От разведки до закрытия шахты: управление жизненным циклом минеральных ресурсов с помощью технологий дистанционного зондирования.

Технология дистанционного зондирования, благодаря своим преимуществам бесконтактного, широкомасштабного, многовременного и высокоразрешающего методов, стала ключевым вспомогательным средством для комплексного управления минеральными ресурсами по принципу «космос-воздух-земля-скважина» на протяжении всего их жизненного цикла, охватывающего такие важные этапы, как геологическая разведка, строительство шахт, добыча полезных ископаемых, закрытие шахт и экологическая реставрация. В данной статье, на основе действующих национальных стандартов, таких как «Общие правила геологической разведки твердых минералов» (GB/T 13908-2020), «Классификация запасов твердых минеральных ресурсов» (GB/T 17766-2020) и «Технические условия мониторинга и оценки рекультивации земель после добычи полезных ископаемых и экологической реставрации» (GB/T 43935-2024), систематически рассматриваются конкретные пути применения и типичные примеры технологий многоспектрального/гиперспектрального дистанционного зондирования, InSAR и дистанционного зондирования с использованием БПЛА. К ним относятся: извлечение информации об изменениях на этапе разведки, базовые экологические исследования на этапе строительства, динамический мониторинг и раннее предупреждение о геологических катастрофах на этапе добычи полезных ископаемых, а также восстановление растительности и оценка эффективности экологической реставрации на этапе закрытия шахты. Кроме того, в работе анализируются преимущества, ограничения и тенденции интеллектуальной интеграции технологий дистанционного зондирования в сочетании с обзором литературы, что служит ориентиром для разведки полезных ископаемых и устойчивого управления.

Согласно статье 4.2 GB/T 13908-2020, геологическая разведка делится на общую, детальную и разведочную. Основная задача общей разведки — определение перспективных районов и оценка предполагаемых объемов ресурсов. Детальная разведка фокусируется на проверке аномалий и контроле оценки объемов ресурсов. Разведочная стадия посвящена подтверждению объемов ресурсов и представлению отчета о технико-экономическом обосновании. В этом процессе ведущую роль играет технология дистанционного зондирования и планирования. Ее технический подход в основном основан на макроскопической структурной интерпретации, литологической идентификации и извлечении информации о минерализации и изменениях для достижения быстрого крупномасштабного скрининга. Гиперспектральное/мультиспектральное дистанционное зондирование (WorldView-3, GF-5, ASTER) позволяет точно извлекать минералы гидротермальных изменений, такие как железистые пятна, гидроксильные группы (Fe-OH, Mg-OH) и карбонаты (например, каолинит, серицит), тем самым определяя зоны изменения в качестве косвенных индикаторов разведки полезных ископаемых. В сочетании с данными ЦМР для интерпретации разломов, складок и кольцевых структур можно быстро выявить перспективные зоны минерализации (Чен и др., 2023). На этапе детального обследования и разведки с использованием гиперспектральной/лидарной технологии БПЛА строятся трехмерные геологические модели высокого разрешения для оптимизации расположения скважин, траншей и карьеров, а также для предварительной оценки запасов ресурсов. Чен и др. (2023) провели исследование по извлечению информации о гидротермальных изменениях в районе Бэйшань-Туншань провинции Ганьсу с использованием данных WorldView-3. Они успешно выявили и классифицировали аномалии изменений различной интенсивности с помощью анализа главных компонентов и подгонки спектральных характеристик. Это исследование подтвердило высокую степень соответствия между аномалиями дистанционного зондирования и результатами полевых исследований, обеспечив высокоточную поддержку данных для выбора целевых районов и проверки на местности на этапе общего обследования.

Рисунок 1. Результаты извлечения аномалий изменений в многодиапазоне данных WorldView-3.

(Чен и др., 2023)

А: Аномалия Mg-OH; В: Аномалия Fe-OH;

C: Аномалия окрашивания железом; D: Аномалия карбонатов

На рисунке 1 показано детальное зонирование каждого типа изменений на основе сравнения пространственного распределения, что служит важным ориентиром для прокладки разведывательного маршрута, а также для картографирования и инженерной проверки на этапе общей съемки.

Рисунок 2. Карта распределения аномалий гидротермальных изменений, полученная из данных WorldView-3 в районе Туншань (Чен и др., 2023).

На рисунке 2 показаны различные цвета, используемые для обозначения интенсивности Fe-OH, Mg-OH, железистых пятен и карбонатных аномалий. Наложенные друг на друга точки полевой проверки (зеленые точки) и местоположения горнодобывающих районов (фиолетовые пентаграммы) наглядно демонстрируют взаимосвязь между изменением пород и тектоникой, что непосредственно помогает определить целевые районы.

Технико-экономические обоснования, проектирование шахт и строительство инфраструктуры проводятся в соответствии с GB/T 17766-2020. Применение технологий дистанционного зондирования на этом этапе сосредоточено на проведении базовых экологических исследований — на основе многовременных спутниковых снимков, получении данных о землепользовании, растительном покрове, топографии и экологических показателях до начала строительства для обеспечения количественной поддержки оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС); и использовании дистанционного зондирования с помощью беспилотных летательных аппаратов высокого разрешения для создания трехмерных моделей рельефа (ЦМР/ЦМР) для содействия в выборе мест для размещения заводов, дорог, хвостохранилищ и отвалов, избегая потенциальных геологических опасностей (GB/T 43935-2024, пункт 6.1), тем самым достигая целей раннего предотвращения экологических рисков и соответствия требованиям «зеленого» строительства.

В ходе крупномасштабной добычи полезных ископаемых необходимо в режиме реального времени отслеживать динамику производства, угрозы безопасности и воздействие на окружающую среду (в соответствии с требованиями ДЗ/Т 0392-2022 «Технические условия дистанционного мониторинга горнодобывающей среды»). Технология дистанционного зондирования позволяет осуществлять высокочастотный динамический мониторинг.

1. Мониторинг хода горных работ и землепользования – На основе спутниковых/БПЛА-снимков из различных источников можно точно отслеживать процесс расширения карьеров, динамику накопления вскрышных пород, деформацию хвостохранилищ и трансформацию типов землепользования. Ми и др. (2019) использовали непрерывные данные спутниковых снимков Landsat и классификатор случайного леса в районе добычи угля в южных пригородах провинции Шаньси для количественного выявления изменений землепользования и растительного покрова, вызванных подземной добычей и рекультивацией земель в период с 1987 по 2017 год, и точно отобразили пространственные характеристики расширения горнодобывающих районов и восстановления растительности.

Рисунок 3. Непрерывная классификация землепользования/землепокрытия с 1987 по 2017 год.(Ми и др., 2019)

2. Система раннего предупреждения о геологических катастрофах и мониторинг деформаций — технология InSAR является ключевым инструментом для мониторинга оползней, осадки выработанного пространства и устойчивости хвостохранилищ, обеспечивая долгосрочное непрерывное наблюдение за деформациями с точностью до миллиметра. Фадхилла и др. (2024) использовали усовершенствованную комбинированную технологию InSAR с рассеивателями (ICOPS) на открытом железорудном руднике Моксан в Северной Корее в сочетании с алгоритмом оптимизации глубокого обучения для обработки данных временных рядов Sentinel-1. Результаты мониторинга показали, что суммарная осадка восточного отвала достигла 170 см, а западного — 70 см, при этом максимальная годовая скорость осадки превысила 15 см/год. Это исследование, с помощью пространственно-временных карт скорости деформации и анализа профиля, выявило закономерности пространственно-временной эволюции осадки, вызванной горными работами, предоставив количественные доказательства для раннего предупреждения о стабильности склонов и предотвращения катастроф.

Рисунок 4. Карта распределения кумулятивной скорости деформации, полученная с помощью InSAR, на открытом железорудном руднике Мушан (Фадхилла и др., 2024).

Цветовая шкала на диаграмме показывает среднюю годовую скорость деформации, которая, будучи наложенной на границу горнодобывающего района, напрямую способствует управлению безопасностью на этапе производства.

Рисунок 5. Анализ профиля кумулятивной деформации, полученный с помощью InSAR, в районе открытого железорудного месторождения Мушан в период с 2016 по 2022 год (Fadhillah et al., 2024).

(a) и результаты деформации профиля восточных участков свалки A–Aʹ; (b) и B–Bʹ; (c) и западных участков свалки C–Cʹ; (d) и D–Dʹ I.

Многочисленные профильные линии на рисунке показывают кумулятивное проседание и изменения высоты в разные моменты времени, количественно определяя пространственно-временные характеристики деформации, вызванной горными работами.

3. Оценка экологического качества – Создание специализированного экологического индекса на основе дистанционного зондирования позволяет количественно охарактеризовать стресс растительности, загрязнение почвы и воды, а также фрагментацию ландшафта. Сонг и др. (2023) разработали экологический индекс дистанционного зондирования железной руды (IM-RSEI) на основе данных Landsat для густонаселенного района добычи железной руды Цяньань-Цяньси, интегрировав семь показателей: растительный покров, зеленая зона голой почвы, влажность, частицы черного углерода, температура поверхности, оксиды железа и фрагментация ландшафта. Это исследование показало, что экологическое качество демонстрировало тенденцию «ухудшения с последующим улучшением» в период с 1992 по 2018 год, при этом среднее значение IM-RSEI в районе добычи (0,5412) было значительно ниже, чем в окружающей буферной зоне, что подтверждает негативное воздействие горнодобывающей деятельности на окружающую экологию.

Рисунок 6. Пространственное распределение IM-RSEI в Квезон-Рапидсе с 1992 по 2018 год (Song et al., 2023)

После закрытия шахты необходимо проводить приемку рекультивации и долгосрочное управление в соответствии с положениями главы 8 GB/T 43935-2024. На этом этапе технология дистанционного зондирования становится инструментом оценки эффективности и долгосрочной защиты. Ее применение включает в себя: мониторинг процессов восстановления растительности и изменения структуры почвы на основе многовременных индексов NDVI и EVI; отслеживание динамики остаточного проседания в выработанном пространстве с использованием технологии InSAR; и количественную оценку воздействия топографических изменений, рекультивации земель, химического состава почвы и воды, а также восстановления экосистем с помощью индексов RSEI/IM-RSEI, что обеспечивает информационную поддержку для приемки рекультивации (статья 8.4 GB/T 43935-2024). Ху и др. В исследовании (2022 г.) на основе многовременных данных Landsat отслеживалось состояние восстановления растительности на рекультивированной территории отвала угольного карьера Антайбао, а также количественно оценивались тенденции роста растительного покрова и биомассы после рекультивации с использованием пространственно-временных карт распределения NDVI. В этом исследовании было подтверждено значительное увеличение растительного покрова после рекультивации путем сравнения карт NDVI до и после рекультивации.

Рисунок 7. Анализ временных рядов NDVI в пространственно-временных масштабах на южной свалке (Hu et al., 2022)(a) Результаты одномерного регрессионного анализа; (b) Результаты анализа тренда Sen+MK.

SI, NSI, NSD и SD обозначают соответственно значительное увеличение, отсутствие значительного увеличения, отсутствие значительного уменьшения и значительное уменьшение.

Преимущества технологии дистанционного зондирования на протяжении всего жизненного цикла месторождений полезных ископаемых заключаются в ее бесконтактности, макроскопической эффективности, экологичности и низкой степени воздействия на окружающую среду. Она может формировать замкнутую технологическую систему, включающую полевую проверку, геофизическую и геохимическую разведку и инженерный контроль (Глава 5 GB/T 13908-2020; Пункт 4.2 GB/T 43935-2024). Интегрированное применение искусственного интеллекта и технологии слияния данных из нескольких источников (спутник + БПЛА + InSAR) дополнительно повышает точность и надежность дистанционного мониторинга (Chen et al., 2023; Song et al., 2023). Однако эта технология также имеет ограничения — она отражает только информацию о поверхности и неглубоких слоях недр и требует проверки полевых проб; проблема потери когерентности в сложных геоморфологических районах все еще требует оптимизации. В будущем интеграция технологий «дистанционное зондирование + терминал промышленного управления + Интернет вещей + искусственный интеллект» будет способствовать интеллектуальной трансформации управления месторождениями полезных ископаемых на протяжении всего их жизненного цикла.

Ссылки

[1] GB/T 13908-2020. Общие правила геологической разведки месторождений твердых минералов [S]. Пекин: Китайское издательство стандартов, 2020.

[2] GB/T 17766-2020. Классификация запасов твердых минеральных ресурсов [S]. Пекин: Китайское издательство стандартов, 2020.

[3] GB/T 43935-2024. Технические условия мониторинга и оценки рекультивации шахтных земель и экологической реставрации [S]. Пекин: Китайское издательство стандартов, 2024.

[4] DZ/T 0392-2022. Технические условия дистанционного мониторинга окружающей среды шахты [S]. Пекин: Министерство природных ресурсов, 2022.

[5] Чен С, Гао Л, Се Ф, Ся Ф, Ли С. Извлечение информации о гидротермально измененных объектах с использованием данных WorldView-3: пример исследования Хуйтуншаня, северо-западная провинция Ганьсу, Китай[J]. Frontiers in Earth Science, 2023, 11: 1250591.

[6] Сонг В., Гу Х.Х., Сонг В. и др. Экологические оценки в районах с высокой плотностью добычи полезных ископаемых с использованием информации дистанционного зондирования в регионах Цяньань и Цяньси, Китай[J]. Экологические индикаторы, 2023, 146: 109814.

[7] Фадхилла М.Ф., Хаким В.Л., Ли С.К. и др. Многовременной анализ просадки грунта, вызванной открытой добычей полезных ископаемых, с использованием улучшенной комбинированной интерферометрии рассеивателей с оптимизацией алгоритма глубокого обучения[J]. Научные отчеты, 2024, 14: 6311.

[8] Ху JM, Е BY, Бай ZK и др. Дистанционное зондирование мониторинга восстановления растительности на открытом руднике Антайбао[J]. Дистанционное зондирование, 2022, 14(22): 5634.

[9] Ми Дж., Ян И., Чжан С. и др. Отслеживание изменений землепользования/землепокрытия в районе с подземной добычей полезных ископаемых и лесовосстановлением с помощью непрерывной классификации Landsat[J]. Дистанционное зондирование, 2019, 11(14): 1719.