CC BY
18
© А.М. Гальперин, В.В. Ческидов, Е.А. Пантюхина, 2015
УЛК 624.131:551.435
А.М. Гальперин, В.В. Ческидов, Е.А. Пантюхина
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОТКОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОАО «СТОЙЛЕНСКИЙ ГОК»
Рассмотрены направления совершенствования и основные современные требования к системе удаленного контроля состояния намывных техногенных массивов. Выявлены основные недостатки систем, используемых на гидроотвалах и хвостохранилишах КМА, предложены возможные пути их устранения.
Ключевые слова: техногенные намывные массивы, дамба, хвостохранили-ше, гидроотвал, мониторинг, несушая способность грунтов, удаленный контроль, зондирование.
Гидротехнические сооружения (ГТС): гидроотвалы и хвостохранидиша - объекты, непосредственно участвующие в технологических процессах предприятий горнодобывающей отрасли промышленности. Нарушение устойчивости дамб ГТС может привести к значительному ущербу как экономическому, так и экологическому. В мировой практике известны случаи прорыва дамб и плотин, приведших к человеческим жертвам и имевшие масштабы национальных катастроф, достаточно вспомнить прорыв плотины в Венгрии осенью 2010. На сегодняшний день в России зафиксирован ряд случаев деформаций техногенных массивов ГТС, причем основными причинами разрушения дамб являются отсутствие и недостаточная информативность инженерно-геологических изысканий, отсутствие постоянно действующих систем мониторинга ГТС, нарушения норм проектирования и правил эксплуатации объектов. По данным Ростехнадзора более 2% хвосто-храннлиш находятся в аварийном состоянии. Выше сказанное обуславливает необходимость разработки и внедрения систем контроля, которые используют современные технологии и ведут непрерывный мониторинг параметров устойчивости сооружений.
С развитием телекоммуникационных технологий стало возможным создание систем контроля и управления удаленным объектом с помощью спутниковой или сотовой связи, последняя из них отличается относительно низкой стоимостью и простотой использования и внедрения. Во ВНИМИ (г. Санкт-Петербург) была разработана система дистанционного контроля за состоянием намывных плотин, схема которой представлена на рис. 1 [1].
Скважинный автоматический периодомер САП-IM/GSM предназначен для измерения в автоматическом режиме периодов колебаний струнных датчиков давления (типа ПДС), накопления результатов измерения в энергонезависимой памяти и передаче данных по сотовой GSM сети.
К устройствам такого типа предъявляется ряд требований, по которым можно оценить качество системы:
• располагаться в устье скважины на небольшой глубине;
• работать в необслуживаемом режиме длительное время (более полугода);
• работать в полевых условиях в любых погодных условиях (отрицательные температуры, электроника должна быть надежно защищена от влаги);
• должны быть предусмотрены меры защиты от внешнего механического воздействия;
• обслуживать до 3-х датчиков в скважине;
• информация должна передаваться с заданной периодичностью, а также в случае превышения измеренных значений предварительно заданных величин (аварийный сигнал);
• возможность получения информации по команде извне (в этом режиме модем GSM должен быть постоянно включен, что требует мощного источника питания).
Рис. 1. Схема устройства удаленного контроля давления воды в откосных сооружениях: ПДС -
датчики, БП - блок питания, БЭ -блок электроники, БС - блок соединительный
Разработанная во ВНИМИ система удаленного контроля имеет ряд недостатков, которые усложняют ее эксплуатацию в условиях агрессивной среды. В первую очередь, необходимо отметить недостаточную герметичность корпусов, защищающих блоки электроники, что нередко приводит к выходу из строя микросхем. Намокание корпусов в основном происходит вследствие конденсации пара при суточном ходе температур. Данная проблема может быть устранена путем покрытия микросхем специальными диэлектрическими лаками, которые будут защищать ее от намокания.
При низких отрицательных температурах элементы питания стандарта АА (пальчиковые батарейки) быстро расходуют свой заряд, что требует частого технического обслуживания. Это приводит к дополнительным затратам, так как в подавляющем большинстве случаев наблюдаемый объект находится на значительном расстоянии от базовой станции, осуществляющей прием сигнала. Существует два основных способа выхода из данной ситуации: смена типа питательных элементов с увеличением их мощности или обеспечение независимого питание (установка солнечной батареи и аккумулятора небольшой мощности). Применение элементов системы (в первую очередь модема) с малой энергоемкостью позволит увеличить срок автономной работы скважинного комплекта.
Как показал опыт работы данной системы удаленного контроля на дамбах хвостохранилищ Лебединского и Стойленско-го ГОКов, гидроотвалах Кузбасса передача сигнала по кабелю, заложенному на незначительной глубине, вызывает частые сбои. В условиях агрессивной среды (постоянная высокая влажность, обилие растворенных солей, деформации в результате сезонного замерзания и оттаивания слагающего дамбу материала и т.п.) сигнальный кабель претерпевает разрывы. В связи с этим необходимо обеспечить беспроводную передачу сигнала в память системы [2].
С учетом вышеизложенного была разработана схема системы удаленного контроля с независимым питанием и беспроводной передачей данных, при этом будут значительно сокращены эксплуатационные затраты на обслуживание (рис. 2). Так как расстояние между скважинами с датчиками не превышает километра, то приемно-передающее устройство из соображений
Рис. 2. Схема беспроводной передачи данных в системе удаленного контроля
экономии целесообразно разрабатывать с использованием радиочастот. Используемый блок электроники представляет собой устройство, коммутирующее сигнал заданной формы, амплитуды и частоты и способное принять ответную частоту без проведения дополнительного анализа [3, 4].
В первом полугодии 2013 года была произведена разработка новой системы дистанционного контроля с участием института ВСЕГИНГЕО и сотрудников кафедры геологии Московского государственного горного университета. При ее создании были максимально учтены недоработки предыдущей эксплуатируемой системы, применен новый порядок передачи данных и учтены разработки, описанные выше. Полевой комплект устанавливается в каждую скважину, таким образом, достигается независимая передача данных по беспроводному каналу. Принцип функционирования устройства заключается в запрограммированном считывании информации со струнного датчика, и передачи полученной информации по мобильному интернету при достаточном уровне сигнала мобильной связи на электронную почту, в противном случае в виде смс-сообщения на заданный номер.
Основой аппаратной платформы устройства (даталоггер) является микроконтроллер семейства МБР430, обеспечивающий достаточную производительность и сверхэкономичное энергопотребление. В состав микроконтроллера входит 32 КБ памяти для хранения программного обеспечения, 1 КБ памяти
общего назначения, многоканальный 10-разрядный АЦП и 10-разрядный ЦАП. Кроме того, в состав микроконтроллера входят интерфейсы связи 12С, БР1 и иДИТ (обеспечивающий подключение к беспроводным интерфейсам связи). Помимо микроконтроллера аппаратная платформа содержит: часы реального времени, уникальный идентификатор устройства, схему коммутации сигналов и схему преобразования напряжения питания.
Для обеспечения хранения данных и настроек режимов работы даталоггерснабжен энергонезависимой памятью. Объем извлекаемой памяти может варьироваться в зависимости от партии поставки, но не менее 256 кБ.
В сентябре 2013 года была в тестовом режиме установлена разработанная система на головной дамбе хвостохранилища Стойленского ГОКа. В результате первичных испытаний в полевых условиях при установке данного устройства непосредственно в скважину были выявлены затруднения с передачей данных по мобильному интернету. Сигнал сотовой связи в местах расположения некоторых точек измерения был слишком слабым и не проходил через металлический корпус оголовка скважины (рис. 3).
Для устранения недостатков с передачей данных были произведены замеры уровня мобильной связи над оголовком возле каждой скважины двух операторов МТС и МЕГАФОН. Было установлено, что уровень сигнала МТС существенно ниже, чем у МЕГАФОН, но устойчивее при разных погодных условиях. В результате проведенного анализа было принято решение в устройствах скважин 3П-1 и 3П-2 установить чипы МТС, а на всех остальных - МЕГАФОН.
Проведенные эксперименты с новыми чипами мобильных
операторов показали следующее результаты:
1. Уровень связи на нижних устройствах составляет 7 из 30. Сигнал уверенный, данные приходят всегда в запрограммированное время.
2. Комплекты с чипом фирмы МЕГАФОН передают информацию с сигна-
лом на уровне 12—15 из 30, что также является достаточным, для постоянного бесперебойного контроля.
В штатном режиме работы системы отчет об измерениях приходит в виде письма на электронную почту в следующем виде:
Тема письма: 122.6, Ь3.26, п4, р360, т255, 01:00, 127, г0, е0, о1, {51, ш-2, г-1,
122.6 - температура в скважине в момент измерения, °С; Ь3.26 - уровень заряда батареи (эксплуатационными считаются показания на уровне 3,10-4.00 В);
127 - уровень сигнала сети (дается в интервале от 0 до 30); 01:00 - время отправки данного сообщения по Гринвичу. Остальное - техническая информация, Содержимое электронного письма: 13.10.25.07.00 4998,5000,0170,12649,0000,0000,0000,0000121.5 13.10.25.13.00 4998,4998,0173, - - - -,0000,0000,0000,0000122.4 13.10.25.19.00 4997,4998,0172, - - - -,0000,0000,0000,0000121.5 13.10.26.01.00 4998,4997,0172,10239,0000,0000,0000,0000121.8, где:
13.10.25 - дата проведения замера в формате год. месяц. число.
07.00 - время проведения замера.
4998,5000 - замеры порового давления, полученные со струнного датчика.
На протяжении ноября и декабря 2013 г. производились эксплуатационные тесты на предмет устойчивости системы к колебаниям уровня мобильного сигнала и ее работа в различных режимах частоты измерений и передачи информации. Опыт использования данной системы на протяжении 2014 г. показал, что она работает устойчиво, что позволяет осуществлять в интерактивной форме рассчитывать коэффициент запаса устойчивости откосного сооружения и судить о его состоянии (рис. 4) [5].
Совершенствование и дальнейшее развитие систем дистанционного автоматизированного контроля обусловлено возможностью его использования с датчиками различного типа. Перспективным выглядит использование в нашей стране, в условиях обширного распространения вечной и сезонной мерзлоты, датчиков температуры. Внедрение удаленного контроля на дамбах хвостохранилищ Якутии позволит вести непрерыв-
ный мониторинг изменения температуры материала дамб и их оснований, через них оценивать изменения прочности системы «насыпь-основание».
Рис. 4. Динамика изменения уровня столба воды в скважинах контрольного автоматизированного профиля 3П головной плотины хвостохранилиша с 1 января по 18 мая 2014 года
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гальперин A.M. Геомеханика открытых горных работ. Изд. МГГУ, 2003.
2. Ческидов В. В. Комплексное зондирование намывных отложений гидроотвала № 3 разреза «Кедровский» // Горная промышленность. — 2011. - № 100 (6).
3. Пуневский C.A., Ческидов В.В., Егорова И.В., Астапова В.А. Совершенствование технических средств и методов оценки состояния намывных техногенных массивов. // М.: Маркшейдерия и Недропользование. — 2012. - № 1.
4. Ческидов В.В. Перспективы использования САПР при инженерно-геологических изысканиях на открытых горных разработках // М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011, — № 11.
5. Гальперин A.M., Ческидов В.В., Бородина Ю.В., Демидов А.В. Изучение нестационарных гидрогеомеханических процессов в глинистых породах // М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014, — № 5. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гальперин Анатолий Моисеевич - доктор технических наук, зав. кафедрой,
Ческидов Василий Владимирович - кандидат технических наук, доцент,
Пантюхина Евгения Анатольевна - аспирант, Горный институт НИТУ «МИСиС», ud@msmu.ru
А
UDC 624.131:551.435
IMPROVEMENT OF REMOTE HYDROMECHANICAL MONITORING OF STRUCTURES BUILT ON SLOPE AT STOILENSK MINING-AND-PROCESSING INTEGRATED WORKS
Galperin Anatoly Moiseevich - Doctor of Engineering Sciences, Head of department, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia,
Cheskidov Vasily Vladimirovich - Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia,
Pantyukhina Evgenia Anatolievna - Postgraduate student, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology, Russia.
Improvement potential and basic current requirements imposed on the remote monitoring of hydraulic fill structures are discussed. The article reveals principal limitations of the monitoring systems used at hydraulic fill dumps and tailings ponds in the area of Kursk Magnetic Anomaly, and suggests ways of their elimination.
Key words: hydraulic fill structures, dam, tailings pond, hydraulic fill dump, monitoring, load-bearing capacity, remote control, sounding.
REFERENCES
1. Gal'perin A.M. Geomehanika otkrytyh gornyh rabot (Geomechanics surface mining). Izd. MGGU, 2003.
2. Cheskidov V.V. Kompleksnoe zondirovanie namyvnyh otlozhenij gidrootvala No 3 razreza «Kedrovskij» (Complex sensing alluvial deposits of hydraulic mine dump No. 3 of the section «Kedrovskij») // Gornaja promyshlennost'. 2011. No 100 (6).
3. Punevskij S.A., Cheskidov V.V., Egorova I.V., Astapova V.A. Sovershenstvovanie tehnicheskih sredstv i metodov ocenki sostojanija namyvnyh tehnogennyh massivov (Improvement of technical means and methods for assessing the state of man-made alluvial areas) // Moscow: Markshejderija i Nedropol'zovanie. 2012. No 1.
4. Cheskidov V.V. Perspektivy ispol'zovanija SAPR pri inzhenerno-geologicheskih izyskanijah na otkrytyh gornyh razrabotkah (Prospects of using CAD for engineering-geological surveys on open-pit mining) // Moscow: Gornyj informacionno-analiticheskij bjul-leten'. 2011, No 11.
5. Gal'perin A.M., Cheskidov V.V., Borodina Ju.V., Demidov A.V. Izuchenie nestacionarnyh gidrogeomehanicheskih processov v glinistyh porodah (Study of non-stationary hydro-geo-mechanical processes in clay rocks) // Moscow: Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2014, No 5.
