Das Wichtigste bei einer kontrollierten Sprengung in einem Steinbruch ist die Sicherheit für Geräte, Strukturen und insbesondere aber für die Mitarbeiter. Egal wie viel Zeit oder Aufwand in die Sicherheit investiert wird, es bleibt immer ein Restpotential für menschliches Versagen bestehen. Bei einer Geländebegehung besteht immer die Möglichkeit Schwachpunkt oder tote Winkel zu übersehen. Darüber hinaus müssen auch Kontrollmechanismen für das Aufsichtspersonals berücksichtigt werden.
Aus diesem Grund werden bei der Bestimmung der verschiedenen Sprengzonen (abhängig vom Gefahrenpotential) viele Aspekte berücksichtigt: eine Gefahrenzone für Personen, eine andere für Ausrüstung und eine dritte für Bauwerke. Da Verstöße gegen diese Sicherheitsauflagen schwerwiegende physische, finanzielle und juristische Folgen haben können, definieren Unternehmen üblicherweise konkrete Arbeitsabläufe für die Einrichtung von Zonen und Sicherheitsverfahren. Trotz extremer Sorgfalt und ausgiebiger Kontrolle kann es bei jeder Sprengung zu unvorhersehbaren Ereignissen kommen. Und hier kommt die industrielle Drohnen-Technologie ins Spiel, um die Sicherheit bei diesen gefährlichen Arbeiten weiter zu verbessern.
Konkurrenzvorteile durch den Einsatzes von Drohnen im Steinbruch
Viele in der Branche sehen den Einsatz von Drohnen beim intelligenten Tagebau und in Steinbrüchen als eine gute Möglichkeit, um auch in Zukunft wettbewerbsfähig zu bleiben. Die Ferrexpo AG, ein führender Eisenerzproduzent in der Region Poltawa in der Ukraine, hat bereits in den Einsatz von Drohnen investiert, um Sicherheitsrisiken zu beseitigen und gleichzeitig die Kosten zu senken. Der in der Schweiz ansässige Bergbaukonzern ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie Neuinvestitionen im Bergbau zu positiven Ergebnissen führen können. Alexander Tubaltsev ist verantwortlich für den Tagebau Yeristovo in der Ukraine und erläutert wie er zu intelligenteren Sprengungen gekommen ist: „Die Sicherheit unseres Personals sowie unerwünschter Zuschauer in der Gefahrenzone ist uns ein wichtiges Anliegen. Theoretisch kann mit Drohnen, die wir in unsere Arbeit einbinden, die Anzahl der Unfälle auf Null reduziert werden.“
Sprengvorbereitungen
Aus diesem Grund stellte DroneUA, einer der weltweit führenden Anbieter von Drohnenlösungen, Ferrexpo zwei der hochmodernen Langstreckedrohnen von DJI Enterprise zur Verfügung. Die DJI Matrice 300 RTK (M300 RTK) wurde Ferrexpo zur Durchführung eines Feldtests im Tagebau Yeristovo zur Verfügung gestellt. Die Aufgabe bestand darin, herauszufinden, wie ein kommerzielles Drohnenprogramm die sicherste und kostengünstigste Durchführung einer geplanten Sprengung in einem Steinbruch liefern kann. Tubaltsev, der auch für die kontrollierten Sprengungen verantwortlich ist, ergänzt: „Auch wenn Drohnen während einer Vorbereitung vor der Sprengung kein Personal am Boden ersetzen, können Drohnen z. B. Mitarbeiter bei der Einhaltung von Sperrzonen unterstützen, Warnungen an Personen in Sperrbereich senden und so Schaden abwenden und für mehr Vertrauen in das Sprengverfahren sorgen.“
Im Tagebau Yeristovo wurden die beiden M300 RTKs verwendet, um den Steinbruch während der Sprengung zu beobachten. Die vier Hauptziele des Einsatzes waren:
- Die Sicherheit während der Sprengvorbereitungen zu gewährleisten
- Eliminierung alle „toten Winkel“ im Sicherheitsbereich
- Sicherstellen, dass Personal auf ihren Posten ist und generelle Einsatzüberwachung
- Bestandsaufnahme und Geräteinspektion nach der Sprengung
Die Herausforderungen bei der Verwendung von Drohnen im Tagebau können nur mit industriellen Plattformen bewältigt werden, die auf Zuverlässigkeit ausgelegt sind und auch bei magnetischen Anomalien und extremen Wetterbedingungen noch tadellos ihre Arbeit verrichten. Daher kam für diese Aufgabe die Matrice 300 RTK zum Einsatz.
Alexander Tubaltsev, Chief Miner im Tagebau Yeristovo bei Ferrexpo, fügte hinzu: „Die wichtigsten Beschaffungskriterien nach denen wir Drohnen für Sprengeinsätze beurteilen, sind maximale Flugzeit, Tragfähigkeit für Nutzlasten, Signalstärke sowie allgemeine Übertragungsqualität.“
Countdown bis zur Sprengung: Eine Stunde davor
Die Mitarbeiter, die den Sperrbereich überwachen, begeben sich auf ihre vorher vereinbarten Posten. Um die Mitarbeiter am Boden zu unterstützen, werden die beiden M300 RTKs gestartet, um auch eine Vogelperspektive für 1-2 Stunden aufrecht zu erhalten und den Gefahrenbereich aus unterschiedlichen Winkeln zu beobachten.
Es gibt zwei Möglichkeiten der Drohnenunterstützung.
Option 1: Akkubetriebene Stromversorgung
Die durchschnittliche Flugzeit der M300 RTK beträgt 30 bis 40 Minuten. Die Flugzeit wird natürlich von den Wetterbedingungen vor Ort, der Intensität des Fluges, der Anzahl und Art der verwendeten Zuladung (Nutzlast) beeinflusst.
Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen wurde vereinbart, dass mindestens zwei Akkusätze pro Fluggerät für eine Überwachung der Sicherheitszone über einen Zeitraum von zwei Stunden erforderlich sind. Es wurde davon ausgegangen, dass zusätzliche Akkus benötigt werden, wenn die Drohnen auch nach der Sprengung zur Beurteilung des Zustands der Ausrüstung und der Umgebungsbedingungen verwendet werden.
Akkubetriebene Stromversorgung
Vorteile: Keine Einschränkungen in Bezug auf Höhe, Flugmanöver und Bewegungsfreiheit
Nachteile: 3-5 Minuten Flugunterbrechung erforderlich, um zurückzukehren und die Akkus auszutauschen (Zeit wurde während des Tests ermittelt)
Option 2: Installation einer unterbrechungsfreien Stromversorgung
Bei einer kabelgebundenen Anbindung an eine Stromquelle am Boden, kann die Drohne stundenlang und ohne Unterbrechung in der Luft schweben. Die Kabelverbindung schränkt die Mobilität jedoch ein. Zum Glück können moderne Kamerafunktionen dieses Defizit leicht ausgleichen.
Kabelgebundene Stromversorgung
Vorteile:Möglichkeit, für den gesamten Sprengeinsatz (4-6 Stunden) in der Luft zu bleiben, keine Flugunterbrechung für Akkuwechsel nötig
Nachteile:Radius und Reichweite sind stark reduziert. Dies ist jedoch eine gute Option für zeitaufwändige Projekte mit geringeren räumlichen Ausmaßen.
Blick von der Einsatzzentrale des Steinbruchs
Während des Tests wurden die Drohnen von den Büroräumen des Tagebaus aus gesteuert. Dies war ein geeigneter und zuvor vereinbarter Ort für das Projekt von Yeristovo. Der Betrieb im Freien, wie von einem Dach eines Gebäudes, ermöglicht jedoch eine direkte Sicht auf die Drohne und kann potentielle Einschränkungen bei der Steuerung verringern.
Für die Studie zum Tagebau Yeristovo war das Büro als Einsatzzentrale aufgrund der guten Sicht auf den Steinbruch und der kurzen Entfernung zum Sprengbereich allerdings gut geeignet. Durch die relativ kurzen Entfernungen wurde die Übertragungsreichweite bei diesem Test nicht berücksichtigt. Die örtlichen Gegebenheiten erforderten es nicht, den Test über eine Reichweite von mehr als 2 km durchzuführen, obwohl die M300 RTK eine max. Reichweite von 8 km hat. Bei den durchgeführten Tests waren Kameraleistung und Videoübertragung der Drohnen mehr als ausreichend, um die erforderlichen Aufgaben innerhalb der Sperrzone durchzuführen.
Untersuchung von Kommunikations- und Kamerafunktionen
Für dieses spezielle Projekt war die Signalübertragung von entscheidender Bedeutung. An die Industrie werden hohe Anforderungen gestellt, um in entscheidenden Momenten ein konstantes Signal zu gewährleisten. Obwohl der Steinbruch tatsächlich eine Zone mit erhöhten magnetischen Anomalien war, von denen bekannt ist, dass sie Kompass, GPS und Signalübertragung im Allgemeinen beeinflussen, haben sich die DJI-Drohnen unter diesen extremen Bedingungen außergewöhnlich gut geschlagen. Bei der M300 RTK, die mit der Zenmuse H20T Kamera ausgestattet war (siehe Tabelle unten), war die Qualität der übertragenen Bilder in Bezug auf Details, Übertragungsgeschwindigkeit und Vermeidung von Bildausfällen oder Einfrieren des Monitors von einem konstant hohen Standard. Dieser Grad an Zuverlässigkeit ist genau das, was man bei einer Sprengung benötigt.
Die folgende Übertragung von Videosignalen zum Empfänger (Display, Monitor oder TV) ist möglich:
- über HDMI (falls sich der Pilot in einem Gebäude befindet). Diese Option wurde bei diesen Test verwendet.
- über FlightHub und eine Internetverbindung.
Diese Drohneplattform ist äußerst flexible und kann mit zahlreichen unterschiedlichen Nutzlasten (Zuladungskapazität bis zu 2,7 kg) ausgestattet werden. Daher war es im Rahmen dieses Projekts leider nicht möglich alle denkbaren Konfigurationsmöglichkeiten, Funktionen und Fähigkeiten dieser Plattform vollständig zu testen. Für den Test im Tagebau Yeristovo lag der Fokus auf Kameras mit großem optischen Zoom sowie Wärmebildkameras. Es wurde vorab entschieden, dass die beste Kamera für diese Aufgabe die Zenmuse H20T war.
Die intelligenten Modi der Zenmuse H20T erwiesen sich als besonders wertvoll, wenn es z. B. darum ging mit der optischen Zoomkamera Personen und Fahrzeuge automatisch zu erkennen.
Abbildung 1: Messung der Entfernung zwischen einer Person und der Drohne (1,5 km)
Kontrollmechanismen
Die Zenmuse H20T wurde in Entfernungen bis zu 1,5 km getestet. Dabei kamen mehrere Zoomstufen zum Einsatz und sie konnte Objekte und Personen in den unterschiedlichen Zonen leicht erkennen und automatisch verfolgen.
Abbildung 2: Bei 80-fachem Zoom konnte das System Objekte oder Personen immer noch automatisch lokalisieren
Tracking
Die Kamera ermöglicht auch die vollständige Synchronisation mit dem integrierten Laser-Entfernungsmesser. Dadurch können die Koordinaten eines Objekts direkt auf dem Bildschirm angezeigt werden.
Abbildung 3: Präzise Objektkoordinaten in Entfernungen von 3 bis 1.200 m
Zusatzinformationen
Die Kamera kann nicht nur Koordinaten von Personen und Objekten aufzeichnen, sondern es besteht auch die Möglichkeit Notizen für die Dokumentation hinzufügen. Bei der Aufnahme von Fotos/Videos werden das Drohnenmodell, die Seriennummer, Datum/Uhrzeit, Koordinaten, Höhe und andere Notizen zur Datei hinzugefügt. Dies ist von unschätzbarem Wert für Aufgaben, die regelmäßig wiederholt werden müssen, und für die Dokumentation im Allgemeinen, sei es als Referenz oder als rechtliche Absicherung.
Abbildung 4: Anpassbare Zeitstempel für die konsistente Kontrolle von einem Projekt zu nächsten
Wärmebildsensor
Die Verwendung einer Wärmebildkamera kann auch bei Sprengungen einen entscheidenden Unterschied machen. Auch wenn die Wärmebildkamera auf große Entfernungen aufgrund der geringen Brennweite der Kamera nicht so effektiv ist und Objekte zu klein erscheinen, kann diese Kamerafunktion dennoch bei Sprengungen verwendet werden. Die Tests am Tagebau Yeristovo brachten folgende wichtige Erkenntnisse hervor:
- Um die Wärmebildtechnik optimal zu nutzen, verringern Sie einfach den Abstand zum Objekt und fliegen Sie näher heran. Denken Sie daran: Eine Drohne kann näher an eine Gefahrenzone herankommen als Menschen.
- Die Verwendung einer Kamera mit langer Brennweite (separat zu installieren) ermöglicht detailreiche Inspektionen der vorhandenen Infrastruktur.
Ergebnisse des Feldtests
Das gesamte Einsatzpotential und der volle Funktionsumfang der beiden Matrice 300 RTKs mit Zenmuse H20T Kameras als Nutzlast wurden während der Analyse vollständig abgedeckt, insbesondere im Hinblick auf Kontrolle und betriebliche Entscheidungsmöglichkeiten.
Die M300 RTK hat sich bei folgenden Aufgaben besonders gut geschlagen:
- Einhaltung von Mindestabständen
- Korrigieren von Beobachtungsposten, Kontrolle wann diese besetzt sind und überwachen von Aktivitäten im Gefahrenbereich
- Kontrollflüge mit Vogelperspektive ersetzen bodengestützte Inspektionen und Begehungen
- Identifizierung von toten Winkeln
- Für den allgemeinen Überblick und zur Aufzeichnung der Sprengung
Risikominimierung mit intelligenten Lösungen für den Tagebau
Letztendlich besteht die Aufgabe einer Drohne bei Sprengungen im Tagebau nicht darin, Experten vor Ort zu ersetzen, sondern vielmehr deren Fähigkeiten mit intelligenten digitalen Daten zu erweitern. Drohnen sorgen nicht nur für mehr Sicherheit im Gefahrenbereich, sie erhöhen den Gewinn auch langfristig, da Fehler konsequent eliminiert werden können. Alexander hat folgendes über Drohnen zu sagen: „Der Einsatz von Drohne zur Geländeabsicherung hilft den Verantwortlichen, Menschen aus der Gefahrenzone herauszuholen. Ein Videoüberwachung aus der Vogelperspektive ist die perfekte Ergänzung zu bestehender Funk- und Telefonkommunikation und ermöglicht eine bessere Übersicht. Dies bringt einen deutlichen Mehrwert in den Prozess ein und bedeutet letztendlich auch mehr Kontrolle und weniger Risiko.“
