CC BY
37
ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ОТКОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В.В. Ческидов, канд. техн. наук, младший научный сотрудник кафедры Геологии и маркшейдерского дела НИТУ «МИСиС»
«Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-60116 мол_а_дк»
В практике горных работ в последние десятилетия на ряде крупных предприятиях внедрены системы мониторинга с применением автоматизированных технологий: маркшейдерская съемка с помощью дронов, сбор, хранение и передача гидрогеологической, инженерно-геологической и геомеханической информации, которая в дальнейшем используется при моделировании объектов (борт карьера, дамба хвостохранилища и др.) и процессов производства (формирование отвалов, напряженно-деформированное состояние породного массива и т.д.). Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки крупных месторождений полезных ископаемых показывает, что мониторинг - это неотъемлемая часть современного горного дела. При этом в дальнейшем роль систематических наблюдений будет неуклонно увеличиваться в связи с усложнением горно-геологических условий и отсутствием высокоточных моделей поведения массива горных пород. Например, на сегодняшний день отсутствуют достоверные модели, отображающие напряженно-деформированное состояние и уровни деформаций в бортах глубоких карьеров (более 600-700 м). Таким образом, основные задачи современной науки в области информационного обеспечения геотехнологий и мониторинга на горном предприятии [1-5]:
- комплексное исследование свойств и состояния горных пород в полевых и лабораторных условиях;
- создание моделей поведения ПТС во времени в зависимости от природных и техногенных условий;
- обоснование методов прогноза поведения массивов горных пород и техногенных отложений на основе современных технологий и достижений фундаментальных наук при ведении горных и строительных работ;
- разработка теории методов и средств инженерно-геологических исследований, отвечающих современному уровню развития геотехнологий и предопределяющих возникновение их новых видов, при освоении природных и техногенных месторождений полезных ископаемых, в том числе, в условиях распространения многолетнемерзлых горных пород;
- формирование рекомендаций по проведению инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических изысканий в сложных условиях с учетом минимального воздействия на окружающую среду;
- разработка методики прогноза поведения природ-но-технических систем в зависимости от колебания климата (оценка несущей способности оснований и устойчивости откосных сооружений в зоне многолетней мерзлоты при интенсификации горных и строительных работ);
- создание методов и средств инженерно-геологического обеспечения управления отходами и занимаемыми ими территориями на горных предприятиях, в том числе при отработке техногенных месторождений;
- разработка инновационных способов и технических средств организации комплексного мониторинга состояния массивов горных пород и отложений при ведении горных и строительных работ.
Широкий опыт в области мониторинга состояния горнотехнических объектов имеют организации: Горный институт НИТУ «МИСиС», НПФ Карбон, ООО «Капстрой-Коммуникации», ВСЕГИНГЕО, ВИОГЕМ, Геологический институт Кольского научного центра РАН, и ряд других. Используемые системы контроля позволяют в режиме реального времени получать и анализировать информацию о характеристиках исследуемых объектов (уровень водоносных горизонтов в отвалах, бортах карьеров, дамбах гидроотвалов и хвостохранилищ, величины деформаций откосных сооружений и др.). Это обеспечивает изучение и прогнозирование изменения состояния ПТС и обоснование мероприятий по увеличению генеральных углов бортов карьеров, вместимости отвальных насыпей, намывных сооружений и т.д. Однако многие операции остаются неавтоматизированными и выполняются вручную, в большинстве случаев отсутствуют модули анализа данных, получаемых непосредственно с датчиков. На рис.1 показана схема автоматизированного сбора и обработки данных, обладающих высокой временной изменчивостью. Представленная схема используется на большинстве современных горных предприятиях и строительных площадках при проведении инженерно-геологического, гидрогеологического или геомеханического мониторинга. Отсутствие комплексного подхода в информатизации горных компаний и при сборе первичных сведений о состоянии отдельных элементов горнотехнических систем часто приводит к разрозненности данных и значительной избыточности, так как одни и те же параметры объектов определяются разными видами замеров и не учитывается корреляционная связь между ними [6, 7].
ввод данных «вручную»
Рис. 1 Схема передачи информации, реализуемая при осуществлении гидрогеомеханического контроля состояния откосных сооружений хвостового хозяйства ОАО «Стойленский» ГОК
Гидрогеомеханический мониторинг на современных горнодобывающих предприятиях в основном применяется при контроле состояния намывных сооружений и дамб обвалования. При этом наблюдения производятся с заданной частотой за изменением положения депрессионной кривой и физико-механическими свойствами тела массива и его основания. Полученные результаты позволяют осуществлять моделирование массива и прогнозировать изменение его состояния во времени.
Одной из основных задач при проектировании современных систем мониторинга является обоснование периодич-
78 | «Горная Промышленность» №4 (134) / 2017
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ
ХОЛДИНГ
Производство бурового инструмента и горно-шахтного оборудования
АО «МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ХОЛДИНГ»
предлагает:
Пневмоударный буровой инструмент на высокое давление сжатого воздуха
• Широкий ассортимент погружных пневмоударников и буровых коронок на высокое давление сжатого воздуха производства АО «МХ» позволяет производить скважины от 92 мм до 305 мм.
• Высокопроизводительный буровой инструмент на высокое давление сжатого воздуха производства АО «МХ» применяется на многих горнодобывающих предприятиях в России и за рубежом.
• При производстве инструмента применяются современные, высококачественные, высоколегированные буровые стали отечественного производства.
• Технология изготовления осуществляется на современном высокоэффективном и высокопроизводительном оборудовании.
• Качество изделий проверяется с помощью современных систем контроля, сводя к нулю влияние человеческого фактора.
• Специалисты АО «МХ» постоянно ведут изыскательские и исследовательские работы в области совершенствования конструкций бурового инструмента - это позволяет добиваться значительных результатов по стойкости и производительности изделий, а также эффективности буровзрывных работ в целом
Модельный ряд бурового инструмента производства АО «МХ» на высокое давление сжатого воздуха
Серия пневмоударника Диапазон диаметров скважин, мм Хвостовик буровой коронки
2"- 2,5" 70-96 мм BR2 - -
3"- 3,5" 90-105 мм DHD3,5 мзо СОР32
4"- 4,5" 105 -130 мм DHD340A М40 -
5"-5,5" 140-152 мм DHD350R М50 QL50
6"- 6,5" 165-203 мм - М60 QL60
8"- 8,5" 203-305 мм - - QL80
Применение импортозамещающего бурового инструмента производства АО «МХ» - это гарантия качества и эффективности буровых работ
АО «МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ХОЛДИНГ» Россия, 620024, Свердловская обл., Екатеринбург, ул. Симская, д. 1, офис 401 тел.: +7 (343) 295-85-84, 295-85-80 • факс: +7 (343) 295-85-83 • e-mail: [email protected]
www.mash-hold.ru
ности замеров наблюдаемых параметров и распределение точек сбора информации в пространстве. При разработке сетей инженерно-геологического и гидрогеологического опробования должна учитываться степень пространственно-временной изменчивости свойств пород и техногенных отложений на основе статистики, геостатистики или других принципов. Это позволит оптимизировать общее количество измерений без потери полноты и достоверности информации. Многолетние наблюдения за состоянием откосных сооружений хвостохранилища ОАО «Стойленский ГОК» и результаты инженерно-геологического и геомеханического моделирования показывают, что режим наращивания дамб и процессы уплотнения глинистых грунтов основания определяют необходимость уточнения свойств пород каждые 4-5 лет. Такая периодичность обеспечивает необходимую точность расчетов коэффициента запаса устойчивости откосных сооружений.
Дополнительные инженерно-геологические изыскания необходимо планировать с учетом пространственной изменчивости свойств пород, выявленной на предыдущих этапах изучений территории. В работах [8, 9] приведен метод, который использовался для проектирования сети опробования пород слабого глинистого основания головной дамбы ОАО «Стойленский ГОК» (рис. 2). Данный метод базируется на вычислении пространственной изменчивости определяемых свойств и дальнейшем поиске интервалов, в которых наблюдаются ее максимальные значения.
О 50 100 150 200 250
расстояние от скв. №1
Рис. 2a Обобщенная функция изменчивости свойств грунтов основания головной дамбы хвостохранилища СГОК: 1 -суглинистого слоя, 2 - глинистого слоя, 3 - усредненная функция, 4 - положение створа № 4
Рис. 2Ь Схема участка ведения работ на головной дамбе хвостохранилища СГОК: 1, 2 - зондировочные и инженерно-геологические скважины соответственно
Для уточнения свойств горных пород целесообразно использовать методы статического зондирования. Они позволяют получать более надежную информацию о физико-механических и водно-физических свойствах пород в массиве, чем лабораторные способы изучения. Основными преимуществами полевых методов являются осуществление опытов и измерений непосредственно в массиве горных пород для определения их свойств и состояния, а также меньшая степень нарушения естественного сложения пород и изучение свойств пород в условиях естественного напряженного состояния.
Для оперативной оценки устойчивости откосных сооружений необходимо определять положение депрессионной
80 | «Горная Промышленность» №4 (1 34) / 201 7
кривой в массиве, так как именно изменение гидрогеологической обстановки чаще всего в конечном итоге вызывает оползневые явления. Частота замеров определяется скоростью изменения уровней воды в скважинах. В зимний период, например, количество замеров может быть снижено до одного в сутки, а в весенний период при активном снеготаянии и осадках увеличено до 5-6 раз в сутки. Аналогично периодичность сбора информации меняется и при изменении техногенных факторов: увеличение темпов наращивания откосного сооружения или изменение мест выпуска пульпы при формировании отвальных массивов гидравлическим способом.
Повышение надежности оценки состояния откосных сооружений достигается использованием нескольких методов расчета коэффициента запаса устойчивости, так как это позволит минимизировать ошибки построенных моделей. Опыт работ на объектах горнодобывающей и строительной отрасли показывает, что наиболее целесообразно сочетать методы многоугольника сил и алгебраического суммирования. Несомненно, что на сегодняшний день необходимо применять автоматизированные способы расчетов, позволяющие проводить анализ состояния объекта и вероятные изменения в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Для своевременного управления технологическими процессами при проведении гидрогеомеханического мониторинга необходимо методом обратных расчетов совместно с гидрогеологическим моделированием определить критические уровни воды в скважинах, при которых коэффициент запаса достигает значения 1,00 и нормативного значения, устанавливаемого в зависимости от класса ответственности сооружения.
Гидрогеомеханический мониторинг откосных сооружений позволяет осуществлять инженерно-геологическое и геомеханическое моделирование откосных сооружений и проводить оперативную оценку их состояния с учетом изменения природных и техногенных факторов для обеспечения промышленной и экологической безопасности. Владение такого рода информацией позволяет проектировать мероприятия по управлению состоянием откосного сооружения, а также увеличить вместимость отвальных насыпей. При формировании техногенных массивов на намывных и слабых основаниях гидрогеомеханический мониторинг осуществляется для планирования продвижения фронта отвальной насыпи и режима ее формирования.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_
1. E. Intrieri, G.Gigli, F. Mugnai, R. Fanti, N.Casagli, Design and implementation of a landslide early warning system // Engineering Geology. - 2012. - Vol. 147 - 148. - pp. 124 - 136; http://dx.doi.Org/10.1016/j.enggeo.2012.07.017;
2. Кириченко Ю. В., Каширский А. С. Кассетный трал для промышленной добычи железомарганцевых конкреций океанического дна // Горный журнал. - 2015. - №1 2.
3. Robert P. Chapuis, Monitoring a well in a clay layer: revisiting the time lag problem // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. - 2009. - Vol. 68. - pp. 387 - 395; DOI: 10A007/ss0064-Q09-Q2W-5
4. Мясков А. В., Ильин А. С., Попов С. М. Экономические аспекты адаптации параметров производственной деятельности карьеров к изменениям на рынках сырьевых ресурсов // Горный журнал. - 2017. - № 2.
5. M. Farhad Howlada, PulokKanti Deb, ATM Shahidul Huqe Muzemder, Monitoring the underground roadway water quantity and quality for irrigation use around the Barapukuria Coal Mining Industry, Dinajpur, Bangladesh // Engineering Geology. - 2017. - Vol. 4.-pp. 23 - 34; http:// dx.doi.org/10.1016/j.gsd.2016.11.002;
6. Hui Zhou, Cheng-kun Qu, Da-wei Hu,, Chuan-qingZhang, Muhammad Usman Azhar, Zheng Shen, Jun Chen, In situ monitoring of tunnel deformation evolutions from auxiliary tunnel in deep mine // Engineering Geology. - 2017. - Vol. 221. - pp. 10- 15; http://dx.doi.org/12.1216/j. enggeo.2017.02.011;
7. Shi-ming GaoJian-ping ChenEmail authorChang-qun ZuoWei Wang, Monitoring of Three-dimensional Additional Stress and Strain in Shield Segments of Former Tunnels in the Construction of Closely-Spaced Twin Tunnels // Geotechnical and Geological Engineering. - 2017. - Vol. 35. - pp. 69 - 81; doi:12.122//s12/26-216-2285-8
8. Ческидов В.В., Проектирование сетей инженерно-геологических изысканий на объектах горнодобывающей промышленности // Горный журнал. - 2211. - № 12 - С. 24-26.
9. Ческидов В.В. Комплексное зондирование намывных отложений гидроотвала №3 разреза «Кедровский» // Горная Промышленность. - 2011. - № 6 (100).
