Оценка гранулометрического состава горных пород с помощью системы стереовидения

С увеличением скорости и объемов добычи полезных ископаемых буровзрывным способом появилась необходимость в быстрой и точной оценке гранулометрического состава горных пород, поскольку это напрямую влияет на экономику добычи. Методы измерения частиц скального грунта за последние полвека претерпели изменения. В этой статье рассмотрим традиционные и инновационные методы определения гранулометрического состава горных пород.

Оставить заявку на консультацию

Наш специалист свяжется с вами в течении 5 минут

Способы оценки состава грунта

Гранулометрический или зерновой анализ почвы проводят, чтобы определить физические и механические свойства грунта, с которым предстоит работать. Для этого используют лабораторный или полевой способ исследования.

На данный момент нет единой методики, как должно определяться содержание грунта. Технологический процесс анализа состава будет зависеть от целей данных работ. В горном деле и обогащении полезных ископаемых классификация и методы исследования грансостава отличаются, например, от сферы строительства или сельского хозяйства, где учитывают даже такие мелкие фракции как песок, а для исследования используется вода.

В горном деле исследование гранулометрического состава породы, отделенной от массива, проводят для анализа качества буровзрывных работ и правильного подбора оборудования для дальнейшего дробления и обогащения. Размеры фракций осыпи измеряют фотографическим методом либо механическим. К механическим относится ситовой метод. Он считается достоверным, но при этом весьма энергоемким, затратным по времени и небезопасным. В данном методе породу просеивают через систему сит различных размеров.

Второй способ оценить размер элементов фракций — фотографический. В этом случае в изображение внедряют определенные реперные элементы, размер которых заранее известен. Например, на фотографируемый участок укладывают шкальную линейку или шар определенного диаметра, с размером которого потом сравнивают отделенные фракции. Данный метод также считается небезопасным, так как требует присутствия оператора в зоне осыпи.

Третий метод — машинный анализ стереоизображения. Данный метод позволяет более безопасно определить характеристики состава породы, так как здесь оператору не нужно выкладывать в зоне осыпи реперные элементы — достаточно сделать снимок. Это не так трудозатратно, а значит экономически более выгодно.

Способы оценки состава грунта

Гранулометрический или зерновой анализ почвы проводят, чтобы определить физические и механические свойства грунта, с которым предстоит работать. Для этого используют лабораторный или полевой способ исследования.

На данный момент нет единой методики, как должно определяться содержание грунта. Технологический процесс анализа состава будет зависеть от целей данных работ. В горном деле и обогащении полезных ископаемых классификация и методы исследования грансостава отличаются, например, от сферы строительства или сельского хозяйства, где учитывают даже такие мелкие фракции как песок, а для исследования используется вода.

В горном деле исследование гранулометрического состава породы, отделенной от массива, проводят для анализа качества буровзрывных работ и правильного подбора оборудования для дальнейшего дробления и обогащения. Размеры фракций осыпи измеряют фотографическим методом либо механическим. К механическим относится ситовой метод. Он считается достоверным, но при этом весьма энергоемким, затратным по времени и небезопасным. В данном методе породу просеивают через систему сит различных размеров.

Второй способ оценить размер элементов фракций — фотографический. В этом случае в изображение внедряют определенные реперные элементы, размер которых заранее известен. Например, на фотографируемый участок укладывают шкальную линейку или шар определенного диаметра, с размером которого потом сравнивают отделенные фракции. Данный метод также считается небезопасным, так как требует присутствия оператора в зоне осыпи.

Третий метод — машинный анализ стереоизображения. Данный метод позволяет более безопасно определить характеристики состава породы, так как здесь оператору не нужно выкладывать в зоне осыпи реперные элементы — достаточно сделать снимок. Это не так трудозатратно, а значит экономически более выгодно.

Как определить размеры фракций с помощью системы стереовидения

В стереовидении для анализа получают изображения с двух камер, далее и идет классификация объектов на основе оценки сдвига угловых и линейных размеров изображения ведомой камеры относительно центральной оси изображения ведущей камеры. Рассмотрим пример на рисунке 1.

Две камеры, центральные оси которых параллельны и расположены друг относительно друга на расстоянии ΔL. Учитывая это расстояние, в растре изображение одного и того же объекта на снимках разных камер будет находиться на разных участках кадра. Для камеры 2 этот объект будет сдвинут влево. Пиксельное расстояние между объектом на изображениях обеих камер составит ΔP. Следовательно, по формуле можно определить калибровочную величину, которой станет геометрический размер одного пикселя.

L=ΔL/ΔP

При этом параметр l будет зависеть от дальности объекта и расстояния между камерами. Таким образом, геометрические размеры элементов осыпи L можно определить по формуле

L = lP,

где P – пиксельные размеры элемента осыпи.

Учитывая, что объектов на снимке гораздо больше чем один, и изображения с двух разнесенных камер всегда будут отличаться, для измерения величины ΔP проводят вычисление построчной взаимной корреляционной функции двух изображений.

S(i) = ∑ j S1 j S2i+j

S1 и S2 здесь – содержимое строк с одним и тем же номером от двух изображений. Получается, что при съемке одной и той же сцены содержимое одних и тех же строк двух изображений будут очень схожи. Хорошо заметные сдвиги максимума данной функции относительно нуля как раз покажут сдвиг строк двух изображений относительно друг друга, а значит определится искомая ΔP для этой строки.

Если же при фотосъемке откос насыпи расположен под наклоном к вертикальной оси камер (как на рисунке 2), в этом случае потребуются дополнительные вычисления.
Дальность до каждого участка сцены можно рассчитать с помощью данных ПЗС матрицы камеры. Там мы узнаем угловые размеры одного пикселя. В итоге сначала рассчитывается сдвиг изображений в пикселях с помощью предыдущей функции, а затем определяется дальность камер до участка Hn на вертикальной оси изображения:

Hn= ΔL/arctan (Nαp)'

где N – число пикселей сдвига, αp – угловой размер пикселя, который может быть вычислен как отношение полного угла зрения камеры к разрешению по соответствующей оси.

Знание дальностей до участков сцены позволит построить цифровую реконструкцию рельефа откоса, как показано на рисунке 2, и определить угол наклона откоса к оси камер.

Когда цифровая модель рельефа откоса готова, можно приступать к анализу изображения и определению гранулометрического состава породы. Сначала с помощью искусственного интеллекта (например, на основе нейро-нечётких сетей) проводится контурный анализ изображения осыпи и выделяются контуры гранул породы. Затем оцениваются пиксельные размеры каждого внутриконтурного содержимого и выводят данные в графиках, таблицах или гистограммах.
Представленные методы сбора и обработки информации помогают компании «Давтех» развивать экспресс-метод анализа гранулометрического состава горных пород. Для такого метода достаточно использовать небольшое мобильное устройство — программно-аппаратный комплекс (ПАК). Второе преимущество: для подготовки и обработки данных с помощью программно-аппаратного комплекса не требуется участие человека. Это обеспечивает безопасность оператора оборудования и максимально быстро предоставляет точные данные о количестве и размерах фракций, образовавшихся в результате взрывных работ.

Полученные данные о гранулометрическом составе пород далее можно использовать как базу для анализа и построения прогноза об эффективности буровзрывных работ на разрабатываемых месторождениях. Для прогноза применяется математический анализ с использованием искусственного интеллекта. Он позволяет подобрать подходящее бурильное и дробильное оборудование, а также рассчитать расположение и глубину скважин, массу взрывчатого вещества, чтобы получить максимальный экономический эффект от разработки месторождения.

Как строится математическая модель, читайте подробнее в следующих материалах.

Результаты внедрения

1

Повышение эффективности буровзрывных работ за счет оперативного получения всей необходимой информации.


ПАК ГРАВИКС позволяет с высокой точностью оценить размер отдельностей при взрыве, процентные выходы фракций и средний размер куска по различным методикам, что значительно упрощает технологические процессы исследования гранулометрического состава
2
Повышение безопасности за счет дистанционного измерения.

ПАК ГРАВИКС позволяет проводить измерения фракционного состава на расстоянии до 30 метров, что исключает потенциальное негативное влияние очистного забоя на безопасность проведения замеров
3

Увеличение срока службы основных частей дробильного оборудования


За счет технологий с искусственным интеллектом появилась возможность подобрать подходящее для разработки конкретного месторождения оборудование
4
Повышение качества операционного управления
5
Минимизация ошибок под влиянием человеческого фактора благодаря использованию искусственного интеллекта
6
Снижение производственных расходов (в том числе, расходов на лабораторные исследования фракций)

Патентованная технология

Общество с ограниченной ответственностью «Давтех» (RU) имеет патент №2807542 на способ определения гранулометрического состава развала горной массы ПАК Гравикс. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации — 16 ноября 2023 г.