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

Profondément sous la surface de la terre, là où la lumière du soleil ne pénètre jamais et où l'air peut être chargé de poussière ou de gaz dangereux, les mineurs sont confrontés à un défi constant : savoir exactement à quoi ressemble le sol autour d'eux. Pour creuser en toute sécurité et avec efficacité, ils doivent cartographier les tunnels, les chambres ouvertes où la roche a été retirée, et les parois instables qui pourraient s'effondrer. Pendant des décennies, cette cartographie reposait sur des géomètres pénétrant dans ces espaces sombres et dangereux avec des instruments qui mesuraient un seul point à la fois. Bien que cette méthode ait fonctionné, elle était lente, laissait de larges lacunes dans l'image et obligeait les travailleurs humains à se tenir dans des zones où une chute ou un éboulement pouvait être fatal. Ces dernières années, la technologie a offert une nouvelle voie, remplaçant l'approche lente point par point par des outils capables de capturer des millions de points en quelques secondes, créant ainsi une image tridimensionnelle complète du monde souterrain sans nécessiter la présence humaine juste à côté du danger.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Fırat, en Turquie, s'est donné pour mission de tester l'efficacité de ces outils modernes dans une mine réelle et active. Ils se sont concentrés sur un type spécifique de minage appelé « caving par niveaux intermédiaires » (sublevel caving), une méthode où la roche est autorisée à se briser et à tomber dans un grand espace vide situé en dessous. Ce processus crée un paysage chaotique et changeant, extrêmement difficile à mesurer avec les outils traditionnels. L'étude s'est déroulée dans une mine de chrome souterraine près d'Elazığ, un site où les exploitants miniers avaient déjà développé plusieurs niveaux de tunnels. Les chercheurs voulaient voir s'ils pouvaient cartographier une section dangereuse et en plein effondrement de la mine en utilisant trois méthodes différentes : la méthode traditionnelle avec une station totale, un scanner laser portatif qu'une personne transporte, et un petit drone qui vole à l'intérieur du tunnel. Leur objectif n'était pas seulement de voir si les nouvelles machines fonctionnaient, mais de les comparer côte à côte pour comprendre laquelle fournissait les meilleures données et, plus important encore, laquelle garantissait la meilleure sécurité pour les travailleurs.

L'équipe a commencé par établir un réseau de points de référence, créant essentiellement une grille de coordonnées fixe qui permettrait de traduire leurs mesures en une carte standard. À l'aide d'une station totale conventionnelle, un appareil qui ressemble à un théodolite de haute technologie et qui utilise un laser pour mesurer les distances et les angles, ils ont cartographié les parois du tunnel. Ce processus exigeait qu'un géomètre se tienne dans le tunnel, installe l'instrument et mesure des points spécifiques sur la paroi rocheuse. Comme le tunnel était haut et le sol inégal, ils ont dû fixer les points sur les parois latérales et utiliser une technique mathématique appelée cheminement (resection) pour déterminer l'emplacement exact de l'instrument. Cette méthode, bien que fiable, est chronophage et nécessite la présence physique du géomètre dans la zone mesurée.

Ensuite, les chercheurs ont introduit un scanner laser portatif, un appareil qui ressemble à un petit sac à dos doté d'un capteur sur le dessus. Un géomètre a parcouru le tunnel en portant cette unité, qui projette des milliers de faisceaux laser chaque seconde pour construire un modèle 3D détaillé de l'environnement. Pour obtenir une meilleure vue de la zone de caving, partiellement cachée depuis le sol du tunnel, l'opérateur a fixé une perche d'extension au scanner, la poussant vers la zone dangereuse. Cela leur a permis de capturer des données à une distance plus sûre que la station totale, mais ils devaient tout de même marcher juste au bord du terrain instable. L'appareil a mis environ quatre minutes pour scanner la zone, capturant un nuage de points dense qui pouvait être transformé en une carte numérique.

La troisième approche, la plus distincte, impliquait un drone souterrain. Il ne s'agissait pas d'un jouet, mais d'un aéronef spécialisé et robuste, conçu pour voler dans l'environnement étroit, sombre et souvent pauvre en oxygène d'une mine. Le drone était équipé de son propre scanner laser et de capteurs de collision qui l'empêchaient de heurter les parois. L'opérateur se tenait en sécurité loin de la zone de caving, contrôlant le drone via une liaison radio tout en surveillant un flux vidéo en direct sur un écran. Une fois le drone déployé dans la zone de caving, le contact visuel direct était perdu ; cependant, l'opérateur maintenait un contrôle total en surveillant la position du drone en temps réel via l'écran de contrôle. Le drone a volé dans la zone instable, un endroit où aucun humain n'oserait jamais entrer, et a collecté des données pendant environ sept minutes. Parce que le drone pouvait voler librement en trois dimensions, il n'avait pas besoin de perche d'extension et pouvait voir autour des angles et dans les crevasses profondes que le scanner portatif avait manquées.

Lorsque les chercheurs ont comparé les résultats, les différences sont devenues évidentes. Le scanner portatif était rapide et facile à utiliser, mais il laissait des lacunes importantes dans les données. Comme l'opérateur devait se tenir au sol et regarder vers le haut ou vers l'extérieur, de larges portions de la zone de caving restaient dans l'ombre, invisibles pour les faisceaux laser. Le drone, en revanche, a capturé une image complète. Il a recueilli plus de trois millions de points de données, couvrant la quasi-totalité du volume de la roche effondrée, alors que le scanner portatif, même avec sa perche, n'a réussi à voir qu'environ soixante-dix pour cent de la zone. La capacité du drone à voler dans le vide lui a permis de reconstruire la forme réelle du caving avec un niveau de détail que les autres méthodes ne pouvaient tout simplement pas égaler.

Il y avait des compromis, bien sûr. Le système de drone était plus complexe à installer et nécessitait un pilote qualifié pour le piloter. Il y avait également un risque que le drone s'écrase, ce qui signifierait la perte d'un équipement coûteux. Le scanner portatif était plus simple et les données qu'il produisait étaient légèrement plus précises en termes de position par rapport à la carte de la mine, mais il ne pouvait pas tout voir. La station totale traditionnelle, bien que la plus précise en termes de transformation de coordonnées, était la plus lente et la plus dangereuse pour l'opérateur humain, car elle exigeait qu'il se tienne au plus près du danger.

L'étude a conclu que, bien que les trois méthodes aient leur utilité, le choix dépend de ce que les mineurs doivent accomplir. Si l'objectif est d'obtenir une idée rapide et approximative de l'espace, le scanner portatif est un bon outil. Mais si la priorité est de comprendre la géométrie complète et complexe d'un effondrement dangereux pour planifier des opérations minières sûres, le drone est supérieur. En volant dans la zone de danger tandis que l'opérateur restait à une distance sécurisée, le drone a éliminé la nécessité pour un humain de s'y tenir, offrant une amélioration massive de la sécurité. Les chercheurs ont constaté que les données collectées par le drone permetaient de calculer le volume exact de l'espace vide, ce qui est crucial pour déterminer la quantité de matériaux nécessaires pour combler cet espace en toute sécurité. Cette information précise aide les ingénieurs à concevoir de meilleurs plans de forage et empêche la perte de minerai ou l'instabilité de la mine. En fin de compte, l'étude a montré que ces nouvelles technologies ne sont pas seulement plus rapides ; elles changent la façon dont les mines sont gérées en plaçant la sécurité des travailleurs en premier tout en offrant une image plus claire et plus complète du monde souterrain.