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

太陽の光が届かず、空気が塵や危険なガスで充満することもある地表の下深くで、鉱夫たちは、周囲の地面がどのような状態にあるかを正確に把握するという絶え間ない課題に直面しています。安全かつ効率的に掘削を進めるためには、トンネル、岩石が取り除かれた空洞、そして崩落の恐れがある不安定な壁をマッピングしなければなりません。数十年の間、このマッピングは、一度に一つの点しか測定できない器具を持って、暗く危険な空間へと測量士が歩いて入っていく作業に頼ってきました。この手法は機能してはいたものの、時間がかかり、図に大きな空白が生じ、さらには作業員が落下や落石の致命的な危険がある場所に立ち入ることを余儀なくされました。近年、テクノロジーは新たな進展をもたらし、一つひとつの点を追う遅いアプローチを、数秒間で数百万の点を捉え、人間が危険のすぐそばに立つ必要なく地下の世界の完全な三次元画像を生成できるツールへと置き換えました。

トルコのフラット大学の研究チームは、これらの現代的なツールが実際の稼働中の鉱山でどの程度うまく機能するかを検証することに着手しました。彼らは、岩石が崩れて下の広い空隙へと落下することを許容する「サブレベル・ケービング」と呼ばれる特定の採掘方法に焦点を当てました。このプロセスは、従来の道具では測定が極めて困難な、混沌とした変化し続ける景観を作り出します。研究は、エラズー近郊にあるクロム鉱山で行われました。そこは、鉱山運営者がすでに数層のトンネルを開発済みの現場です。研究者たちは、3つの異なる手法を用いて、危険で崩落が進む区間をマッピングできるかどうかを確認したいと考えました。それは、古めかしいトータルステーションによる方法、人が持ち運ぶハンドヘルド式レーザースキャナー、そしてトンネル内を飛行する小型ドローンです。彼らの目的は、単に新しい機械が機能するかどうかを確認することではなく、どれが最高のデータを提供し、そして何よりも、どの手法が作業員を最も安全に保てるのかを、それらを並べて比較することでした。

チームはまず、基準点のネットワークを構築することから始めました。これは、実質的に、測定値を標準的な地図へと変換できるようにするための固定された座標グリッドを作成することです。ハイテクなセオドライトのような外見をしており、レーザーを使用して距離と角度を測定する装置である従来のトータルステーションを用いて、彼らはトンネルの壁をマッピングしました。このプロセスでは、測量士がトンネル内に立ち、器具を設置し、岩肌の特定の点を測定する必要がありました。トンネルは高く、床面が凹凸していたため、彼らは側壁に測定点を設置し、「リセクション（後方交会法）」と呼ばれる数学的手法を用いて、器具が正確にどこに立っているかを特定しなければなりませんでした。この手法は信頼性は高いものの、時間がかかり、測量士が測定対象のエリアに物理的に存在することを求められます。

次に、研究者たちはハンドヘルド式レーザースキャナーを持ち込みました。これは、センサーが上に付いた小さなバックパックのような装置です。測量士はこのユニットを運びながらトンネル内を歩き、装置は毎秒数千本のレーザービームを放出して、周囲の詳細な3Dモデルを構築します。ケービングエリア（トンネルの床からは一部が見えなくなっている場所）をより良く見るために、オペレーターはスキャナーに延長ポールを取り付け、危険なゾーンの方へと押し出しました。これにより、トータルステーションよりも安全な距離からデータを取得することができましたが、それでも依然として不安定な地面のすぐそばまで歩いていく必要がありました。この装置は約4分間でエリアのスキャンを完了し、デジタルマップに変換可能な高密度な点群を捉えました。

3番目の最も特徴的なアプローチは、地下ドローンを用いたものでした。これはおもちゃではなく、鉱山の狭く暗く、しばしば酸素が不足する環境を飛行するために設計された、特殊で頑丈な航空機です。ドローンには独自のレーザースキャナーと、壁への衝突を防ぐための衝突センサーが装備されていました。オペレーターはケービングゾーンから安全に離れた場所に立ち、ディスプレイ画面でライブビデオ映像を見ながら、無線リンクを通じてドローンを操作しました。ドローンがケービングエリアに投入されると、直接的な視覚的接触は失われましたが、オペレーターはディスプレイ画面を通じてドローンの位置をリアルタイムで監視することで、完全な制御を維持しました。ドローンは、人間が決して足を踏み入れることのないはずの不安定なエリアへと飛び込み、約7分間データを収集しました。ドローンは三次元的に自由に飛行できるため、延長ポールを必要とせず、ハンドヘルドスキャナーが見逃してしまうような角の曲がり先や深い隙間の奥まで見通すことができました。

研究者たちが結果を比較したとき、その違いは明白になりました。ハンドヘルドスキャナーは迅速で使いやすいものでしたが、データに大きな空白を残しました。オペレーターが地上に立ち、上や外を見上げる必要があるため、ケービングエリアの大部分が影となり、レーザービームからは見えない状態になってしまったのです。しかし、ドローンは完全な姿を捉えました。ドローンは300万点以上のデータを収集し、崩落した岩石のほぼ全容をカバーしましたが、ハンドヘルドスキャナーは、ポールを使用しても面積の約70パーセント程度しか捉えることができませんでした。ドローンが空隙の中に飛び込める能力により、ハンドヘルドスキャナーでは到底及ばない詳細さで、ケービングの真の形状を再構築することができたのです。

もちろん、トレードオフも存在しました。ドローンシステムはセットアップがより複雑であり、熟練したパイロットを必要とします。また、ドローンが墜落するリスクもあり、それは高価な機器の紛失を意味します。ハンドヘルドスキャナーはよりシンプルで、その位置に関するデータの精度はわずかに高いものでしたが、すべてを見通すことはできませんでした。伝統的なトータルステーションは、座標変換の観点からは最も正確でしたが、最も時間がかかり、かつ、人間が危険に最も近い場所に立つ必要があるため、最も危険な方法でした。

研究は、これら3つの手法にはそれぞれ役割があるものの、選択は鉱員が何を必要としているかに依存すると結論付けました。もし目的が、空間の素早く大まかな把握であれば、ハンドヘルドスキャナーは優れたツールとなります。しかし、もし優先事項が、安全な採掘計画を立てるために、危険な崩落の完全で複雑な幾何学的形状を理解することであれば、ドローンが優れています。オペレーターが安全な距離に留まったまま、ドローンが危険地帯へと飛び込むことで、人間がそこに立つ必要性を排除し、安全性の面で劇的な改善をもたらしました。研究者たちは、ドローンによって収集されたデータを用いることで、空隙の正確な体積を算出できることを発見しました。これは、空隙を安全に埋めるために必要な量を判断する上で極めて重要です。この精密な情報は、エンジニアがより優れた掘削計画を設計する助けとなり、鉱石の損失や鉱山の不安定化を防ぎます。最終的に、この研究は、これらの新しいテクノロジーが単に速いだけでなく、作業員の安全を第一に考えながら、地下の世界のより明確で完全な姿を提供することで、鉱山の管理方法を変えつつあることを示しました。