Р.И. Исмагилов1, А.В. Козуб2, Б.П. Бадтиев1, А.А. Павлович3 1 ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ», г. Москва, Российская Федерация 2 ПАО «Михайловский ГОК», г. Железногорск, Российская Федерация 3 Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация Горная Промышленность №1 / 2020 стр. 120-126
Резюме: В настоящий момент требования к организации мониторинга безопасности прибортового массива на участках расположения ответственного сооружения регламентируется документами, которые не позволяют в полной мере учитывать современное состояние приборной базы и потребностей горного производства. В связи с чем организация мониторинга может осуществляться только с привлечением научных и специализированных организаций. Каждое месторождение имеет свои отличительные особенности, и поэтому для своевременной интерпретации наблюдений необходимо контролировать параметры, которые наиболее полно позволяют охарактеризовать состояние устойчивости откосов. Применение только одного метода наблюдений может быть недостаточным. В связи с чем появляется необходимость в создании комплексной системы мониторинга. На Южном карьере Михайловского ГОКа для уточнения видов мониторинга и особенностей конструкции наблюдательных станций на участке строительства конвейерного комплекса был произведен анализ инженерно-геологических, гидрогеологических условий и проведены расчеты устойчивости прибортового массива методами предельного равновесия и численное моделирование методом конечных элементов с учетом изменчивости физико-механических свойств горных пород. После проведенных предварительных исследований на восточном борту Южного карьера Михайловского ГОКа, на участке строительства крутонаклонного конвейера и погрузочно-складского комплекса была внедрена система мониторинга, включающая в себя визуальные и инструментальные наблюдения. В состав инструментальных наблюдений входят маркшейдерские, гидрогеологические и магнитометрические измерения. Для каждого вида наблюдений разработаны критерии безопасности. В статье также описаны результаты тестирования радара и показаны сложности его использования при наличии конвейера и железнодорожных путей. Предложены дальнейшие пути по развитию комплексной системы мониторинга.
Ключевые слова: крутонаклонный конвейер, погрузочно-складской комплекс, метод предельного равновесия, численное моделирование, магнитометрические измерения, критерии безопасности, георадар Благодарности: В работе принимали участие А.М. Шепель, А.С. Сидоренко.
Для цитирования: Исмагилов Р.И., Козуб А.В., Бадтиев Б.П., Павлович А.А. Внедрение мониторинга безопасности на участке строительства крутонаклонного конвейерного комплекса на южном карьере Михайловского ГОКа. Горная промышленность. 2020;(1):120-126. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-1-120-126.
Информацияостатье
Поступила в редакцию: 19.12.2019
Поступила после рецензирования: 16.01.2020
Принята к публикации: 21.01.2020
Информацияобавторах
Исмагилов Ринат Иршатович – директор департамента горнорудного производства ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: r.ismagilov@ metalloinvest.com.
Для оценки принятых на стадии проектирования исходных данных и геомеханических моделей в нормативных и методических документах указывается на необходимость проведения наблюдений за устойчивостью откосов как на стадии строительства, так и эксплуатации*.
Стоит отметить, что, руководствуясь данными документами, фактически в качестве основного инструментального метода используются только маркшейдерские наблюдения. Однако маркшейдерские измерения позволяют контролировать преимущественно только состояние поверхности откосов (берм). В то время как на скрытых стадиях развития деформаций основные сдвижения наблюдаются в массиве. Причем их инициировать могут и внешние воздействия, контроль которых также следует осуществлять.
В связи с этим для создания надежной системы своевременного предупреждения об опасности необходимо контролировать параметры, которые наиболее полно позволяют охарактеризовать состояние устойчивости откосов. Применение только одного метода наблюдений может быть недостаточным. В связи с чем появляется необходимость в создании комплексной системы мониторинга. Причем для реализации системы своевременного предупреждения необходимо разработать критерии безопасности, в зависимости от которых принимаются те или иные действия и решения.
На гидротехнических сооружениях и на зарубежных карьерах, в отличие от российских предприятий, * Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1971; Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. Л.: ВНИМИ, 1987.
такой подход находит все большее применение [1–6]. Однако при строительстве на прибортовом массиве ответственных сооружений повышаются требования к обеспечению безопасности и, соответственно, имеется необходимость в разработке и внедрении системы мониторинга, учитывающей инженерно-геологические, гидрогеологические и горнотехнические особенности месторождения.
ОбщиесведенияоМихайловскомГОКе
Для повышения технико-экономических показателей ПАО «Михайловский ГОК» управляющей компаний «МЕТАЛЛОИНВЕСТ» принято решение о строительстве в Южном карьере дробильно-конвейерного комплекса с производительностью порядка 15 млн т руды в год. Ввод ДКК позволит без участия дополнительного транспорта осуществлять доставку руды с нижних горизонтов на поверхность.
В состав ДКК входит дробильно-перегрузочная установка, конвейер промежуточный, крутонаклонный конвейер (далее КНК), погрузочно-складской комплекс (далее ПСК).
Одним из основных конструктивных решений является размещение основного конвейера под углом 37º на временно нерабочем борту. Высота подъема руды составит 215 м.
Для обеспечения подъема руды предполагается использовать конвейер с двумя замкнутыми лентами: нижняя грузонесущая и верхняя прижимная, рабочая ветвь которой прижимает транспортируемую горную массу к рабочей ветви грузонесущей ленты.
В настоящий момент происходит строительство крутонаклонного конвейера (рис. 1).
Рис. 1 Строительство крутонаклонного конвейераFig. 1 Construction of a steep inclined conveyer
При расположении столь ответственного сооружения на борту карьера предъявляются весьма высокие требования к обеспечению безопасности ведения горных работ и созданию мониторинга устойчивости откосов. Эффективный мониторинг должен обеспечивать получение актуальной и объективной информации о наблюдаемых процессах, а перечень контролируемых показателей должен быть достаточен для интерпретации проводимых измерений. В связи с этим в районе КНК и на прилегающих к нему участках в настоящий момент внедряется комплексная система мониторинга устойчивости восточного борта Южного карьера.
Восточный борт Южного карьера характеризуется сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. В геологическом и гидрогеологическом строении восточного борта Южного карьера ПАО «Михайловский ГОК» выделяются два резко различных структурных этажа – верхний и нижний. В нижней части борта залегают отложения кристаллического фундамента, представленные метаморфическими отложениями нижнего протерозоя с малым коэффициентом фильтрации. К данным породам приурочен архейско протерозойский водоносный комплекс. В зоне влияния буровзрывных работ проницаемость существенно возрастает в связи с наличием техногенной трещиноватости.
Верхний структурный этаж сложен отложениями фанерозойского осадочного чехла и представлен (снизу вверх) среднедевонским водоносным комплексом, батским водоносным горизонтом, келловейским водоупорным горизонтом и надкелловейским водоносным комплексом.
Рис. 2 Геологический разрез участка борта карьера с отображенными на нём наблюдательными реперами (Рп.), магнитометрическими (Скв. 3 м и 4 м) и гидрогеологическими скважинами (5Д, 6Д, 7Д) Fig. 2 Geological profile of the open pit wall with indicated observational benchmarks (Rp.), magnetometric (Bh. 3 m and 4 m) and hydrogeological boreholes (5D, 6D, 7В)
Осадочный массив пригружен разрыхленными окисленными кварцитами мощностью до 45–50 м (рис. 2). Таким образом, основанием конвейера и склада являются горные породы с контрастными прочностными и деформационными свойствами, деформирование которых может осуществляться по принципиально разным механизмам. Фактически четыре опоры конвейерного става располагаются в породах протерозоя и пять опор на участке борта, пригруженного окисленными кварцитами.
РасчетустойчивостивосточногобортаЮжногокарьера
Условия восточного борта Южного карьера сложные. В связи с этим перед разработкой системы мониторинга были осуществлены расчеты устойчивости откосов методами предельного равновесия и методом конечных элементов в программе RS2 компании Rocscience с учетом вариации физико-механических свойств глинистых отложений.
Перед проведением численного моделирования модель прибортового массива тарировалась на основании результатов маркшейдерских измерений.
По результатам выполненных расчетов выявлялись основные особенности деформирования откосов: возможный механизм разрушения, зоны сдвижения и участки концентрации напряжений. Причем данные параметры определялись с учетом изменчивости физико-механических свойств горных пород с целью выявления наиболее опасных участков в разрезе (рис. 3).
Рис. 3 Расчет устойчивости борта карьера методом конечных элементов с учетом вариации физико-механических свойств горных пород
Fig. 3 Calculation of the open pit wall stability using the finite elements method with account for variation of physical and mechanical properties of rocks
Расчеты устойчивости восточного борта карьера показали следующее:
1. Возможное проявление деформаций на поверхности будет осуществляться приблизительно на одном и том же участке, что предопределяется геометрией уступов, подстилающих массивную пригрузку.
2. В зависимости от прочностных свойств келловейских отложений разрушение будет осуществляться непосредственно по самой породе, либо по контакту глины–окисленные кварциты.
3. В случае деформирования борта карьера по осадочным породам в нижней части откоса будет наблюдаться выпирание.
Таким образом, анализ инженерно-геологических и гидрогеологических условий, а также результаты расчетов позволили выбрать участки наблюдений и перечень необходимых для этого методов мониторинга.
Комплекснаясистемамониторинга
На совместном совещании со специалистами ПАО «Михайловский ГОК», ООО УК «Металлоинвест», СанктПетербургского горного университета и ОАО «ВИОГЕМ» было принято решение о создании комплексной системы мониторинга.
В состав данной системы вошли следующие виды мониторинга:
1. Визуальные наблюдения.
2. Маркшейдерские наблюдения. Точечный контроль по профильным линиям, по которым проводились расчеты устойчивости откосов.
3. Гидрогеологические наблюдения. Контроль уровенного режима водоносных горизонтов.
4. Магнитометрические наблюдения. Глубинный мониторинг сдвижения горных пород и разрыхленных окисленных кварцитов.
Визуальныенаблюдения
Данный вид наблюдений является весьма важной составляющей общей системы мониторинга и обеспечения безопасности ведения горных работ. Визуальные наблюдения позволяют контролировать проявления и показатели, за которыми не организован инструментальный мониторинг. Данные наблюдения осуществляют все специалисты, работающие на предприятии, в особенности те, кто находится на прилегающем и/или на самом участке, или с использованием беспилотного летательного аппарата [7].
Маркшейдерскиенаблюдения
На прилегающей к КНК территории в разрыхленных кварцитах оборудована наблюдательная станция из 46 поверхностных реперов: 5 перпендикулярных борту профильных линии и одна продольная линия вдоль бровки на верхней площадке.
Наблюдения проводятся с использованием глобальных навигационных спутниковых систем методом «Быстрая статика». Координирование реперов производится от базового спутникового приемника, установленного на здании управления.
Гидрогеологическиенаблюдения
Для оценки устойчивости восточного борта карьера была создана геофильтрационная модель участка с использованием программного комплекса Visual ModFlow, который реализует блочно-центрированный балансовый метод конечных разностей [8]. Для ее калибровки, а также для контроля уровенного режима во всех водоносных горизонтах вдоль конвейера и на прилегающей к нему территории были пробурены скважины для проведения гидрогеологических наблюдений. В настоящий момент мониторинг осуществляется по 10 гидронаблюдательным скважинам, оборудованным 20 датчиками гидростатического давления.
Влияние колебаний атмосферного давления на показания датчиков осуществляется автоматизированно по данным бародатчиков. Влияние осадков осуществляется в ручном режиме на этапе интерпретации данных на основании данных по метеостанции.
Магнитометрическиенаблюдения
Данные наблюдения проводятся силами ОАО «ВИОГЕМ». Для проведения глубинных магнитометрических измерений были пробурены четыре скважины, которые обсаживались стальными трубами. Внутрь скважин устанавливаются магнитоупругие реперы через равные интервалы. Принцип действия реперов основан на изменении магнитной индукции репера под воздействием приложенных к нему сил. Реперы отличаются высокой чувствительностью и точностью замеров. Установка реперов на всю длину скважины позволяет отслеживать изменения индукции и, соответственно, проявления деформационной активности на конкретных глубинах. Пример графического отображения результатов магнитометрических измерений, обрабатываемых специалистами Санкт-Петербургского горного университета, приведен на рис. 4.
Рис. 4 Изоплета относительных приведенных изменений индукции по скважинеFig. 4 Isopleth curve of the relative adjusted induction changes along the borehole
На рис. 4 видно, что в начальный период измерений изменение магнитной индукции связано с обжатием трубы и затем, в приповерхностной части, с горными работами. Величины магнитной индукции незначительные, что говорит об отсутствии четко выраженных глубинных деформационных процессов в прибортовом массиве.
Критериибезопасности
Основной целью проведения мониторинга устойчивости откосов является оценка их устойчивости. Однако напрямую измерить устойчивость не представляется возможным. В связи с этим оценку устойчивости откосов осуществляют на основании измерений и оценки контролируемых показателей (параметров), состав которых может меняться в зависимости от инженерно-геологических и горнотехнических условий рассматриваемого объекта.
Наиболее значимые для сооружения контролируемые показатели называют диагностическими показателями. На основании сопоставления диагностических показателей с критическими значениями осуществляется оценка устойчивости откосов.
Сложность выбора критериев безопасности заключается в том, что в настоящий момент ни в одном нормативном или методическом документе не предложена методика оценки состояния устойчивости откосов. Поэтому чаще всего анализ результатов наблюдений осуществляется на основании опыта или оценки стабильности измеряемых показателей.
Для условий восточного борта Южного карьера специалистами Горного университета на основании анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий, результатов наблюдений на участке ПСК и КНК, а также с учетом требований методических и нормативных документов были разработаны критерии безопасности.
В зависимости от величин коэффициентов запаса были выделены четыре критерия безопасности (рис. 5).
Каждому критерию безопасности были присвоены диагностические показатели, их критические значения и рекомендации по ведению горных работ в зависимости от результатов измеренных величин. Основной особенностью в выборе диагностических показателей являлись четкость и однозначность, а количественная величина показателя должна была превосходить погрешность измерительной системы не менее чем в 3 раза.
Перспективыразвитиямониторингабезопасности
Внедряемые на сегодняшний день для контроля устойчивости откосов в районе строительства КНК и ПСК методы являются точечными и не позволяют в полной мере производить мониторинг всей поверхности прибортового массива, а измерения проводятся периодически.
В связи с этим для повышения качества контроля над деформациями в летний период производилось тестирование наземного интерферометрического георадара IBIS-FM компании ООО «ГЕКСАГОН ГЕОСИСТЕМС РУС». Георадар позволяет производить контроль сдвижения всей поверхности прибортового массива с субмиллиметровой точностью вне зависимости от времени суток и погодных условий в режиме реального времени [9]. Георадар показал себя качественным инструментом, который может дополнить внедряемую систему мониторинга. Но в ходе тестирования радара были выявлены и недостатки, в частности, повышенный шум в районе расположения железнодорожных путей и конвейерного комплекса. Шумы не позволяют однозначно интерпретировать смещения в районе расположения данных конструкций.
Заключение
На восточном борту Южного карьера на участке расположения погрузочно-складского комплекса и вдоль крутонаклонного конвейера внедрена комплексная система мониторинга, включающая в себя контроль всех наиболее важных показателей, которые могут позволить оценить состояние устойчивости прибортового массива как на этапе строительных работ, так и на этапе эксплуатации.
Однако стоит отметить, что созданная система мониторинга не является стационарной. Каждая система требует постепенного развития и поддержания. Уже сейчас видны перспективы дальнейшего развития комплексной системы мониторинга:
1. Обеспечить автоматизацию сбора данных;
2. Организовать централизованную систематизацию всех получаемых данных и их хранение на специально отведенном сервере с доступом к нему различных специалистов;
3. Внедрить систему оповещения по результатам предварительного анализа наблюдений;
4. Разработать предложения по осуществлению мониторинга за железобетонными конструкциями, расположенными на участке склада, а также за крутонаклонным конвейером;
5. Внедрение в систему мониторинга методов сплошного покрытия откосов в режиме 24/7.
Стоит отметить, что для повышения качества внедряемых систем мониторинга устойчивости откосов, необходимо обновить существующие нормативные и методические документы и легализовать возможность применения современных методов наблюдений.
Списоклитературы
1. Бахаева С.П., Простов С.М. Комплексный мониторинг техногенных грунтовых массивов угольных разрезов. Безопасность труда в промышленности. 2011;(4):20–24.
2. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Васильева А.Д. Обоснование устойчивости внешних отвалов Кузбасса и мониторинг их состояния. Горный информационно-аналитический бюллетень 2019;(4):109–120. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-109-120.
3. Рид Д., Стейси П. (ред.) Руководство по проектированию бортов карьеров. Екатеринбург: Правовед; 2015.
4. Гальперин А. М., Пуневский С.А., Ческидов В.В., Петряков А.М. Совершенствование мониторинга техногенных массивов горных предприятий с применением дистанционных методов. В: Сергеевские чтения. Юбилейная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения академика Е.М. Сергеева. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, г. Москва, 21 марта 2014 г. М.: Российский университет дружбы народов; 2014. С. 533–538.
6. Hawley M., Cunning J. (eds) Guidelines for mine waste dump and stockpile design. CSIRO Publishing; 2017.
7. Кретов С.И., Исмагилов Р.И., Бадтиев Б.П., Шарковский Д.О., Павлович А.А., Свириденко А.С. Организация комплексного мониторинга устойчивости внешних отвалов, сложенных породами с низкой несущей способностью, на слабом основании в условиях ПАО «Михайловского ГОК». Горная промышленность. 2019;(3):15–19. DOI: 10.30686/1609-9192-2019-3-145-15-19.
8. Aphu Elvis Selase, Brantson Eric Thompson, Addo Bright Junior, Akunda Doreen. Development of Finite Difference Explicit and Implicit Numerical Reservoir Simulator for Modelling Single Phase Flow in Porous Media. Earth Sciences. 2018;7(6):242–259. DOI: 10.11648/j.earth.20180706.11.
9. Розанов И.Ю. Завьялов А.А. Применение радара IBIS-FM для контроля состояния борта карьера рудника «Железный» (АО «Ковдорский ГОК»). Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(7):40–46. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-7-0-40-46.
Резюме: В настоящий момент требования к организации мониторинга безопасности прибортового массива на участках расположения ответственного сооружения регламентируется документами, которые не позволяют в полной мере учитывать современное состояние приборной базы и потребностей горного производства. В связи с чем организация мониторинга может осуществляться только с привлечением научных и специализированных организаций. Каждое месторождение имеет свои отличительные особенности, и поэтому для своевременной интерпретации наблюдений необходимо контролировать параметры, которые наиболее полно позволяют охарактеризовать состояние устойчивости откосов. Применение только одного метода наблюдений может быть недостаточным. В связи с чем появляется необходимость в создании комплексной системы мониторинга. На Южном карьере Михайловского ГОКа для уточнения видов мониторинга и особенностей конструкции наблюдательных станций на участке строительства конвейерного комплекса был произведен анализ инженерно-геологических, гидрогеологических условий и проведены расчеты устойчивости прибортового массива методами предельного равновесия и численное моделирование методом конечных элементов с учетом изменчивости физико-механических свойств горных пород. После проведенных предварительных исследований на восточном борту Южного карьера Михайловского ГОКа, на участке строительства крутонаклонного конвейера и погрузочно-складского комплекса была внедрена система мониторинга, включающая в себя визуальные и инструментальные наблюдения. В состав инструментальных наблюдений входят маркшейдерские, гидрогеологические и магнитометрические измерения. Для каждого вида наблюдений разработаны критерии безопасности. В статье также описаны результаты тестирования радара и показаны сложности его использования при наличии конвейера и железнодорожных путей. Предложены дальнейшие пути по развитию комплексной системы мониторинга.
