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

Profondamente sotto la superficie terrestre, dove la luce del sole non arriva mai e l'aria può essere densa di polvere o di gas pericolosi, i minatori affrontano una sfida costante: sapere esattamente com'è fatto il terreno intorno a loro. Per scavare in modo sicuro ed efficiente, devono mappare i tunnel, le cavità aperte dove la roccia è stata rimossa e le pareti instabili che potrebbero crollare. Per decenni, questa mappatura si è basata su topografi che entravano in questi spazi bui e pericolosi con strumenti che misuravano un singolo punto alla volta. Sebbene questo metodo funzionasse, era lento, lasciava grandi lacune nell'immagine e costringeva i lavoratori umani a stare in aree in cui una caduta o una frana potevano essere fatali. Negli ultimi anni, la tecnologia ha offerito una nuova strada, sostituendo l'approccio lento punto per punto con strumenti in grado di catturare milioni di punti in pochi secondi, creando un'immagine tridimensionale completa del mondo sotterraneo senza richiedere che un essere umano si trovi proprio accanto al pericolo.

Un team di ricercatori dell'Università di Fırat, in Turchia, si è posto l'obiettivo di testare quanto bene questi strumenti moderni funzionino in una vera miniera attiva. Si sono concentrati su un tipo specifico di estrazione chiamato "sublevel caving" (estrazione a livello inferiore), un metodo in cui la roccia viene lasciata rompersi e cadere in un grande spazio vuoto sottostante. Questo processo crea un paesaggio caotico e mutevole che è incredibilmente difficile da misurare con gli strumenti tradizionali. Lo studio si è svolto in una miniera di cromo sotterranea vicino a Elazığ, un sito dove gli operatori minerari avevano già sviluppato diversi livelli di tunnel. I ricercatori volevano vedere se avessero la capacità di mappare una sezione pericolosa e in fase di crollo della miniera utilizzando tre metodi diversi: il metodo tradizionale con una stazione totale, uno scanner laser portatile che viene trasportato da una persona e un piccolo drone che vola all'interno del tunnel. Il loro obiettivo non era solo vedere se le nuove macchine funzionassero, ma confrontarle fianco a fianco per capire quale fornisse i dati migliori e, cosa più importante, quale garantisse la maggiore sicurezza ai lavoratori.

Il team ha iniziato stabilendo una rete di punti di riferimento, creando essenzialmente una griglia fissa di coordinate che permettesse loro di tradurre le misurazioni in una mappa standard. Utilizzando una stazione totale convenzionale, un dispositivo che assomiglia a un teodolite hi-tech e usa un laser per misurare distanze e angoli, hanno mappato le pareti del tunnel. Questo processo richiedeva che un topografo si trovasse nel tunnel, installasse lo strumento e misurasse punti specifici sulla parete rocciosa. Poiché il tunnel era alto e il pavimento irregolare, hanno dovuto montare i punti sulle pareti laterali e utilizzare una tecnica matematica chiamata ricognizione per determinare esattamente dove si trovasse lo strumento. Questo metodo, pur essendo affidabile, è dispendioso in termini di tempo e richiede la presenza fisica del topografo nell'area oggetto della misurazione.

Successivamente, i ricercatori hanno introdotto uno scanner laser portatile, un dispositivo che somiglia a un piccolo zaino con un sensore sulla parte superiore. Un topografo ha attraversato il tunnel trasportando questa unità, che emette migliaia di raggi laser ogni secondo per costruire un modello 3D dettagliato dell'ambiente circostante. Per ottenere una visione migliore dell'area di crollo, che era parzialmente nascosta rispetto al pavimento del tunnel, l'operatore ha agganciato un'asta di estensione allo scanner, spingendolo verso la zona pericolosa. Ciò ha permesso loro di acquisire dati da una distanza di sicurezza maggiore rispetto alla stazione totale, ma dovevano comunque camminare proprio al limite del terreno instabile. Il dispositivo ha impiegato circa quattro minuti per scansionare l'area, catturando una densa nuvola di punti che poteva essere trasformata in una mappa digitale.

Il terzo approccio, il più distinto, ha coinvolto un drone sotterraneo. Questo non era un giocattolo, ma un velivolo specializzato e robusto progettato per volare nell'ambiente stretto, buio e spesso povero di ossigeno di una miniera. Il drone era dotato del proprio scanner laser e di sensori anti-collisione che avrebbero impedito l'impatto con le pareti. L'operatore stava a una distanza di sicurezza, controllando il drone tramite un collegamento radio mentre osservava un feed video in tempo reale su uno schermo. Una volta dispiegato il drone nell'area di crollo, il contatto visivo diretto è andato perduto; tuttavia, l'operatore manteneva il pieno controllo monitorando la posizione del drone in tempo reale tramite il display. Il drone è volato nell'area instabile, un luogo in cui nessun essere umano oserebbe mai entrare, e ha raccolto dati per circa sette minuti. Poiché il drone poteva volare liberamente in tre dimensioni, non aveva bisogno di un'asta di estensione e poteva vedere oltre gli angoli e dentro le profonde crepe che lo scanner portatile non riusciva a vedere.

Quando i ricercatori hanno confrontato i risultati, le differenze sono diventate chiare. Lo scanner portatile era rapido e facile da usare, ma lasciava significative lacune nei dati. Poiché l'operatore doveva stare in piedi sul terreno e guardare verso l'alto o verso l'esterno, ampie porzioni dell'area di crollo rimanevano in ombra, invisibili ai raggi laser. Il drone, invece, ha catturato un'immagine completa. Ha raccolto oltre tre milioni di punti dati, coprendo quasi l'intero volume della roccia crollata, mentre lo scanner portatile, anche con la sua asta, è riuscito a vedere solo circa il settanta per cento dell'area. La capacità del drone di volare nel vuoto gli ha permesso di ricostruire la vera forma del crollo con un livello di dettaglio che gli altri metodi semplicemente non potevano eguagliare.

C'erano dei compromessi, naturalmente. Il sistema con il drone era più complesso da configurare e richiedeva un pilota esperto. C'era anche il rischio che il drone potesse schiantarsi, il che avrebbe significato la perdita di attrezzature costose. Lo scanner portatile era più semplice e i dati che produceva erano leggermente più accurati in termini di posizione rispetto alla mappa della miniera, ma non poteva vedere tutto. La stazione totale tradizionale, pur essendo la più accurata in termini di trasformazione delle coordinate, era la più lenta e la più pericolosa per l'operatore umano, poiché richiedeva che si trovasse più vicino al pericolo.

Lo studio ha concluso che, sebbene tutti e tre i metodi abbiano il loro posto, la scelta dipende da ciò di cui i minatori hanno bisogno. Se l'obiettivo è ottenere un'idea rapida e approssimativa dello spazio, lo scanner portatile è uno strumento valido. Ma se la priorità è comprendere la geometria completa e complessa di un crollo pericoloso per pianificare operazioni minerarie sicure, il drone è superiore. Volando nella zona di pericolo mentre l'operatore rimaneva a una distanza di sicurezza, il drone ha eliminato la necessità che un essere umano si trovasse lì, offrendo un enorme miglioramento della sicurezza. I ricercatori hanno scoperto che i dati raccolti dal drone hanno permesso loro di calcolare il volume esatto dello spazio vuoto, il che è fondamentale per capire quanto materiale sia necessario per riempirlo in sicurezza. Queste informazioni precise aiutano gli ingegneri a progettare migliori piani di perforazione e impediscono la perdita di minerale o l'instabilità della miniera. In definitiva, lo studio ha dimostrato che queste nuove tecnologie non sono solo più veloci; stanno cambiando il modo in cui le miniere vengono gestite, mettendo la sicurezza dei lavoratori al primo posto e fornendo un'immagine più chiara e completa del mondo sotterraneo.