Космические и цифровые технологии в горном деле: новый взгляд на мониторинг и управление крупномасштабными техногенными рисками

Мурманская область - уникальный регион России, где в сложных природно-климатических условиях ведут свою деятельность ряд крупнейших в мире горнопромышленных компаний, в непосредственной близости от которых находятся города и природные достопримечательности. К ключевым элементам горнодобывающей инфраструктуры относятся гидротехнические объекты - хвостохранилища и отстойники: первые предназначены для хранения минеральных отходов, образующихся в процессе добычи и переработки руд, вторые - для аккумуляции и перераспределения промышленных вод. Разработка месторождений и извлечение полезных ископаемых на протяжении многих десятилетий привели к образованию значительных объeмов минеральных отходов, которые оказывают негативное воздействие на хрупкие экосистемы Арктики.

С целью предупреждения техногенных аварий особенно важным является своевременный контроль и прогнозирование состояния промышленных систем. Традиционные методы промышленного мониторинга, как правило, требуют постоянного присутствия специалистов на объектах, что сопряжено со значительными финансовыми и логистическими трудностями, особенно в отдаленных, труднодоступных районах, в сложных арктических условиях.  В ответ на эти вызовы группа ученых Горного института Кольского научного центра РАН разработала комплексный подход, позволяющий осуществлять дистанционный контроль за состоянием различных горно-гидротехнических объектов (таких, как хвостохранилища отходов, отстойников промышленных вод или водохранилищ и т.д.), а также прилегающих водных акваторий и особо охраняемых природных территорий. Это стало возможно благодаря современным инновациям, развитию и использованию спутниковых систем, геоинформационных технологий и возможности создания цифровых моделей-двойников потенциально опасных промышленных объектов.

Исследование по проекту № 24-27-20013 «Космический мониторинг и оценка рисков окружающей среде горнодобывающих и гидроэнергетических комплексов Мурманской области», поддержанное Российским научным фондом, в котором принимают участие кандидат технических наук, старший научный сотрудник Михаил Мелихов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Анатолий Калашник, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Сергей Остапенко и инженер второй категории Екатерина Лебедик, опубликовано в американском издании Journal of Mining Science (DOI: 10.1134/S1062739125010168). Оно направлено на разработку и апробацию комплексного подхода к дистанционному мониторингу горно-гидротехнических сооружений в Арктике с целью раннего предупреждения и повышения эффективности оценки безопасности данного типа объектов и реальных масштабов распространения техногенных рисков. Предложенная учеными методология заключается в комплексировании методов и результатов 3D-геофильтрационного моделирования, спутникового дистанционного зондирования Земли, инструментов пространственного анализа и натурных наблюдений.

Трехмерное моделирование выполняется с использованием программных комплексов MODFLOW и 3D Groundwater Explorer. Созданные численные модели воспроизводят в пространстве геофильтрационную структуру грунтового основания и тела дамб, а также положение уровней воды на исследуемом объекте с учетом фактических инженерно-изыскательных и производственных показателей. Расчеты фильтрационного режима осуществляются методом конечных разностей с применением индивидуальных значений коэффициентов фильтрации для каждого структурного элемента. Результаты моделирования позволяют не только оценивать текущее состояние объекта, но и выявлять зоны потенциального повышения гидростатического давления и локальной фильтрации, которые могут представлять угрозу для технической устойчивости и безопасности инженерной конструкции.

Вместе с тем, производится сбор и обработка открытых спутниковых данных, полученных, в частности, с помощью программ SNAP и EO Browser Sentinel Hub на базе систем Европейского космического агентства Sentinel-2 и Sentinel-3. Информация со спутников поставляется в виде цифровых широкополосных изображений и содержит набор необходимых метаданных, а сами спутниковые системы проходят ежегодную калибровку и имеют требуемую сертификацию и юридическую силу. С целью анализа состояния горно-гидротехнических объектов и прилегающих акваторий водных объектов, включая выявление сбросов сточных вод и загрязняющих веществ, используются многоспектральные космоснимки, автоматически обработанные в комбинированных видимых и инфракрасных диапазонах электромагнитного спектра.

Применение стандартизованных спектральных водных индексов, таких как NDWI, UWQV, SWIR и других, позволяет удаленно идентифицировать и фиксировать наличие взвешенных загрязняющих частиц на поверхности акваторий, определять потенциальные источники и реальные масштабы их активного распространения на исследуемой площади территории. Также технология помогает распознавать характерное для отходов переработки апатит-нефелиновых и железных руд загрязнение тяжелыми металлсодержащими веществами. Данные со спутников сопоставляются с результатами геохимического опробования воды на основе анализа открытых источников информации, что подтверждает их достоверность и надежность.

Кроме оценки водной среды в рамках данного подхода разработан алгоритм оценки аэротехногенного воздействия горно-гидротехнических объектов (на примере хвостохранилищ горных отходов) и загрязнения атмосферного воздуха частицами минеральной пыли. На основе инфракрасных спутниковых изображений с помощью программы SNAP рассчитывается спектральный индекс аэрозольного загрязнения и анализируются его пространственные вариации с учетом местных метеоусловий. Так, построенные по направлениям распространения загрязняющих частиц вариограммы позволили зафиксировать дальность проникновения аэрозольных частиц в сторону природных водных объектов и особо охраняемых территорий, в том числе национальных парков и заповедников. Полученные данные согласуются с результатами расчетного моделирования распространения пыли с учетом влияния горных работ.

Полученные в результате исследования сведения обобщаются и интегрируются в геоинформационную систему, включающую карты рисков и создание цифровых двойников наблюдаемых объектов. Это позволяет осуществлять ранжирование потенциально опасных сооружений по степени техногенного воздействия и в дальнейшем принимать рациональные управленческие решения без необходимости постоянного непосредственного присутствия на объекте. Особенным преимуществом методики является ее адаптивность, которая позволяет применять её в различных регионах и для разных видов промышленной инфраструктуры.

Предложенный учеными подход является примером успешного внедрения современных технологий в практику геомониторинга и промышленной безопасности: точность моделирования и оперативность дистанционного наблюдения, близкого к реальному времени, востребована не только в Арктике, но и в других регионах нашей планеты, где возможны аналогичные риски. В долгосрочной перспективе технологии дистанционного мониторинга обладают потенциалом стать важной частью систем промышленной и экологической безопасности при освоении месторождений полезных ископаемых.