Организация комплексного мониторинга устойчивости внешних отвалов, сложенных породами с низкой несущей способностью, на слабом основании в условия ПАО «Михайловский ГОК»

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-3-145-15-19
УДК: 622.83

С.И. Кретов, канд. техн. наук, управляющий директор, ПАО «Михайловский ГОК»

Р.И. Исмагилов, директор департамента горнорудного производства, ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ»

Б.П. Бадтиев, д-р техн. наук, начальник управления мониторинга и перспективного развития горных работ, ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ»

Д.О. Шарковский, начальник технического управления, ПАО «Михайловский ГОК»

А.А. Павлович, канд. техн. наук, заведующий лабораторией, Санкт-Петербургский горный университет

А.С. Свириденко, инженер, Санкт-Петербургский горный университет

Михайловское железорудное месторождение отрабатывается открытым способом с 1960 г. В результате добычи и переработки богатых руд Михайловский обогатительный комбинат производит агломерационную и доменную руду, железорудный концентрат и окатыши за счет добычи и переработки неокисленных железистых кварцитов. Значительный объем добытых полезных ископаемых, а, следовательно, и вскрышных пород, привел к необходимости создания внешних отвалов.

Параметры карьера Михайловского ГОКа в настоящее время следующие: глубина – 375 м, длина по поверхности 5,9 км, ширина по поверхности – 2,6 км, площадь 1665,5 га. Площадь территорий, отведенных под отвалы и склады, порядка 3295,4 га, из них под отвалы рыхлой вскрыши 2970,4 га. Наибольшую площадь занимают внешние отвалы рыхлой вскрыши, из которых в настоящий момент эксплуатируются № 6, 7, 8 и формируется новый отвал № 9. План расположения внешних отвалов на 2025 г. согласно проектной документации, разработанной ООО «СПБ-Гипрошахт», приведен на рис. 1.

 Рис. 1 Проектное расположение внешних отвалов рыхлой вскрыши на 31.12.2025 г.

Рис. 1 Проектное расположение внешних отвалов рыхлой вскрыши на 31.12.2025 г.

Условия формирования внешних отвалов рыхлой вскрыши

Массивы отвалов № 6–9 формируются из пород рыхлой вскрыши, вывозимых с верхних горизонтов разрабатываемого карьера. Породы преимущественно представлены суглинками, глинами и песками покровной толщи различных стратиграфических подразделений. Складирование пород вскрыши осуществлялось валовым способом во внешние отвалы, в различном процентном соотношении вскрышных пород в составе смеси.

Рельеф основания отвалов характеризуется постепенным понижением земной поверхности от водораздельной (центральной) их части к пойменным участкам р. Речица и р. Чернь с уклоном от 0 до 4°. Основание отвала осложнено развитой овражно-балочной сетью, а также наличием слабых по своим несущим способностям пойменных отложений, прослеживающихся в долинах рек Речица и Чернь. Для речных долин характерна заболоченность и заторфованность.

Относительно гидрогеологических условий следует отметить, что в отвале на глубине 5–6 м от поверхности сформировался техногенный водоносный горизонт. Кроме того, имеется гидравлическая связь между массивом отвалов и их основанием. Практически весь отвальный массив находится в водонасыщенном состоянии.

В связи со столь сложными инженерно-геологическими условиями отвалы рыхлой вскрыши имеют весьма пологие углы откосов и, соответственно, занимают значительную площадь.

Рис. 2 График зависимости высоты отвалов № 6–8 (весь отвал, его участки и ярусы) от угла их откосов

Рис. 2 График зависимости высоты отвалов № 6–8 (весь отвал, его участки и ярусы) от угла их откосов

Фактические параметры отвалов № 6–8 приведены на рис. 2, из которого видно, что для участков высотой более 50 м результирующий угол откоса не превышает 7°, а для участков высотой порядка 90 м – 4–5°.

На протяжении значительного времени отвалы рыхлой вскрыши эксплуатировались в режиме управляемых деформаций, что являлось наиболее рациональным для рассматриваемых инженерно-геологических условий. Применение технологии складирования отвальной массы в режиме управляемых деформаций позволило сократить на 50 % объем вспомогательных операций и на 10–15 % увеличить производительность отвального оборудования [1]. Однако в настоящее время продолжать складировать отвальную массу в том же режиме не представляется возможным.

Прежде всего, это связано с тем, что с западной стороны отвалы № 7 и 8 расположены в непосредственной близости к карьеру, с восточной стороны они ограничены руслом р. Чернь и невозможностью его дальнейшего переноса. С восточной стороны отвалов № 6 и 9 проходит автотрасса.

Поэтому в настоящий момент осуществляется переход на технологию с обязательным обеспечением устойчивости откосов отвалов независимо от стадии формирования. Обеспечить данный режим складирования в столь сложных инженерно-геологических условиях является весьма сложной задачей. В таких породах даже при относительно незначительных, но постоянных нагрузках с течением времени могут проявляться деформационные процессы. В связи с этим необходимо осуществлять обязательный контроль устойчивости внешних отвалов.

В настоящий момент мониторинг устойчивости внешних отвалов осуществляется с использованием инструментальных маркшейдерских, в соответствии с нормативными и методическими документами [2, 3], и глубинных магнитометрических измерений. Маркшейдерские наблюдения проводятся силами Михайловского ГОКа, а магнитометрические измерения специалистами ОАО «ВИОГЕМ».

Опыт проведения маркшейдерских наблюдений показал, что деформирование отвалов происходит в относительно медленном и плавном режиме, а величины смещений могут достигать десятков сантиметров год. Глубинными измерениями установлено, что в теле отвала и его основании проявляется многоплоскостное деформирование глубиной до 20 м от естественного рельефа.

Выполнение точечных наблюдений в ручном режиме на столь значительных территориях не позволяет оперативно производить оценку устойчивости откосов внешних отвалов. В связи с этим специалистами Михайловского ГОКа, УК «Металлоинвест» и Санкт-Петербургского горного университета была разработана программа по развитию системы мониторинга устойчивости внешних отвалов рыхлой вскрыши с использованием современного оборудования. На основании анализа условий формирования отвалов и произошедших ранее деформаций был составлен перечень возможных видов мониторинга, табл. 1. Кроме того, при выборе методов учитывалась возможность самостоятельного мониторинга специалистами эксплуатирующей организации без дополнительных затрат на измерения.

Табл. 1 Выбор видов мониторинга исходя из условий формирования внешних отвалов рыхлой вскрыши

Табл. 1 Выбор видов мониторинга исходя из условий формирования внешних отвалов рыхлой вскрыши

Значительным ограничением при выборе возможных методов служат (являются) факторы, приведенные в столбце 3 табл. 1. Фактически обеспечить оперативное и полное покрытие внешних отвалов в автоматизированном режиме не представляется возможным. Поэтому без участия специальной группы по наблюдению система мониторинга не может быть полностью реализована. В связи с этим при реализации системы планируется значительное внимание уделить составу группы по наблюдению, а главное – наличию основного и вспомогательного оборудования для оперативного выполнения работ.

Схема организации комплексной системы мониторинга

Учитывая сложные инженерно-геологические, гидрогеологические и горнотехнические условия, а также необходимость формирования отвалов по технологии с обязательным обеспечением устойчивости откосов, наиболее оптимальным вариантом является проведение комплексного мониторинга, включающего не только традиционные маркшейдерские наблюдения, но и другие виды, которые являются сравнительно молодыми для горного дела, рис. 3.

Рис. 3 Схема организации комплексной системы мониторинга

Рис. 3 Схема организации комплексной системы мониторинга

Условно систему мониторинга можно разделить на четыре направления:

• долговременные наблюдения для выявления деформирующихся участков с использованием различного оборудования;

• наблюдения на участках развития деформаций;

• временные наблюдения за рабочими участками;

• систематизация данных о строении отвалов, физико-механических свойств отвальной массы, упорно-дренажной призмы и пород основания и др. показателей.

Все полученные данные со всех уровней системы мониторинга должны обрабатываться в специально организованном автоматизированном рабочем месте.

Долговременные наблюдения для выявления деформирующихся участков с использованием различного оборудования

Проведение точечных инструментальных наблюдений не позволит охватить полностью всю территорию внешних отвалов. В связи с этим появляется необходимость отступления от строгого мониторинга в сторону использования сигнализации с качественной оценкой происходящих процессов. К такой сигнализации можно отнести мониторинг с использованием волоконно-оптических систем, отличающийся высокой автоматизацией и настройкой системы оповещений при превышении некоторого установленного порога деформаций.

Рис. 4 Общая схема проведения мониторинга с использованием различных средств наблюдений

Рис. 4 Общая схема проведения мониторинга с использованием различных средств наблюдений

Для наиболее полного охвата наблюдениями территории отвалов оптоволокно следует закладывать на глубину порядка 20–30 см от поверхности по всему периметру верхней площадки (в районе предохранительного вала) первого яруса упорно-дренажной призмы, рис. 4. Сигнализация может работать в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

Установление волоконно-оптическими системами начала развития деформации на каком-либо участке служит сигналом к тому, что за данным участком необходимо организовать более пристальные инструментальные наблюдения.

Следует отметить, что применение волоконно-оптических систем на горных предприятиях является новым способом наблюдения, хотя его уже применяли для мониторинга трубопроводов, железнодорожного полотна, на закарстованных участках и т.д. [4–7]. Поэтому перед внедрением системы в эксплуатацию необходимо организовать опытно-промышленный участок для тестирования данной системы применительно к условиям Михайловского ГОКа с дальнейшей экономической оценкой предлагаемого решения.

На время тестирования и внедрения волоконно-оптической системы мониторинга долговременные наблюдения производятся с использованием традиционных методов наблюдений:

– поверхностные наблюдения с использованием визуальных наблюдений и маркшейдерских измерений по профильным линиям с использованием ГНССприемников;

– мониторинг глубинных деформаций с использованием магнитометрических измерений с дальнейшим расширением сети и применением инклинометрических скважин в автоматическом режиме съема данных;

– гидрогеологический мониторинг с закладкой в скважины датчиков гидростатического давления и оборудованием открытых пьезометров в автоматическом режиме съема данных, контроль данных с использованием геофильтрационной модели.

Наблюдения на участках развития деформаций

Наблюдения за реперами на деформирующемся участке могут проводиться различными методами. Однако, ввиду постоянно идущего (с разной интенсивностью) процесса деформирования на отвалах, выбор конкретного метода наблюдений осложняется невозможностью установки прибора в точке, которая бы обеспечила одновременно и неизменность своих координат в течение продолжительного периода, и видимость наблюдаемого участка. Единственный метод мониторинга, при котором не требуется взаимная видимость между опорной точкой и наблюдаемыми точками, – метод спутниковых измерений. Однако его применение на деформирующемся участке может представлять опасность для наблюдателя, ввиду необходимости установки приемников в опасных зонах в каждой серии наблюдений.

Оптимальным решением в данном случае является совместное применение электронного тахеометра и спутникового оборудования [8].

Для условий отвалов Михайловского ГОКа наилучшим вариантом является использовать вместе в одной точке (либо в непосредственной близости друг от друга) тахеометр и один из спутниковых приемников. Второй (и остальные, при необходимости) приемник устанавливается на одной из наблюдаемых точек. При этом для установки второго приемника следует выбирать точку в наименее опасной зоне наблюдаемого участка, к которой есть возможность простого доступа. Преимущество данного метода заключается в отсутствии необходимости поиска стабильной точки для установки тахеометра – его координаты будут переопределяться в каждой серии наблюдений. Точка стояния прибора должна выбираться исходя из условия прямой видимости всех наблюдаемых призм, а также на момент измерений должна находиться на устойчивом участке, за пределами зоны наблюдаемой деформации.

Для реализации данной схемы предполагается использовать не менее двух базовых станций со спутниковым приемником на точке, находящейся за зоной возможных деформаций. Для автоматизации измерений может использоваться роботизированный тахеометр. Деформационные реперы располагаются либо на площадках ярусов отвала, либо непосредственно на откосах.

Временные наблюдения за рабочими участками

Локальные деформации зачастую связаны с работой экскаватора, поэтому закладка деформационных реперов на ярусе, где работает экскаватор, а также на вышележащем и нижележащем – в количестве трех штук на каждом ярусе – позволит своевременно выявлять локальные деформационные процессы, которые обычными методами весьма сложно отследить, рис. 5.

Рис. 5 Схема расположения реперов на участке работы экскаватора (h – высота яруса, на котором ведет работу экскаватор)

Рис. 5 Схема расположения реперов на участке работы экскаватора (h – высота яруса, на котором ведет работу экскаватор)

Систематизация данных

Формирование в течение длительного срока техногенных сооружений из рыхлых отложений приводит к изменению инженерно-геологических условий территорий, отведенных под них, и с течением времени при определенных условиях систему «техногенное сооружение–основание» следует рассматривать как единый объект.

В течение календарного года специалистами собираются и систематизируются данные об изменении состояния отвалов, проявлений деформаций, уточняются инженерно-геологические условия.

Кроме того, ежегодно уточняются физико-механические свойства пород основания и отвальной массы. Отбор проб осуществляется как из обнажений, так и из инженерно-геологических скважин.

Организация сбора и обработки данных

Комплексная система мониторинга будет включать в себя большое количество различных датчиков и систем измерений, отвечающих за контроль различных видов параметров, влияющих на устойчивость откосов отвалов. Для достоверной оценки состояния внешних отвалов по результатам полученных наблюдений данные со всех датчиков должны анализироваться совместно. С этой целью состав системы мониторинга включает организацию автоматизированного рабочего места. Блок-схема функционирования комплексной системы мониторинга приведена на рис. 3.

По мере развития комплексного мониторинга будет организована автоматизированная передача данных со всех стационарных датчиков.

Анализ и хранение данных физико-механических свойств горных пород следует осуществлять с использованием имеющегося программного обеспечения.

Для интеграции данных и последующего их анализа и установления критических показателей в настоящий момент тестируется специализированное программное обеспечение Leica Geosystems (ПО GeoMoS).

Перспективные направления системы мониторинга

На данный момент на отвалах № 6–8 реализована только маркшейдерская и магнитометрическая сеть наблюдений, отвал № 9 находится на стадии строительства. Эти наблюдения обеспечивают первичный контроль за проявлениями деформаций, но этого недостаточно для полноценного понимания происходящих процессов. В качестве перспективных направлений развития мониторинговых работ могут быть использованы беспилотные летательные аппараты (далее БПЛА) [9].

В условиях Михайловского ГОКа в 2018 г. было проведено тестирование беспилотника Luftera GEO, которое показало, что данный метод измерений является весьма эффективным для регулярной съемки участков местности. Данный аппарат позволил получить высокоточные ортофотопланы с разрешением в несколько сантиметров на пиксель и высокой точностью привязки без использования наземных опознаков, за счет использования навигационных приемников геодезического класса (GPS L1/L2, Glonass L1/L2) и профессиональных фотокамер. Пример получаемого изображения представлен на рис. 6.

Рис. 6 Пример съемки с БПЛА: а) ортофотоплан, б) матрица высот, в) геопривязанная 3D модель

Рис. 6 Пример съемки с БПЛА: а) ортофотоплан, б) матрица высот, в) геопривязанная 3D модель

Полученные результаты точности измерений как по высоте, так и в плане, говорят, о возможности применения БПЛА для мониторинга внешних отвалов рыхлой вскрыши. На первых этапах его можно использовать как метод визуального мониторинга. Но в дальнейшем, учитывая достаточно большие, но плавные деформации отвалов, – как метод инструментального мониторинга. Кроме того, существуют способы повысить точность измерений путем разработки четкой методики проведения измерений, создания опознаков и применения высокоточных камер, либо лазерного сканера.

Заключение

Условия формирования внешних отвалов Михайловского ГОКа являются уникальными, в то же время весьма сложными. Основной сложностью является формирование отвалов с низкой несущей способностью на слабом основании и формирование в его теле сплошного техногенного водоносного горизонта.

Формирование таких отвалов в режиме обеспечения их устойчивости осложнено необходимостью строгого соблюдения технологии складирования и проведения непрерывного мониторинга. В породах с низкой несущей способностью как в теле отвала, так и в его основании, даже при относительно незначительных, но постоянных нагрузках с течением времени могут проявляться деформационные процессы. В связи с этим необходимо осуществлять обязательный контроль устойчивости внешних отвалов.

Ввиду невозможности измерения степени устойчивости откосов, ее оценку производят на основе контроля диагностических показателей (параметров), состав которых может изменяться в зависимости от инженерно-геологических и горнотехнических условий формирования отвалов.

При разработке системы мониторинга был проанализирован российский и зарубежный опыт использования технических средств и методов измерения поверхностных и глубинных смещений и деформаций и показателей гидродинамического режима подземных вод, а также применяемого программного обеспечения для сбора и анализа получаемой информации.

С учетом инженерно-геологических условий внешних отвалов Михайловского ГОКа при взаимодействии специалистов Михайловского ГОКа, УК «Металлоинвест» и СанктПетербургского горного университета была разработана комплексная система мониторинга, включающая:

– визуальный мониторинг;

– комплекс долговременного мониторинга, отвечающего за выявление деформирующихся участков по всей площади отвалообразования;

– комплекс мониторинга выявленных деформирующихся участков;

– комплекс мониторинга участков работы экскаваторов;

– комплекс мониторинга глубинных деформаций;

– комплекс, осуществляющий контроль за уровнем подземных вод;

– комплекс по контролю изменения физико-механических свойств отвальных смесей и пород основания отвалов;

– создание автоматизированного рабочего места.

Реализация комплексной системы мониторинга подразумевает поэтапное ее развитие.

В настоящий момент расширена сеть поверхностных реперов и магнитометрических скважин. Следующим этапом будет бурение и оборудование гидрогеологических и инклинометрических скважин. При бурении скважин дополнительно будут отобраны образцы горных пород для проведения лабораторных испытаний. По мере оборудования скважин будет осуществляться тестирование программного обеспечения Leica Geosystems (ПО GeoMoS) в условиях Михайловского ГОКа. Одновременно будут проводиться работы по тестированию БПЛА для целей мониторинга.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Попов В.Н., Несмеянов Б.В., Попов С.В. Устойчивость отвалов скальных пород: Учеб. пособие. М.: Горная книга, 2010. 122 с.
2. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. МУП СССР. Всесоюз. науч.-исслед. институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). Утверждена Госгортехнадзором СССР 21 июля 1970 г.
3. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1987. 118 с.
4. Стандарт организации СТО 1.1–2014. Распределенная волоконно-оптическая система мониторинга состояния земляного полотна оползневых участков автомобильных дорог. Правила применения и технические требования. М.: ЗАО «Лазер Солюшенс», 2014.
5. Волоконно-оптическая система мониторинга инфраструктурных энергетических объектов (ВОСМ) для нужд ПАО «Россети» // URL: http: // ЗАО «Лазер Солюшенс». М., 2016. https://www.ruscable.ru/other/fotonika2016-smirnov.pdf
6. Шишкин В.В., Гранев И.В., Шелемба И.С. Отечественный опыт производства и применения волоконно-оптических датчиков. Прикладная фотоника. Т.3, 1. 2016. С. 61–75.
7. Методические рекомендации для органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и территориальных подсистем РСЧС по обеспечению безопасности населения и территорий при угрозе возникновения оползневых процессов, их прохождению и уменьшению последствий от них. Утв. МЧС России 10.12.2015 N 2-4-87-53-14.
8. Brown N., Kaloustian S., and Roeckle M. Monitoring of Open Pit Mines using Combined GNSS Satellite Receivers and Robotic Total Stations // International Symposium on Rock Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering. Perth, WesternAustralia, 2007.
9. Макаров В.А., Бондаренко Д.А. Беспилотные летательные аппараты для решения задач маркшейдерии и мониторинга открытых горных работ // URL: http://uav-siberia. com/news/bespilotnye-letatelnye-apparaty-dlya-resheniya-zadach-marksheyderii-i-monitoringaotkrytykhgornykh-/.
Ключевые слова: внешние отвалы, мониторинг, волоконно-оптические системы, маркшейдерские и гидрогеологические наблюдения, беспилотные летательные аппараты

Журнал "Горная Промышленность"№3 (145) 2019, стр.15–19