Применение GPS – систем на ОАО «Беларуськалий»

Экспериментальные измерения объёмов подводных отложений хвостов и жидких промышленных отходов в накопителе на основе эхолокации и GPS – систем на ОАО «Беларуськалий»

Канд. геогр. наук, доц. МИХАЙЛОВ В. И. 1),, инженеры ЗЕЙТЦ В.Э. 2),,, КОНОНОВИЧ С.И.3),,

 ЧИБЕРКУС Ю. Н. 3),, ИСКРИЦКАЯ А. О.1)

 

1) Белорусский национальный технический университет,1)

2) ОАО «Беларуськалий», 3) ЗАО «Экомир»

 

Производство калийных удобрений связано с достаточно большими объемами отходов обогатительных фабрик — твердых галитовых  и жидких глинисто-солевых шламов, складированием которых занимаются специальные службы добывающего предприятия. И если солеотвалы для складирования твердых галитовых отходов обогащения могут обходится без особых мероприятий при хранении, то эксплуатация шламохранилищ для складирования жидких глинисто-солевых шламов требует периодического учета баланса по твердому шламу и объему рассолов. В рамках этих требований, правилами эксплуатации  шламохранилищ предусмотрено выполнение периодической топографической съемки дна шламохранилища, которая позволяет обосновать эффективную его эксплуатацию  и своевременно принимать меры по обеспечению расчетных параметров и предотвращению аварийных ситуаций [1,2].

Обычно для топографической съемки дна шламохранилища, как правило, использовалось два теодолита и лодка со специальным грузом для промера дна. На берегу, на известном расстоянии  , в пределах прямой видимости друг друга и лодки, устанавливались два теодолита. Затем, в местах промера глубины его дна,  измерялись горизонтальные углы направлений на маркер на лодке. Далее, используя  геометрические соотношения, вычислялись координаты местоположения лодки. Глубина определялась путем опускания в соляной раствор круглого груза весом около 2 кг, к которому привязывалась промаркированная веревка. Такая технология, кроме больших временных затрат, требовала синхронизации действий всех троих участников работ: обоих исполнителей теодолитов и экипажа лодки (поскольку измерения углов и промер глубины дна должны быть выполнены согласованно).

Появление электронных тахеометров могло бы частично решить эту проблему. Используя только один тахеометр, необходимо определить координаты местоположения лодки. Но, по-прежнему, тахеометр должен  устанавливаться на берегу шламохранилища и его измерения надо согласовывать с промером глубины дна примитивным способом.

В настоящее время весьма привлекательно использование эхолокации для определения глубины ложа накопителя (шламохранилища) в комплексе с системами космического позиционирования (GPS — системы). Их можно разместить непосредственно на лодке совместно с персональным компьютером со специализированным программным обеспечением для обработки, планирования,  интерпретации и документирования данных. Таким образом, определение объёмов подводных отложений хвостов и жидких промышленных отходов в накопителе можно свести к следующим задачам.

  • измерение глубины дна с помощью эхолота;
  • координатная GPS — привязка места измерения глубины;
  • построение цифровой модели дна шламохранилища;
  • вычисление объемов шлама и рассолов.

На рис. 1 представлена практическая схема решения такой задачи, реализованная на шламохранилищах ОАО «Беларуськалий».

Первая из перечисленных задач оказалась одной из самых трудоемких в методическом плане, поскольку использование серийных эхолотов для определения глубины шламохранилища осложняется тем, что среди их множества подавляющее большинство используется  рыболовами-любителями в пресных водоемах. И лишь небольшая часть спектра эхолотов предназначена для профессионального картографирования дна водоемов и работы в соляной (морской) воде. Информации же о возможности  выполнять эхолотом измерения глубины дна в концентрированном соляном растворе в литературных источниках весьма незначительна.

Как известно, эхолот или сона́р, (англ. sonar, аббревиатура от Sоund navigation end ranging) — устройство для исследования рельефа дна водного бассейна с помощью акустического излучения. Датчик эхолота излучает узконаправленный ультразвуковой сигнал в воду и получает обратно отраженный сигнал от плавающих предметов, рыбы и донной поверхности. По времени, за которое сигнал прошел до отраженных поверхностей и обратно, определяется расстояние.

Эхолот, как и любой другой измерительный прибор, неизбежно содержит погрешности в своих показаниях. Поэтому необходимо периодически контролировать его точность работы. Обычно проверка точности эхолота выполняется перед началом выполнения работ.

Погрешности измерения глубины эхолотом делятся на случайные и систематические. Случайные погрешности возникают из-за нестабильности работы электронного тракта прибора, шумов приёмника отраженного сигнала, неровностей дна, неоднородностей грунта. Проявляются они как частые изменения результатов измерений на индикационном дисплее эхолота.

Систематические погрешности обусловлены, как правило, следующими причинами:

—  отклонением фактической скорости звука в воде от расчётного значения, заложенного в вычислительное устройство эхолота;

—  разнесением вибратора-излучателя от вибратора-приёмника;

—  неточной установкой нуля глубин.

Причины возникновения систематических погрешностей перечислены по мере их убывания.  Вторую причину можно исключить (используя совмещенную антенну и отражатель).   Третья — в нашем случае очень мала, поскольку измерения проводятся при небольшом волнении, то наибольший вклад в суммарную систематическую погрешность вносят отклонения фактической скорости звука. При этом, эти погрешности могут достигать значительных величин, поскольку они  будут пропорциональны измеряемой глубине: чем больше глубина, тем больше и систематическая погрешность. По этой причине скорость распространения звука в жидких глинисто-солевых шламах существенно отличается от скорости в пресной или морской  воде. Поэтому, в данном случае использовать непосредственно эхолот не представляется возможным.

В общем виде скорость распространения звука в однородных средах описывается достаточно сложным дифференциальным уравнением. В настоящей работе для вычисления реальной глубины дна шламохранилищ использовались приближенные формулы, учитывающие температуру и соленость жидких глинисто-солевых шламов [3]:

Н = Нэ +∆Н,              (1)

где   Нэ – глубина, измеренная эхолотом, м;

∆Н — систематическая погрешность измерения глубины эхолотом вследствие отклонения фактической скорости звука, м;

∆Н  = Нэ (С-Ср)/ Ср ,          (2)

 

где Ср – расчётная скорость звука в чистой воде; С – фактическая скорость звука в соляном растворе, м/с.

Теория Вильсона (1960) для нулевой глубины даёт следующее значение скорости звука:

С = 1449,2 + 4,623хT − 0,0546хT2 + 1,39х(S − 35),                         (3)

где С – скорость звука в м/сек; T – температура, 0С;  S –солёность, ‰ .

(Солёность — содержание солей в воде, измеряется в «‰» («промилле») или единицах PSU (Practical Salinity Scale). Другими словами — солёность в промилле — это количество твёрдых веществ (в граммах), растворённое в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты переведены в окислы, органическое вещество сожжено.)

В таблице 1 приведены модельные вычисления, выполненные с использованием формулы (1) для наиболее характерных параметров шламохранилища,  предоставленных маркшейдерской службой за десятилетний период наблюдений:

—   соленость 266 – максимальная;

—  соленость 253 – средняя;

—  соленость 180 – минимальная;

Таблица 1 

Коэффициенты изменения скорости звука в соляных растворах.

Номер п/п Соленость Коэффициент изменения скорости звука, С/Ср
t= 23 t= 18 t= 15 t= 5
1 266 1.37 1.36 1.36 1.33
2 253 1.36 1.35 1.34 1.32
3 220 1.32 1.31 1.31 1.28
4 180 1.28 1.27 1.27 1.24

 

Из приведенных данных следует, что при средней солености растворов шламохранилища в 253 ‰ , изменения температуры рассолов от 23  до 150С, что существенных изменений в измеряемой глубине дна не будет наблюдаться. Так, при глубинах около 5 м (в нашем случае это в районе максимальных из наблюдаемых глубин) и среднем коэффициенте С/Ср равном 1.35 систематическая погрешность  измерения глубины эхолотом не будет превосходить 5 см. Для глубин, меньших 5 м такая погрешность будет еще меньшей. Таким образом, в диапазоне температур жидких шламов 15– 230С определяющим в изменении скорости звука  будет их соленость.

Правильность приведенных выше соотношений были проверены эмпирическим путем. Для этого глубина, измеренная с помощью эхолота, корректировалась с учетом приведенных формул (1), (2). Температура жидких шламов определялась путем прямого измерения, соленость шламов – по данным ведомственной лаборатории ОАО «Беларуськалий». Полученный результат сопоставлялся с измерениями, выполненными прямым способом.

Дно покрыто взвесью шлама, который уплотняется с увеличением толщины слоя, причем градиент  уплотнения возрастает в глубину. Вследствие этого глубина, измеряемая, например, с помощью вехи, существенно зависела от вертикальных усилий,  которые прилагались при ее установке. Небольшие усилия изменяли проникновение вехи в шлам на десятки сантиметров. Так, на небольших глубинах, при визуальной оценке до границы  слоя взвеси порядка 20-40 см, веха могла проникать на глубину порядка метра и более. Таким образом, прилагать одинаковые вертикальные усилия при контроле глубины вехой не представлялось возможным.

В  основу контрольных измерений глубины положен способ, который базировался на опускании в соляной раствор круглого груза весом два кг. К круглому грузу привязывалась промаркированная веревка и глубина, измеренная эхолотом, сопоставлялась с глубиной, измеренной веревкой с грузом. В случае необходимости, с лодки опускался якорь, для того, чтобы зафиксировать лодку на месте (исключить ее дрейф ). Фиксированный вес груза обеспечивал одинаковое во всех измерениях его проникновение во взвесь шлама.   На рис. 2 приведены результаты сопоставительного анализа измерений глубины дна шламохранилища с помощью эхолота, веревки с грузом и корректированные величины измерения эхолота с учетом температуры и солености жидких шламов. Контрольные измерения выполнялись при температуре жидких шламов 230С, солености 255 промилле.

На рисунке видно, что максимальные различия между глубинами измеренными веревкой с грузом и эхолотом наблюдаются  в диапазоне  больших глубин шламохранилища.  Это можно объяснить как повышенными требованиями к точности исходных данных (температуре и солености шламов) на момент съемки, так и некоторому несоответствию модели распространения звука в реальных жидких шламах, поскольку в них, кроме растворенных веществ могут содержаться и другие нерастворенные.

Для малых глубин до 0.5 м наблюдаются отклонения в измерении глубины эхолотом с другим знаком. Этот факт можно объяснить влиянием, кроме перечисленных выше причин, еще и работой эхолота на предельном допуске диапазона измерений.

 

Описанный подход был апробирован на шламохранилище “Карта 8” ОАО  «Беларуськалий». Датчик эхолота монтировался под днищем лодки на глубине 10 см от уровня рассолов в шламохранилище.  Антенна GPS – приемника устанавливалась над датчиком эхолота. Плановая  привязка выполнялась в режиме реального времени с использованием постоянно действующей базовой станции. Координаты точек промера глубины дна  на поверхности определялись в местной системе координат GPS – приемниками серии GPS1200 швейцарского концерна Leica Geosystems AG.

После ввода данных координатной привязки и соответствующих им откорректированных глубин  в пакете программных средств LISCAD Plus SEE, выполнялось моделирование рельефа дна, т.е. формирование цифровой модели местности на основе метода строгой триангуляции.

Создание цифровой модели позволяет достаточно просто вычислить объем между дном шламохранилища и выбранным уровнем (высотой наполнения). При этом вычислить объем и площадь можно не только выше, но и ниже отсчетной поверхности. Создав цифровые модели на разные временные периоды эксплуатации шламохранилища можно оценить количество твердых шламов, которые скопились в нем.

Для полевых данных, была выполнена обработка в соответствии с описанными этапами. Всего было обработано и проанализировано более 500 наблюдений, включая и вспомогательные наземные измерения. В результате для построения цифровой модели дна шламохранища использовалось порядка 330 точек с измеренными глубинами. По цифровой модели  рельеф дна был отображен горизонталями в традиционном виде. Выполнены вычисления объемов для различных уровней заполнения шламохранилища жидкими глинисто-солевыми шламами. Для визуализации дна шламохранища использовался программный модуль «3D View» LISCAD Plus SEE, который позволяет в интерактивном режиме анализировать объемное изображение профиля дна шламохранилища (Рис. 3).

 

Оценка точностных характеристик полученных результатов при определении объемов твердых и жидких шламов в накопителе является весьма важном аспектом при принятии правильных решений для осуществления стабильной эксплуатации шламохранилищ. На практике использовать прямые методы оценки (например, заполнение тарированных емкостей и т.д.) не представляется возможным.

В классической маркшейдерии для вычисления объемов используются данные планово-высотной съемки поверхности горных пород, полученные методом тахеометрической или фототеодолитной съемки. При этом предполагается, что для повышения точности вычисления объема пород необходимо располагать большим количеством съемочных точек. Однако общее число точек не регламентируется и количественная оценка результатов определения объемов не предполагается. В настоящей статье предложен практически удобный и простой способ оценки точности полученных результатов, широко применяемый в вычислительной математике. Он заключается в следующем. Из всех точек планово- высотной съемки выделяются точки с четными номерами. На их основе строится цифровая модель и для нее вычисляется объем. Для нечетных номеров точек планово- высотной съемки построения повторяются. Вычисленные объемы сравниваются. Если различия между ними, вычисленным по четным точкам и нечетным находятся  в допустимых пределах, то объем принимается равным их среднему и считается, что определения выполнены с требуемой точностью.

Как отмечалось выше, после обработки полевых измерений было получено 328 точек с координатами дна шламохранилища. По всем этим точкам была построена цифровая модель и вычислено количество рассолов для уровня с абсолютной высотной отметкой 167.0 м (в местной системе координат). Далее, для всех 164 точек с четными номерами (идентификаторами), также построена цифровая модель и вычислено количество рассолов для уровня  167.0 м. Для 164 точек с нечетными номерами  выполнены аналогичные расчеты.  Полученные результаты приведены в  Таблица 2.

Таблица 2 – Погрешности вычисления объемов

Номер п/п Точки Вычисленный объем, м3 Различия между вычисленными объемами, %
1 328 (все) 2884042
2 164 (четные) 2847318 1.27
3 164 (нечетные) 2865780 0.63

 

В четвертом столбце таблицы приведены значения в процентах объемов, вычисленных по 164 точкам от объема, определенного по 328 точкам. Из таблицы видно, что различия не превосходят 1.5 процентов и, следовательно, количество точек, используемых для вычисления объемов, достаточно. Кроме того, изменение высот на 10 см (погрешность определения глубины эхолотом) приводит к большему отличию в вычислении объема. Так объем рассолов, вычисленный для высотной отметки 167.1 м (на 10 см больше) составляет 2 968 580 м3, что на 2.88% больше чем для 167.0 м.  Или, иными словами, погрешность в измерении глубины дна шламохранилища в 10 см приводит к погрешностям определения рассолов для данного шламохранилища около 3 %.

Другой существенный аспект, влияющий на погрешности определения объемов – выбор расположения точек, поэтому рельеф дна шламохранилища характеризуется различающимися градиентами изменения глубины. Причем в ряде случаев существенно (см. Рис. 4, а).  Из рисунка видно, что изменение глубины у северо – западного берега достигает до 4 м.  В то время как западный и восточные берега достаточно пологие и не отличаются большим градиентом изменения глубины.

Для сравнения на Рис. 4, б приведен рельеф дна шламохранилища,  полученный на

основе традиционных измерений в 2003 году.

При общем подобии рисунков а и б, все же наблюдаются и различия в структуре дна шламохранилища

   

у северо – западного и южного берегов. Здесь, в отличие от рельефа дна 2011года, рельеф   2003 года не характеризуется большим градиентом изменения глубины. Это различие может быть объяснено погрешностями построения рельефа дна, обусловленное недостаточным количеством и местом исходных измерений для более достоверного построения поверхности дна шламохранилища.

В Ы В О Д

В заключение отметим, что описанная методика определения подводных отложений хвостов и жидких промышленных отходов в накопителе (шламохранилище) позволяет существенно сократить время полевых работ, повысить оперативность и точность получаемых результатов и решать вопросы мониторинга окружающей среды [9,10].  Установленный на борту лодки эхолот может в автоматическом режиме регистрировать глубину дна шламохранилища с привязкой плановых координат измерений высокоточным GPS- приемником. При этом, цифровая регистрация всех измерений сводит к минимуму время камеральной обработки и документирования результатов.

Литература

  1. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых и шламовых хозяйств горнорудных и нерудных организаций./ Национальный реестр правовых актов Республики Беларусь № 8/16318.
  2. Корнеев В. И., Красные шламы. Свойства, складирование, применение / В. И. Корнеев, А. Г. Сусс , А. И.  Цеховой. – М: Металлургия. – 1991. – 144с.
  3. Тяшкевич И.А. Сейсмичность Солигорского промрайона и ее связь с неогеодинамическими зонами. /И. А. Тяшкевич, В. Н. Губин, А. П. Емельянов // Калийные соли Беларуси: состояние, освоение месторождений, перспективы развития, проблемы: тез. доклад. междунар. науч–практ. конф., 1999. – С. 56-60.
  4. Позняк А. С. О геодезическом контроле строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений. /А. С. Позняк, В. И. Михайлов // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. – 2006. – №3. – С.18–20.
  5. Зейтц В. Э. Комплекс программно-технических средств для определения профиля дна шламохранилища глинисто-солевых шламов./В. Э. Зейтц, В. Н. Кузьмин, С. И. Кононович, Ю. Н. Чиберкус. О. Ю. Терешина // Наука — образованию, производству, экономике: материалы 10-й Междунар, науч.-техн. конф.: в 3т. – Минск: БНТУ,2012 – Т.3. – С. 39.
  6. Ковалев А. А. Мониторинг состояния природной среды Солигорского района на основе ГИС – технологий / А. А. Ковалев, В. Н. Кузьмин // Калийные соли Беларуси: состояние, освоение месторождений,  перспективы развития, проблемы: тез. доклад. междунар. науч–практ. конф., 1999. – С. 137–139.
  7. Ковалев А. А. Новые системы спутникового позиционирования Leica Viva GNSS /

А. А. Ковалев, С. И. Кононович, Ю. Н. Чиберкус. О. Ю. Терешина // Наука – образованию, производству. экономике: материалы 10-й Междунар, науч.-техн. конф.: в 3 т.- Минск: БНТУ,2011 – Т.3 – С.34

  1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Л. Бергман. – М: Иностр.

лит. – 1957. – 728 с.

  1. Mихайлов В. И. Мониторинг природных ландшафтов Солигорского промышленного

района на основе дистанционного зондирования / В. И. Mихайлов, И. А. Тяшкевич //

География и проблемы регионального развития Белоруссии. – Минск:, 1985. – С. 85 –90.

  1. Mихайлов В. И. Экспериментальный геодезический мониторинг Солигорских солеотвалов на основе инновационных технологий. / В. И. Mихайлов, С. И. Кононович, Ю. Н.

Чиберкус, А. О. Искрицкая // Наука – образованию, производству. экономике: материалы 11-й Междунар, науч.-техн. конф.: в 3 т. – Минск: БНТУ,2014 – Т.3 – С.46.