The Survey of Sub-Level Caving in Underground Mines Using Geodetic Surveying Methods

Tief unter der Erdoberfläche, wo das Sonnenlicht niemals hinkommt und die Luft dick mit Staub oder gefährlichen Gasen gesättigt sein kann, stehen Bergleute vor einer ständigen Herausforderung: genau zu wissen, wie das Gelände um sie herum aussieht. Um sicher und effizient zu graben, müssen sie die Tunnel, die offenen Kammern, in denen Gestein entfernt wurde, und die instabilen Wände, die einstürzen könnten, kartieren. Jahrzehntelang beruhte diese Kartierung darauf, dass Vermesser mit Instrumenten, die jeweils nur einen einzelnen Punkt messen konnten, in diese dunklen, gefährlichen Räume gingen. Während diese Methode funktionierte, war sie langsam, hinterließ große Lücken im Bild und zwang menschliche Arbeiter dazu, in Bereichen zu stehen, in denen ein Sturz oder ein Steinschlag tödlich sein konnte. In den letzten Jahren hat die Technologie einen neuen Weg aufgezeigt, indem sie den langsamen Punkt-für-Punkt-Ansatz durch Werkzeuge ersetzte, die in Sekundenschnelle Millionen von Punkten erfassen können, wodurch ein vollständiges, dreidimensionales Bild der unterirdischen Welt entsteht, ohne dass ein Mensch direkt neben der Gefahr stehen muss.

Ein Team von Forschern der Fırat Universität in der Türkei setzte sich zum Ziel, zu testen, wie gut diese modernen Werkzeuge in einem echten, aktiven Bergwerk funktionieren. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art des Bergbaus namens Sublevel Caving (Unterzubauverfahren), bei dem das Gestein so gelassen wird, dass es in einen großen, leeren Raum darunter bricht. Dieser Prozess erzeugt eine chaotische, sich verschiebende Landschaft, die mit traditionellen Werkzeugen unglaublich schwierig zu vermessen ist. Die Studie fand in einem unterirdischen Chrombergwerk in der Nähe von Elazığ statt, einem Standort, an dem die Betreiber bereits mehrere Ebenen von Tunneln entwickelt hatten. Die Forscher wollten sehen, ob sie einen gefährlichen, kollabierenden Abschnitt des Bergwerks mithilfe von drei verschiedenen Methoden kartieren konnten: der altmodischen Art mit einer Totalstation, einem handgehaltenen Laserscanner, den eine Person trägt, und einer kleinen Drohne, die im Tunnel fliegt. Ihr Ziel war nicht nur zu sehen, ob die neuen Maschinen funktionierten, sondern sie im direkten Vergleich zu betrachten, um zu verstehen, welches Gerät die besten Daten lieferte und, was noch wichtiger ist, welches die Arbeiter am sichersten schützte.

Das Team begann mit der Einrichtung eines Netzwerks von Referenzpunkten, was im Wesentlichen die Erstellung eines festen Koordinatengitters darstellte, das es ihnen ermöglichen sollte, ihre Messungen in eine Standardkarte zu übertragen. Mit einer konventionellen Totalstation, einem Gerät, das wie ein hochmoderner Theodolit aussieht und einen Laser verwendet, um Entfernungen und Winkel zu messen, kartierten sie die Tunnelwände. Dieser Prozess erforderte, dass ein Vermesser im Tunnel stand, das Instrument aufstellte und spezifische Punkte an der Gesteinswand maß. Da der Tunnel hoch und der Boden uneben war, mussten sie die Punkte an den Seitenwänden montieren und eine mathematische Technik namens Resektion anwenden, um genau zu bestimmen, wo das Instrument stand. Diese Methode war zwar zuverlässig, aber zeitaufwendig und erforderte die physische Anwesenheit des Vermessers in dem zu messenden Bereich.

Als Nächstes brachten die Forscher einen handgehaltenen Laserscanner ein, ein Gerät, das wie ein kleiner Rucksack mit einem Sensor obenauf aussieht. Ein Vermesser ging mit dieser Einheit durch den Tunnel, die pro Sekunde tausende von Laserstrahlen aussendet, um ein detailliertes 3D-Modell der Umgebung aufzubauen. Um eine bessere Sicht auf den Bereich des Einsturzes zu erhalten, der teilweise vom Tunnelboden aus verborgen war, befestigte der Bediener eine Verlängerungsstange an dem Scanner und drückte ihn in Richtung der Gefahrenzone. Dies ermöglichte es ihnen, aus einer sichereren Entfernung als mit der Totalstation Daten zu erfassen, aber sie mussten immer noch direkt bis an den Rand des instabilen Bodens herantreten. Das Gerät benötigte etwa vier Minuten, um den Bereich zu scannen, wobei es eine dichte Punktwolke erfasste, die in eine digitale Karte umgewandelt werden konnte.

Der dritte und deutlichste Ansatz beinhaltete eine unterirdische Drohne. Dies war kein Spielzeug, sondern ein spezialisiertes, robustes Fluggerät, das für den Flug in der engen, dunklen und oft sauerstoffarmen Umgebung eines Bergwerks konzipiert wurde. Die Drohne war mit einem eigenen Laserscanner und Kollisionssensoren ausgestattet, die sie daran hinderten, gegen die Wände zu prallen. Der Bediener stand sicher weit entfernt von der Einsturzzone und steuerte die Drohne über eine Funkverbindung, während er eine Live-Videoübertragung auf einem Bildschirm verfolgte. Sobald die Drohne in den Einsturzbereich geschickt wurde, ging der direkte visuelle Kontakt verloren; der Bediener behielt jedoch die volle Kontrolle, indem er die Position der Drohne in Echtzeit über die Anzeige überwachte. Die Drohne flog in den instabilen Bereich, einen Ort, den kein Mensch jemals zu betreten wagen würde, und sammelte etwa sieben Minuten lang Daten. Da die Drohne frei in drei Dimensionen fliegen konnte, benötigte sie keine Verlängerungsstange und konnte um Ecken und in tiefe Spalten sehen, die der handgehaltene Scanner übersehen hatte.

Als die Forscher die Ergebnisse verglichen, wurden die Unterschiede deutlich. Der handgehaltene Scanner war schnell und einfach zu bedienen, hinterließ jedoch signifikante Lücken in den Daten. Da der Bediener auf dem Boden stand und nach oben oder außen blickte, blieben große Teile des Einsturzbereichs im Schatten und waren für die Laserstrahlen unsichtbar. Die Drohne hingegen erfasste ein vollständiges Bild. Sie sammelte über drei Millionen Datenpunkte und deckte fast das gesamte Volumen des eingestürzten Gesteins ab, während der handgehaltene Scanner selbst mit seiner Stange nur etwa siebzig Prozent des Bereichs erfassen konnte. Die Fähigkeit der Drohne, in die Leere zu fliegen, bedeutete, dass sie die wahre Form des Einsturzes mit einem Detailgrad rekonstruieren konnte, den die anderen Methoden einfach nicht erreichen konnten.

Es gab natürlich Kompromisse. Das Drohnensystem war komplexer einzurichten und erforderte einen geschulten Piloten. Es bestand auch das Risiko, dass die Drohne abstürzen könnte, was den Verlust der teuren Ausrüstung bedeuten würde. Der handgehaltene Scanner war einfacher und die von ihm produzierten Daten waren in Bezug auf die Position relativ zur Karte des Bergwerks etwas genauer, konnte aber nicht alles sehen. Die traditionelle Totalstation war, in Bezug auf die Genauigkeit der Koordinatentransformation, zwar am präzisesten, aber auch am langsamsten und am gefährlichsten für den menschlichen Bediener, da sie verlangte, dass dieser am nächsten an der Gefahr stand.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass alle drei Methoden ihren Platz haben, aber die Wahl davon abhängt, was die Bergleute erreichen wollen. Wenn das Ziel darin besteht, eine schnelle, grobe Vorstellung des Raumes zu bekommen, ist der handgehaltene Scanner ein gutes Werkzeug. Aber wenn die Priorität darin liegt, die vollständige, komplexe Geometrie eines gefährlichen Einsturzes zu verstehen, um sichere Bergbaubetriebe zu planen, ist die Drohne überlegen. Indem sie in die Gefahrenzone flog, während der Bediener in sicherer Entfernung blieb, eliminierte die Drohne die Notwendigkeit, dass ein Mensch dort stehen musste, und bot eine massive Verbesserung der Sicherheit. Die Forscher fanden heraus, dass die von der Drohne gesammelten Daten es ihnen ermöglichten, das exakte Volumen des leeren Raums zu berechnen, was entscheidend ist, um zu bestimmen, wie viel Material benötigt wird, um ihn sicher wieder aufzufüllen. Diese präzisen Informationen helfen Ingenieuren, bessere Bohrpläne zu entwerfen und verhindern, dass Erz verloren geht oder das Bergwerk instabil wird. Letztendlich zeigte die Studie, dass diese neuen Technologien nicht nur schneller sind, sondern die Art und Weise, wie Minen verwaltet werden, verändern, indem sie die Sicherheit der Arbeiter an erste Stelle setzen und gleichzeitig ein klareres, vollständigeres Bild der unterirdischen Welt liefern.