Разработка комплексной системы инженерногеологического и гидрогеологического контроля безопасности эксплуатации горнотехнических сооружений

УДК 624.131.3; 622:51-7

В.В. Ческидов

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Сформулированы принципы и структура мониторинга параметров природно-технических систем для контроля качества эксплуатации и обеспечения безопасности эксплуатации сложных объектов горнодобывающей промышленности. Разработка автоматизированной системы сбора, хранения и обработки информации позволит в интерактивном режиме отслеживать показатели состояния отдельных техногенных и природно-техногенных объектов для оценки безопасности и качества их функционирования по обоснованному комплексу критериев.

Ключевые слова: мониторинг, горное дело, открытые горные работы, сбор и обработка информации, контроль безопасности, при-родно-техническая система, промышленная безопасность, экологическая безопасность, автоматизированные системы.

В последние десятилетия в результате освоения территорий со сложными климатическими, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, высоким темпом развития технологий, резким увеличением спроса на энергетические и многие виды минерального сырья сформировались уникальные природно-технические системы (ПТС), поведение которых сложно прогнозировать во времени, при изменении условий окружающей среды и режиме эксплуатации. Наиболее сложные ПТС функционируют в горной, нефтегазовой и тяжелой отраслях отечественного народного хозяйства, аварии на которых могут привести к экологическим и промышленным катастрофам регионального, континентального и в некоторых случаях планетарного масштаба.

Как показывает анализ нештатных ситуаций на предприятиях горнодобывающей промышленности и нефтегазового про-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 9. С. 358-368. © 2016. В.В. Ческидов.

мысла, их основными причинами являются: нарушение технологического процесса (несоблюдение действующих норм и правил эксплуатации производственных объектов, отклонение от проектных режимов ведения работ) и недостаток или разрозненность и отсутствие структурированности информации о текущем состоянии природной среды (дефицит данных об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях территории, отсутствие качественного прогноза изменения параметров эксплуатируемого объекта и т.д.). Второй фактор не позволяет своевременно предпринимать необходимые проектные и технологические решения по стабилизации функционирования ПТС.

На сегодняшний день для получения информации с относительно небольшой степенью временной изменчивости при эксплуатации горных природно-технических систем используют методы с непосредственным участием человека (визуальные наблюдения, маркшейдерская съемка и т.д.). Для получения значений быстро изменяющихся характеристик в последние двадцать лет все чаще применяется систем автоматизированного сбора данных. С их помощью определяют уровень деформаций откосных сооружений и склонов, положение депрессион-ной кривой, величину порового давления в глинистых породах и другие параметры. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев модель сбора данных о состоянии ПТС включает два уровня: неавтоматизированный (объем информации относительно небольшой, но трудно представимый в виде цифровой модели) и автоматизированный (большой объем сведений, преимущественно числового характера). Отсутствие комплексной информатизации в горнодобывающей и строительной отрасли и тот факт, что системы автоматизированного контроля, представленные на отечественном рынке, отличаются разрозненностью и отсутствием универсальности (в большинстве случаев они позволяют отслеживать только одну характеристику состояния ПТС) не позволяет создавать единого информационного поля в рамках предприятия. В связи с этим часто возникает ситуация, при которой несколько независимых друг от друга систем осуществляют сбор информации о коррелирующих характеристиках, что существенно снижает эффективность мониторинга состояния техногенных и природно-техногенных объектов.

В области инженерно-геологического гидрогеологического и геомеханического мониторинга состояния горно-технических объектов широкий опыт имеют организации: ВИОГЕМ, Гор-

Рис. 1. Схема передачи информации, реализуемая при осуществлении гид-рогеомеханического контроля состояния откосных сооружений хвостового хозяйства ОАО «Стойленский» ГОК

ный институт НИТУ «МИСиС» (бывший МГГУ), НПФ Карбон, ООО «Алькомп-Европа», Геологический институт Кольского научного центра РАН, ООО «Капстрой-Коммуникации», ВСЕГИНГЕО, ВИОГЕМ и ряд других [1-3, 10]. Используемые системы контроля позволяют, в том числе, в режиме реального времени получать и анализировать информацию о характеристиках исследуемых объектов. Это обеспечивает изучение и прогнозирование изменения состояния ПТС и способствует проектированию мероприятий по увеличению генеральных углов бортов карьеров, вместимости отвальных насыпей и намывных сооружений и т.д. Однако многие операции остаются неавтоматизированными и выполняются вручную, в большинстве случаев отсутствуют модули анализа данных, получаемых непосредственно с датчиков (рис. 1).

Двадцатилетний опыт внедрения автоматизированных систем мониторинга кафедрой «Геологии и маркшейдерского дела» НИТУ «МИСиС» показывает, что в среднем каждый двухсотый замер порового давления в теле насыпных плотин и гидроотвалов является «выбросом». Причиной этого служат сбои или выход из строя измерительного оборудования, ведения горных работ в непосредственной близости от точек замеров и другое. В результате общая схема получения, хранения и интерпретации информации включает в себя этапы, в которых данные обрабатываются вручную и затем вновь вводятся в информационную систему, то есть происходит разрыв в передаче информации, этот факт повышает вероятность ошибок и увеличивает трудоемкость работ, а также снижает общее качество функционирования системы мониторинга.

На основе анализа отечественного и зарубежного опыта [46, 10-12] осуществления комплексного мониторинга эксплуа-

Рис. 2. Схема сбора, анализа и обработки информации системы комплексного мониторинга состояния ПТС

тации горнотехнических сооружений, а также структуры современных предприятий и принципов построения информационных систем была спроектирована схема сбора, анализа и обработки данных о состоянии горной ПТС (рис. 2).

Важнейшей составляющей системы является база данных, в которой хранятся сведения не только о инженерно-геологическом, гидрогеологическом, геомеханическом и других видах состояния карьера, отвала, гидротехнического сооружения и т.д., но и о персонале, который принимает участие в эксплуатации объекта, нормативно-правовые документы различных уровней, информация о параметрах функционирования систем автоматизированного сбора данных и прочее. Для каждого горного предприятия состав базы данных определяется в зависимости от технологии освоения недр, наличия сложных и уникальных ПТС (например, автосамосвальный отвал, расположенный на гидроотвале или борт карьера, нагруженный отвалом, и др.), однако структура должна позволять проводить анализ состояния природно-техногенных объектов и выявлять участки, на которых наиболее вероятны процессы с негативными последствиями [5, 7].

Прямоугольниками на рис. 2 показаны блоки обработки информации. Первый из них «Программы анализаторы натурных данных» выполняет действия по выявлению выбросов и расчеты в режиме реального времени характеристик состояния природ-но-технической системы (коэффициент запаса устойчивости откосного сооружения, несущая способность основания), на основе которых определяется безопасность ее функционирования. После завершения вычислений и анализа результатов вся информация сохраняется в базе данных, при выявлении выбросов, сообщается о необходимости проведения дополнительных измерений. Также на основе вычислений определяется частота запросов динамических данных, которая прямо пропорциональна скорости изменения параметра во времени.

Использование данной системы позволит осуществлять на предприятии контроль выполнения всего комплекса современных требований безопасности. Блок «Анализ выполнения критериев нормативно-правовой базы» дает возможность соответствующим подразделениям получать отчеты с заданной частотой о состоянии ПТС и о необходимости проведения очередного инструктажа сотрудника, повышения его квалификации, тарировочных испытаний оборудования и других показателей, что в свою очередь способствует минимизации нарушений и повышению качества эксплуатации горных природно-техни-ческих систем.

Общая оценка качества выполнения требований безопасности на предприятии осуществляется с помощью блока «Интегральная оценка состояния ПТС», полученные при этом результаты определяют вероятность нештатной ситуации на горном предприятии на основе теории рисков. С этой целью по качественным и количественным показателям устанавливаются пороговые значения нескольких уровней, по достижению которых происходит изменение интегральной оценки состояния при-родно-техногенного объекта.

В качестве тестового испытания схемы комплексного мониторинга на горнодобывающих предприятиях предлагается использовать в рамках одного подразделения систему контроля, разработанную на кафедре «Геологии и маркшейдерского» Горного института НИТУ «МИСиС» (бывший МГГУ). Сотрудники кафедры в течение многих лет обеспечивают проведение гидрогеомеханического мониторинга намывных сооружений горно-обогатительных комбинатов месторождений Курской Магнитной Аномалии (Лебединского, Михайловского, Стой-

ленского ГОКов) с целью оперативной оценки устойчивости гидротехнических сооружений (ограждающих дамб) и состояния внутренних зон хвостохранилищ и гидроотвалов.

В случае развертывания системы мониторинга в рамках цеха хвостового хозяйства одного из горно-обогатительных комбинатов необходимо предусмотреть хранение в базе данных четырех видов инженерно-геологических, гидрогеологических и геомеханических сведений о состоянии природно-техноген-ных объектов распределенных по отношению ко времени.

«Статическая информация» включает проектную документацию по эксплуатации хвостохранилища, включая данные о земельном отводе, сведения о юридическом лице и прочее. «Относительно статическая информация» - это параметры намываемого материала, физико-механические свойства пород и отложений тела дамб и основания в рамках выделенных расчетных инженерно-геологических блоков. В результате длительного замачивания, увеличения влажности, изменяющейся внешней нагрузки основные физико-механические свойства пород (плотность, пористость, угол внутреннего трения, удельное сцепление) могут значительно изменяться, что обусловливает необходимость проведения инженерно-геологических изысканий в период эксплуатации хвостохранилища. Необходимость осуществления дополнительных исследований тела и основания откосных сооружений при увеличении внешней нагрузки обусловлена принятой моделью грунта Кулона-Мора (т = стн • tg(ф) + С) в большинстве методов оценки устойчивости откосного сооружения. Линейность данной модели выполняется на небольших интервалах нормальных нагрузок. Особенно большие расхождения получаются в случае, когда паспорт прочности породы строится при относительно небольших нагрузках (до 1 МПа), а при расчетах нужно использовать значения угла внутреннего трения и сцепления при нагрузке в 1,5-4 МПа.

«Относительно динамическая информация» включает сведения о состоянии природно-техногенных объектов хвостового хозяйства, которые измеряются не чаще одного раза в месяц, как правило, это данные неавтоматизированных замеров (геодезическая съемка, уровень воды в контрольных гидрогеологических скважинах, результаты визуальных наблюдений и т.д.). Необходимо отметить, что этот вид данных отличается высокой степенью субъективности, но в тоже время служит для проверки корректности информации, получаемой с датчиков в автоматизированном режиме.

Рис. 3. Динамика изменения уровня столба воды в скважинах контрольного автоматизированного профиля 3П головной плотины хвостохранилища с 1 сентября 2015 по 29 февраля 2016 г.

«Динамическая информация» — это сведения, которые поступают в систему с периодичностью более чем один раз в месяц (в большинстве случае несколько раз в сутки, к примеру, информация об уровнях воды в пьезометрических скважинах (рис. 3), расположенных на дамбах хвостохранилища ОАО «Стойлен-ский ГОК», снимается с датчиков каждые шесть часов при условии штатной ситуации), как правило, измерения осуществляются в автоматизированном режиме. При сборе этого вида информации должна быть предусмотрена автоматизированная проверка на выбросы для исключения попадания «ложных» значений исследуемых параметров в базу данных и выявление ошибок «человеческого фактора» о чем было сказано выше.

В рассматриваемой системе для ОАО «Стойленский ГОК» в качестве основного критерия качества функционирования объектов хвостового хозяйства являются коэффициенты запаса устойчивости ограждающих дамб. Эти показатели рассчитываются с помощью разработанной на кафедре «Геология и маркшейдерское дело» программы для ЭВМ (рис. 4). При этом методом обратных расчетов получены предельные уровни воды,

У=19.е=20.с=й 5 у=1.9 <Р=Э1,С=01 »»1,827,1=26 Ю0.1 у=1565. »=29.С=!!Я5 9. Ф=31.с=0.1

Устойчивость по методу алгебраического суммирования п = 1,40+28 Устойчивость по методу многоугольника сип п - 1,42823

Рис. 4. Расчет коэффициента запаса устойчивости головной дамбы хво-стохранилища по автоматизированному контрольному профилю П-3

при которых дальнейшая эксплуатация хвостохранилища представляет опасность [8, 9]. При достижении коэффициентом запаса устойчивости значения 1,30 передается сообщение в соответствующие подразделения о необходимости усиления интенсивности наблюдений. Для следующих пороговых значений характерны соответствующие проявления негативных последствий и возможны мероприятия: 1,20 - должны быть предприняты меры по увеличению коэффициента запаса устойчивости (пригрузка пассивной части откоса, изменение режима намыва и прочие) или полностью остановлены работы; 1,05 - предава-рийная ситуация, возможна значительная дефформация сооружения; 1,00 - откос находится в равновесном состоянии, большая вероятность аварийной ситуации.

Мировая практика и российские нормативно-методические документы (Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений»; Федеральный закон от 26 декабря 2008 г. № 294-ФЗ «О защите прав юридических лиц и индивидуальных предпринимателей при осуществлении государственного контроля (надзора) и муниципального контроля») в современных условиях эксплуатации откосных, в том числе гидротехнических сооружений, говорят о необходимости внедрения систем автоматизированного контроля для обеспечения промышленной и экологической безопасности горнодобывающих регионов. Разработка и внедрение систем комплексного инженерно-геологического и гидрогеологиче-

ского мониторинга состояния природно-технических систем позволит создать единое информационное поле в рамках предприятия, и в конечном итоге интенсифицировать добычные и отвальные работы, снизить площади нарушаемых земель, сократить время подготовки горных объектов к рекультивации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гальперин А.М., Кириченко Ю.В., Кутепов Ю.И. Комплексный подход к экологически безопасному освоению техногенных массивов // Горная промышленность. — 2011. — № 5 (99). — С. 22—23.

2. Киянец А.В., Филенко А. А., Гасанов Ф.М. Магнитометрический мониторинг глубинных деформаций бортов карьера в рыхлых отложениях ОАО «Михайловский ГОК» // Черная металлургия. — 2016. — № 1 (1393). - С. 21-25.

3. Родионова И. А., Липина С. А., Журавель В. П., Пушкарев В. А. Обеспечение экологической безопасности: государственное управление арктическим регионом // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1-1. - С. 624.

4. Ческидов В. В. Инженерно,геологическое обеспечение управления состоянием массивов горных пород на оползнеопасных территориях // Горная промышленность. - 2015. - № 1 (119). - С. 84.

5. Сергина Е. В. Геолого-маркшейдерский мониторинг при переформировании гидротехнического сооружения (ГТС) в природно-техниче-скую систему (ПТС) // Маркшейдерия и недропользование. - 2013. -№ 6 (68). - С. 49-52.

6. Ческидов В. В. Проектирование сетей инженерно-геологических изысканий на объектах горнодобывающей промышленности // Горный журнал. - 2011. - № 12. - С. 24-26.

7. Ческидов В. В. Перспективы использования САПР при инженерно-геологических изысканиях на открытых горных разработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 11. -С. 355-361.

8. Пуневский С. А., Ческидов В. В., Егорова И. В., Астапова В. А. Совершенствование технических средств и методов оценки состояния намывных техногенных массивов // Маркшейдерия и недропользование. - 2012. - № 1. - С. 30-34.

9. Бондарик Г.К., Ярг Л. А. Инженерно-геологические изыскания: учебник, 2-е изд. - М.: КДУ, 2008.

10. Van Arsdale R. B., Arellano D., Stevens K. C., Hill A. A., Lester J. D., Parks A. G., Csontos R. M., Rapino M. A., Deen T. S., Woolery E. W., Harris J. B., Geology, geotechnical engineering, and natural hazards of Memphis, Tennessee, USA // Environmental and Engineering Geoscience. -2012. - № 18. - P. 113-158.

11. Mortimore R., Newman T. G, Royse K, Scholes H., Lawrence U. Chalk: Its stratigraphy, structure and engineering geology: In east London and the Thames Gateway // Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydro-geology. - 2011 - № 44. - P. 419-444.

12. Edrisi G., Ajalloeian R. Engineering and structural geology evaluation of Khansar-Boien Miyandasht tunnel // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. - 2015. - № 20, Issue 7. -P . 1751-1764. ЕШЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Ческидов В.В. - кандидат технических наук, доцент, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: vcheskidov@yandex.ru.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 9, pp. 358-368. V.V. Cheskidov

DEVELOPMENT OF AN INTEGRATED SYSTEM OF ENGINEERING-GEOLOGICAL AND HYDROGEOLOGICAL MONITORING OF SAFETY OF OPERATION OF MINING AND TECHNICAL FACILITIES

The principles and structure of the monitoring parameters of natural and technical systems for the quality control of the operation and ensure the safety of the operation of complex objects of the mining industry. Development of an automated system for collecting, storing and processing information will allow on-line indexes track the status of individual man-made and natural and man-made objects to assess the safety and quality of their functioning reasonably complex criteria.

Emergency situation on the natural and man-made objects of mining companies associated with risk to life and health of employees, large economic costs to deal with the consequences, as well as the release of liquid, gaseous and particulate pollutants. Systems of complex engineering-geological and hydrogeological monitoring able to control the quality of the operation of industrial facilities, as well as to identify the most environmentally dangerous objects and promptly take the necessary management decisions for trouble-free operation of mining natural-technical system (NTS). A set of criteria used to determine the gravity of the state of man-made or natural and man-made object, developed on the basis of the existing legal framework of the Russian Federation, as well as domestic and foreign experience in assessing the state of industrial, municipal and other economic facilities. For each test specifications set thresholds in several levels on qualitative and quantitative indicators, to achieve that signal, a warning about changing conditions and parameters functioning of the natural and man-made object. This allows change mode and carry out work timely, if necessary, carry out an alert about possible emergencies and minimize the economic loss industry and the environmental damage caused to the environment.

Typification mining natural and man-made systems and objects within them allows you to develop for each selected type of NTS activities associated integrated monitoring and organize the information to better analysis. Ultimately, the implementation of complex engineering-geological and hydrogeological monitoring systems will allow to intensify mining and dumping operations, to reduce the area of disturbed land, accelerate the preparation of mining objects to recultivation.

Key words: monitoring, mining, open-pit mining, collection and processing of information, safety monitoring, natural-technical system, industrial security, environmental safety, computer-aided system.

UDC 624.131.3; 622:51-7

AUTHOR

Cheskidov V.V., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: vcheskidov@yandex.ru,

Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Gal'perin A. M., Kirichenko Yu. V., Kutepov Yu. I. Gornayapromyshlennost'. 2011, no 5 (99), pp. 22-23.

2. Kiyanets A. V., Filenko A. A., Gasanov F. M. Chernaya metallurgiya. 2016, no 1 (1393), pp. 21-25.

3. Rodionova I. A., Lipina S. A., Zhuravel' V. P., Pushkarev V. A. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2015, no 1-1, pp. 624.

4. Cheskidov V. V. Gornaya promyshlennost'. 2015, no 1 (119), pp. 84.

5. Sergina E. V. Marksheyderiya inedropol'zovanie. 2013, no 6 (68), pp. 49-52.

6. Cheskidov V. V. Gornyy zhurnal. 2011, no 12, pp. 24-26.

7. Cheskidov V. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011, no 11, pp. 355-361.

8. Punevskiy S. A., Cheskidov V. V., Egorova I. V., Astapova V. A. Marksheyderiya i nedropol'zovanie. 2012, no 1, pp. 30-34.

9. Bondarik G. K., Yarg L. A. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya: uchebnik, 2-e izd. (Engineering-geological surveys: Textbook, 2nd edition), Moscow, KDU, 2008.

10. Van Arsdale R. B., Arellano D., Stevens K. C., Hill A. A., Lester J. D., Parks A. G., Csontos R. M., Rapino M. A., Deen T. S., Woolery E. W., Harris J. B., Geology, geotechni-cal engineering, and natural hazards of Memphis, Tennessee, USA. Environmental and Engineering Geoscience. 2012, no 18, pp. 113-158.

11. Mortimore R., Newman T. G., Royse K., Scholes H., Lawrence U. Chalk: Its stratigraphy, structure and engineering geology: In east London and the Thames Gateway. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. 2011 № 44, pp. 419-444.

12. Edrisi G., Ajalloeian R. Engineering and structural geology evaluation of Khansar-Boien Miyandasht tunnel. Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2015, no 20, Issue 7, pp. 1751-1764.

Л,

I НЕ УСТАЛО НЕБО ПЛАКАТЬ... СУДЬБА ДОМАШНИХ ЖИВОТНЫХ

Кошки и собаки, не умеющие самостоятельно добывать себе пищу, чувствуют себя вполне комфортно, их кормят и поят, лечат, дают кров. И много людей завидуют такой судьбе. Иногда домашние животные лишаются кормильца, а приютить их некому. Что ж, люди развратили их бездельем и оставили погибать без человеческой заботы. Бывает, что найдется добрый человек и приютит их, а может, и нет.

У человека без квалификации с исчезновением кормильца судьба складывается так же. Только человеку никто не мешал приобрести востребованную специальность, заняться посильным трудом. А не писать возмущенные письма начальникам, которые почему-то должны спасти их от голода и холода.