялық қалпына келтіру сияқты негізгі кезеңдерді қамтиды. «Қатты пайдалы қазбаларды геологиялық зерттеудің жалпы ережелері» (GB/T 13908-2020), «Қатты пайдалы қазбалар қорларының жіктелуі» (GB/T 17766-2020) және «Шахта жерлерін мелиорациялау және экологиялық қалпына келтіруді бақылау және бағалаудың техникалық сипаттамалары» (GB/T 43935-2024) сияқты қазіргі ұлттық стандарттарға негізделген бұл мақала көп/гиперспектрлі қашықтықтан зондтау, InSAR және ҰҰА қашықтықтан зондтау технологияларының нақты қолдану жолдары мен типтік жағдайларын кезең-кезеңімен жүйелі түрде егжей-тегжейлі сипаттайды. Оларға барлау кезеңіндегі өзгеріс туралы ақпаратты алу, құрылыс кезеңіндегі қоршаған ортаның бастапқы жағдайын зерттеу, тау-кен өндіру кезеңіндегі динамикалық мониторинг және геологиялық апаттарды ерте ескерту, сондай-ақ кенішті жабу кезеңіндегі өсімдіктерді қалпына келтіру және экологиялық қалпына келтіру әсерін бағалау кіреді. Сонымен қатар, онда қашықтықтан зондтау технологиясының артықшылықтары, шектеулері және интеллектуалды интеграцияның даму үрдістері әдебиеттерге шолулармен бірге талданады, минералды барлау және тұрақты басқару үшін анықтама береді.

GB/T 13908-2020 заңының 4.2-бабына сәйкес, геологиялық барлау жалпы зерттеу, егжей-тегжейлі зерттеу және барлау болып бөлінеді. Жалпы зерттеу кезеңінің негізгі міндеті - перспективалы аумақтарды анықтау және болжамды ресурстар мөлшерін бағалау. Егжей-тегжейлі зерттеу кезеңі аномалияны тексеруге және ресурстар мөлшерін бағалауды бақылауға бағытталған. Барлау кезеңі ресурстар мөлшерін дәлелдеуге және техникалық-экономикалық негіздеме есебін ұсынуға арналған. Қашықтықтан зондтау технологиясы бұл процесте жетекші және жоспарлау рөлін атқарады. Оның техникалық тәсілі негізінен макроскопиялық құрылымдық түсіндіруге, литологиялық анықтауға және кең көлемді жылдам скринингке қол жеткізу үшін минералданудың өзгеруі туралы ақпаратты алуға негізделген. Гиперспектральды/көпспектрлі қашықтықтан зондтау (WorldView-3, GF-5, ASTER) темір бояуы, гидроксил топтары (Fe-OH, Mg-OH) және карбонаттар (мысалы, каолинит, серицит) сияқты гидротермиялық өзгеріс минералдарын дәл бөліп ала алады, осылайша жанама минералды барлау көрсеткіштері ретінде өзгеріс галоларын анықтайды. Жарықшақтық, қатпарлық және сақиналық құрылымды түсіндіруге арналған DEM деректерімен біріктірілгенде, қолайлы минералдану аймақтарын тез анықтауға болады (Chen және т.б., 2023). Егжей-тегжейлі зерттеу және барлау кезеңінде ұңғымалардың, траншеялардың және шұңқырлардың орналасуын оңтайландыру және ресурстар мөлшерін алдын ала бағалауға көмектесу үшін UAV гиперспектрлік/лидар технологиясын қолдана отырып, жоғары ажыратымдылықтағы үш өлшемді геологиялық модельдер жасалады. Chen және т.б. (2023) WorldView-3 деректерін қолдана отырып, Гансу провинциясының Бэйшан-Туншань аймағында гидротермиялық өзгеріс туралы ақпаратты алу бойынша зерттеу жүргізді. Олар негізгі компоненттік талдауды және спектрлік ерекшеліктерді сәйкестендіруді қолдана отырып, әртүрлі қарқындылықтағы өзгеріс аномалияларын сәтті анықтап, жіктеді. Бұл зерттеу қашықтықтан зондтау аномалиялары мен далалық іріктеу нәтижелері арасындағы жоғары деңгейдегі сәйкестікті растады, жалпы зерттеу кезеңінде мақсатты аймақты таңдау және жерді тексеру үшін жоғары дәлдіктегі деректерді қолдауды қамтамасыз етті.

1-сурет. WorldView-3 көп жолақты альтерациялық аномалиясын алу нәтижелері

(Чен және т.б., 2023)

A: Mg-OH ауытқуы; B: Fe-OH ауытқуы;

C: Темірдің боялуының бұзылуы; D: Карбонаттың бұзылуы

1-суретте кеңістіктік таралуды салыстыру арқылы әрбір өзгеріс түрінің егжей-тегжейлі аймақтауы көрсетілген, бұл барлау бағытының орналасуы және жалпы зерттеу кезеңіндегі картаға түсіру және инженерлік тексеру үшін маңызды сілтеме болып табылады.

2-сурет. Туншань аймағындағы WorldView-3 деректерінен алынған гидротермиялық өзгеру аномалияларының таралу картасы (Chen et al., 2023)

2-суретте Fe-OH, Mg-OH, темір бояуы және карбонат аномалияларының қарқындылығын көрсету үшін қолданылатын әртүрлі түстер көрсетілген. Қабаттасқан өрісті тексеру нүктелері (жасыл нүктелер) және кен өндіру аймағының орналасуы (күлгін пентаграммалар) нысаналы аймақтарды анықтауға тікелей бағыт бере отырып, өзгеріс пен тектоника арасындағы қабаттасқан қатынасты анық көрсетеді.

Техникалық-экономикалық негіздемелер, шахтаны жобалау және инфрақұрылым құрылысы GB/T 17766-2020 стандартына сәйкес жүргізіледі. Бұл кезеңде қашықтықтан зондтау технологиясын қолдану қоршаған ортаның бастапқы зерттеулеріне бағытталған — көп уақыттық спутниктік суреттерге негізделген, құрылысқа дейінгі жерді пайдалану, өсімдік жамылғысы, топография және қоршаған ортаға әсерді бағалау (ҚОӘБ) үшін сандық қолдау көрсету үшін экологиялық бастапқы деректерді алуға; және өсімдіктерді, жолдарды, қалдық қоймаларын және қалдық үйінділерін орналастыруға көмектесетін үш өлшемді жер бедерінің модельдерін (DTM/DSM) жасау үшін жоғары ажыратымдылықтағы ҰҰА қашықтықтан зондтауды пайдалануға, ықтимал геологиялық қауіптерді болдырмауға (GB/T 43935-2024, 6.1-тармақ), осылайша қоршаған ортаға қауіп төндірмеудің алдын алу және жасыл құрылыс саласындағы сәйкестік мақсаттарына ерте қол жеткізуге бағытталған.

Ірі көлемді кен өндіру кезеңінде өндіріс динамикасын, қауіпсіздік қауіптерін және қоршаған ортаға әсерді нақты уақыт режимінде бақылау қажет (DZ/T 0392-2022 «Кен ортасын қашықтықтан зондтау мониторингінің техникалық сипаттамасы» талаптарына сәйкес). Қашықтан зондтау технологиясы жоғары жиілікті динамикалық мониторингке қол жеткізе алады.

1. Тау-кен жұмыстарының барысы мен жерді пайдалануды бақылау – Көп көзді спутниктік/ұшқышсыз ұшу аппараттарының суреттеріне сүйене отырып, ашық карьерлердің кеңею процесін, үстіңгі қабаттың жиналу динамикасын, қалдық бөгетінің деформациясын және жер жамылғысының түрінің трансформациясын дәл бақылауға болады. Ми және т.б. (2019) Шаньси провинциясының оңтүстік маңындағы көмір өндіру аймағында үздіксіз Landsat суреттерінің деректерін және кездейсоқ орман жіктеуішін пайдаланып, 1987 жылдан 2017 жылға дейін жер асты өндіру және жерді қалпына келтіру нәтижесінде жерді пайдалану мен жамылғының өзгерістерін сандық түрде анықтады және өндіру аймағының кеңеюі мен өсімдіктерді қалпына келтірудің кеңістіктік үлгілік сипаттамаларын дәл бейнеледі.

3-сурет. 1987 жылдан 2017 жылға дейінгі үздіксіз жер пайдалану/жер жамылғысының жіктелуі(Ми және т.б., 2019)

2. Геологиялық апаттарды ерте ескерту және деформация мониторингі — InSAR технологиясы беткейлердің сырғанауын, шөгінділердің шөгуін және қалдық бөгетінің тұрақтылығын бақылаудың негізгі құралы болып табылады, бұл миллиметрлік дәлдікпен ұзақ мерзімді үздіксіз деформацияны бақылауға мүмкіндік береді. Фадхила және т.б. (2024) Солтүстік Кореядағы Моксан ашық темір кеніші кенішінде Sentinel-1 уақыттық қатарларының деректерін өңдеу үшін терең оқытуды оңтайландыру алгоритмімен біріктірілген жетілдірілген біріктірілген шашыратқыш InSAR (ICOPS) әдісін қолданды. Мониторинг нәтижелері шығыс қалдық үйіндісінің жинақталған шөгуі 170 см-ге, ал батыс қалдық үйіндісінің шөгуі 70 см-ге жеткенін, жылдық шөгудің максималды жылдамдығы 15 см/а асатынын көрсетті. Бұл зерттеу кеңістіктік-уақыттық деформация жылдамдығының карталары мен профильді талдау арқылы тау-кен өндірісінен туындаған шөгудің кеңістіктік-уақыттық эволюция заңын анықтады, бұл беткейлердің тұрақтылығын ерте ескерту және апаттардың алдын алу үшін сандық дәлелдер келтірді.

4-сурет. Мушан ашық темір кеніші кенішінің InSAR кумулятивті деформация жылдамдығының таралу картасы (Fadhillah et al., 2024)

Диаграммадағы түс градиенті орташа жылдық деформация жылдамдығын көрсетеді, ол тау-кен өндіру аймағының шекарасына орналастырылған кезде өндіріс кезеңінде қауіпсіздікті басқаруды тікелей қолдайды.

5-сурет. 2016 жылдан 2022 жылға дейінгі Мушан ашық темір кені аймағының InSAR кумулятивті деформация профилін талдау (Fadhillah et al., 2024).

(a) және шығыс қоқыс төгетін орын учаскелерінің A–A´; (b) және B–B´; (c) және батыс қоқыс төгетін орын учаскелерінің C–C´; (d) және D–D´I профиль деформациясының нәтижелері.

Суреттегі бірнеше профиль сызықтары әртүрлі уақыттағы жинақталған шөгу мен биіктік өзгерістерін көрсетеді, бұл тау-кен жұмыстарынан туындаған деформацияның кеңістіктік-уақыттық сипаттамаларын сандық түрде анықтайды.

3. Экологиялық сапаны бағалау – Арнайы қашықтықтан зондтау экологиялық индексін құру арқылы өсімдіктердің күйзелісінің, топырақ пен судың ластануының және ландшафт фрагментациясының сандық сипаттамасына қол жеткізуге болады. Song және т.б. (2023) Цяньань-Цяньсидің тығыз қоныстанған темір кені аймағы үшін Landsat деректеріне негізделген темір кенін қашықтықтан зондтау экологиялық индексін (IM-RSEI) құрды, оған жеті көрсеткішті біріктірді: өсімдік жамылғысы, жалаңаш топырақтың жасылдығы, ылғалдылық, қара көміртек бөлшектері, беткі температура, темір оксидтері және ландшафт фрагментациясы. Бұл зерттеу экологиялық сапаның 1992 және 2018 жылдар аралығында «нашарлаудан кейін жақсару» үрдісін көрсеткенін, тау-кен аймағының орташа IM-RSEI мәні (0,5412) қоршаған буферлік аймаққа қарағанда айтарлықтай төмен екенін көрсетті, бұл тау-кен жұмыстарының қоршаған экологияға теріс әсерін растайды.

6-сурет. 1992 жылдан 2018 жылға дейін QR-дегі IM-RSEI кеңістіктік таралуы (Song және т.б., 2023)

Шахта жабылғаннан кейін, қалпына келтіруді қабылдау және ұзақ мерзімді басқару GB/T 43935-2024 8-тарауының ережелеріне сәйкес жүзеге асырылуы тиіс. Бұл кезеңде қашықтықтан зондтау технологиясы әсерді бағалау және ұзақ мерзімді қорғау құралына айналады. Оның қолданылуы негізінен мыналарды қамтиды: көп уақыттық NDVI және EVI негізінде өсімдіктерді қалпына келтіру және топырақты қайта құру процестерін бақылау; InSAR технологиясын қолдана отырып, топырақтағы қалдық шөгу динамикасын бақылау; және RSEI/IM-RSEI индекстері арқылы топографиялық қайта құрудың, жерді қалпына келтірудің, топырақ пен су химиясының және экожүйені қалпына келтірудің әсерін сандық бағалау, қалпына келтіруді қабылдау үшін деректерді қолдауды қамтамасыз ету (GB/T 43935-2024 8.4-бап). Ху және т.б. (2022) көп уақыттық Landsat деректеріне негізделген Антайбао ашық көмір кенішінің қалдық үйіндісінің қалпына келтіру аймағының өсімдіктерді қалпына келтіру жағдайын бақылады және NDVI кеңістіктік-уақыттық таралу карталарын қолдана отырып, қалпына келтіруден кейінгі өсімдік жамылғысы мен биомассаның өсу үрдісін сандық түрде анықтады. Бұл зерттеу қалпына келтіруден бұрын және кейін NDVI карталарын салыстыру арқылы қалпына келтіруден кейін өсімдік жамылғысының айтарлықтай артқанын растады.

7-сурет. Оңтүстік полигондағы кеңістіктік-уақыттық масштабтағы NDVI уақыттық қатарларын талдау (Hu et al., 2022)(a) Бір айнымалы регрессиялық талдау нәтижелері; (b) Sen+MK трендтік талдау нәтижелері.

SI, NSI, NSD және SD сәйкесінше айтарлықтай өсімді, айтарлықтай өсімнің жоқтығын, айтарлықтай төмендеудің жоқтығын және айтарлықтай төмендеуді білдіреді.

Қашықтан зондтау технологиясының пайдалы қазба кен орындарының бүкіл өмірлік циклі бойындағы артықшылықтары оның жанаспайтындығында, макроскопиялық тиімділігінде және қоршаған ортаға зиянсыздығында, аз бұзылушылық сипатында жатыр. Ол далалық тексерумен, геофизикалық және геохимиялық барлаумен және инженерлік бақылаумен тұйық циклді технологиялық жүйені құра алады (GB/T 13908-2020 5-тарауы; GB/T 43935-2024 4.2-тармағы). Жасанды интеллект пен көп көзді деректерді біріктіру (спутник + UAV + InSAR) технологиясын интеграцияланған қолдану қашықтықтан зондтау мониторингінің дәлдігі мен сенімділігін одан әрі жақсартады (Chen және т.б., 2023; Song және т.б., 2023). Дегенмен, бұл технологияның да шектеулері бар - ол тек жер үсті және таяз жер асты ақпаратын көрсетеді және далалық үлгілерді тексеруді қажет етеді; күрделі геоморфологиялық аудандардағы когеренттілікті жоғалту мәселесі әлі де оңтайландыруды қажет етеді. Болашақта «қашықтан зондтау + өнеркәсіптік басқару терминалы + Заттар интернеті + жасанды интеллект» технологияларын біріктіру пайдалы қазба кен орындарын басқарудың бүкіл өмірлік циклі бойында интеллектуалды трансформациясын тудырады.

Сілтемелер

[1] GB/T 13908-2020. Қатты пайдалы қазбалар кен орындарын геологиялық барлаудың жалпы ережелері [S]. Бейжің: Қытай стандарттары баспасы, 2020.

[2] GB/T 17766-2020. Қатты минералды ресурстар қорларының жіктелуі [S]. Бейжің: Қытай стандарттары баспасы, 2020.

[3] GB/T 43935-2024. Шахта жерлерін мелиорациялау және экологиялық қалпына келтіруді бақылау және бағалауға арналған техникалық сипаттама [S]. Бейжің: Қытай стандарттары баспасы, 2024.

[4] DZ/T 0392-2022. Кен ортасын қашықтықтан зондтау мониторингінің техникалық сипаттамасы [S]. Пекин: Табиғи ресурстар министрлігі, 2022.

[5] Чен С, Гао Л, Се Ф, Ся Ф, Ли С. WorldView-3 деректерін пайдаланып, гидротермиялық түрде өзгертілген ақпаратты алу: Қытайдың солтүстік-батыс Ганьсу қаласындағы Хуэйтуншань қаласының жағдайын зерттеу [J]. Жер туралы ғылымдағы шекаралар, 2023, 11: 1250591.

[6] Сонг В, Гу ХХ, Сонг В және т.б. Қытайдың Цяньань және Цяньси аймақтары бойынша қашықтықтан зондтау ақпаратын пайдалана отырып, тығыз тау-кен өндірісі аймақтарындағы қоршаған ортаны бағалау [J]. Экологиялық көрсеткіштер, 2023, 146: 109814.

[7] Фадхиллаһ М.Ф., Хаким В.Л., Ли С.К. және т.б. Терең оқыту алгоритмін оңтайландырумен біріктірілген шашыратқыш интерферометрияны жақсартуды қолдана отырып, ашық карьерлік тау-кен жұмыстарынан туындаған жердің шөгуін көп уақыттық талдау [J]. Scientific Reports, 2024, 14: 6311.

[8] Ху Дж.М., Йе Б.Й., Бай З.К. және т.б. Антайбао ашық карьеріндегі өсімдіктердің қалпына келуін қашықтықтан зондтау мониторингі [Дж]. Қашықтан зондтау, 2022, 14(22): 5634.

[9] Ми Дж., Ян Ю., Чжан С. және т.б. Жер асты тау-кен жұмыстары және орманды қалпына келтіру жүргізілетін аумақтағы жерді пайдалану/жер жамылғысының өзгеруін үздіксіз Landsat жіктеуі арқылы бақылау [J]. Қашықтықтан зондтау, 2019, 11(14): 1719.