CC BY
2
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2023;(9):5-21 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.12 DOI: 10.25018/0236_1493_2023_9_0_5
АНАЛИЗ РИСКА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ
И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДЛЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ «ОТВАЛ - ОСНОВАНИЕ»
Е.В. Ананенко1, С.П. Бахаева1
1 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: Опыт эксплуатации отвалов, инструментальные маркшейдерские наблюдения, исследование причин деформаций отвалов показывают, что нарушение устойчивости отвалов большей частью связано с влиянием гидрогеологических факторов. Своевременное обнаружение деструктивных процессов возможно за счет разработки алгоритма системы маркшейдерского мониторинга, установления качественных и количественных критериев безопасности. На основании экспериментальных наблюдений для внешнего отвала, расположенного на наклонном слоистом основании, осложненном руслами водотоков, приведены все возможные причины деформаций сооружения. Выполнены количественная (вероятность обрушения) и качественная (тяжесть последствий) оценка риска развития деформаций. С помощью матрицы рисков «частота - тяжесть последствий» установлен максимальный уровень риска развития деформаций. По результатам оценки риска предложена оптимальная конструкция наблюдательной станции, которая обеспечивает контроль наиболее уязвимых участков объекта при минимальном числе рабочих реперов. Предложены наиболее приемлемые по точности и материальным затратам методы и средства для определения пространственного положения рабочих реперов для рассматриваемых условий. Выполнена оценка погрешностей определения смещения рабочих реперов наблюдательной станции. Разработана методика наблюдений и введены два уровня критериальных значений диагностических показателей состояния природно-технической системы «отвал - основание».
Ключевые слова: природно-техническая система «отвал - основание», причины деформаций отвалов, анализ риска, вероятность обрушения, геомеханический мониторинг, конструкция наблюдательной станции, ожидаемая погрешность смещения, критерии безопасности.
Для цитирования: Ананенко Е. В., Бахаева С. П. Анализ риска развития деформаций и геомеханический мониторинг для природно-технических систем «отвал - основание» // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2023. - № 9. - С. 5-21. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_9_0_5.
Deformation risk analysis and geomechanical monitoring for the natural-technical system of a spoil dump and its foundation
E.V. Ananenko1, S.P. Bakhaeva1
1 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russia, e-mail: [email protected]
© Е.В. Ананенко, С.П. Бахаева. 2023.
Abstract: The operating experience of spoil dumps, their surveying and the analysis of dump deformation causes shows that instability of dumps is mostly connected with the factors of hy-drogeology. The timely detection of destructive processes is possible using a monitoring survey algorithm and the found qualitative and quantitative criteria of safety. From the experimental observations over an external spoil dump arranged on an inclined and bedded foundation complicated with water flow channels, all possible causes of the dump deformations are described. The quantitative (failure probability) and qualitative (after-effect severity) estimates of deformation risk are obtained. Using the frequency-after-effect severity risk matrix, the maximal deformation risk level is found. Based on the risk estimates, the optimized design of an observation station is proposed, which ensures control over the most vulnerable sites of a test object at the minimum number of check points. The best acceptable methods and tools for positioning check points in terms of their accuracy and material inputs are proposed for the test conditions. The displacement determination errors are estimated for the check points of the observation station. The observation procedure is developed, and two levels of criterial values are introduced for the diagnostic indicators of the natural-technical system of a dump and its foundation. Key words: natural-technical foundation-dump system, dump deformation causes, risk analysis, failure probability, geomechanical monitoring, observation station design, expected displacement error, safety criterion.
For citation: Ananenko E. V., Bakhaeva S. P. Deformation risk analysis and geomechanical monitoring for the natural-technical system of a spoil dump and its foundation. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2023;(9):5-21. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_9_0_5.
Введение
Практика эксплуатации отвалов, инструментальные маркшейдерские наблюдения и расследование причин деформаций отвалов показывают, что нарушения устойчивости связаны с действием многих факторов: 32% деформаций отвалов произошли при их формировании на слабом основании, 25% — из-за неправильной технологии подготовки основания и порядка формирования отвалов, 23% — при наличии логов, водоразделов на площадке под отвал и наклонного основания, 15% — вследствие гидрогеологических факторов (возникновение техногенных водоносных горизонтов и порового давления в основании либо теле отвала) и 5% — другие (природная и техногенная сейсмика, нагрузки от оборудования) [1, 2].
Отсутствие четких требований к конструкции наблюдательных станций и ме-
тодике наблюдений, а также критериев устойчивости откосов отвалов зачастую приводит к тому, что наблюдения на отвалах не проводятся либо проводятся неверно из-за расположения реперов в местах, где вероятность возникновения смещений чрезвычайно мала.
Инструментальные наблюдения деформаций природно-технических систем (ПТС) «отвал — основание» требуют значительных временных и материальных затрат, поэтому важно выделить наиболее уязвимые участки этих сооружений.
На реальном объекте показан алгоритм проектирования наблюдательной станции. Приведена оценка риска возникновения деформаций, обоснование конструкции наблюдательной станции и критериев безопасности для ПТС «отвал — основание», методика наблюдений и оценка состояния сооружения на определенном этапе жизненного цикла
путем сравнения фактических результатов наблюдений с критериальными показателями.
Краткая информация
о сооружении
Формирование внешнего отвала «Ю» происходило на наклонное (от 0 до 16°) слоистое основание. В литологическом строении основания отвала выделено 13 инженерно-геологических элементов: глины и суглинки различной консистенции; супесь; галечниковые и гравийные грунты с суглинистым и супесчаным заполнителем. Высота отвала «Ю» до деформации достигала 190 м при результирующем угле 12°. Вскрышные породы в теле отвала представлены алевролитами, аргиллитами и песчаниками на глинистом цементе. Процентное соотношение литологических разностей в отвале полускальные/глинистые породы составляло 90/10%.
Отвал располагается в районе 4 водосборов. По результатам инженерных изысканий в гидрогеологическом строении выделено два водоносных горизонта: в техногенных отложениях, вскрыт на глубине 14,5 — 69 м; в элювиальных отложениях, вскрыт на глубине 8,8 м. Питание водоносных горизонтов происходило за счет инфильтрации атмосферных осадков.
Первая деформация отвала «Ю» произошла в июне 2021 г. Деформация затронула горизонты +190 + +230 м. Размеры видимой зоны деформации составили: площадь оползня — 48 тыс. м2, длина оползня — 170 м. За контуром видимой зоны нарушения были установлены реперы наблюдательной станции (см. рис. 1). До возникновения смещения массива отвальных пород наблюдалось высачива-ние подземных вод на отметке +200 м.
Анализом результатов инструментальных маркшейдерских наблюдений установлено, что движение отвала про-
исходило постоянно, в деформацию вовлекались новые горизонты, скорость смещения отвальной массы за счет кинетической энергии увеличивалась, границы опасной зоны расширялись. При увеличении зоны деформации произошло нарушение целостности группы ярусов от гор. +100 до гор. +240 м. Площадь зоны деформации составила около 917 тыс. м2, протяженность сети трещин вдоль верхней бровки отвала — 380 м, глубина развития трещин в приоткосной части отвала достигла 60 м. Впоследствии скорость смещений реперов снизилась и составляла порядка 4 мм/сут, что свидетельствовало о достижении состояния равновесия оползающей отвальной массы и окончании активной стадии деформирования отвала «Ю».
Причиной произошедшей деформации отвала «Ю» явилось одновременное влияние нескольких неблагоприятных факторов:
• размещение отвала в логовых частях рельефа с крутыми асимметричными склонами;
• накопление большого количества воды в теле отвала от атмосферных осадков и таяния снега из-за отсутствия дренажных мероприятий;
• изменение свойств пород основания отвала, находящихся длительное время в водонасыщенном состоянии, и рост порового давления в основании отвала, сложенного водоупорными породами, под воздействием больших нагрузок от вышележащих пород.
Анализ риска
развития деформаций
До возобновления работ на участке произошедшей деформации внешнего отвала «Ю» необходимо произвести оценку риска развития деформаций, выявить наиболее напряженные участки и оценить вероятность возникновения последующих деформаций [3, 4].
Рис. 1. План внешнего отвала «Ю» после деформации Fig. 1. The plan of the outside dump «Yu» after deformation
Основная цель анализа риска развития деформаций — установление степени опасности возникновения деформаций внешнего отвала и/или ярусов для предотвращения угрозы причинения вреда жизни и здоровью людей, окружающей природной среде, имуществу третьих лиц [5], разработка, плановая реализация и своевременная корректировка обосно-
ванных рекомендаций по снижению риска развития деформаций и (или) мероприятий, направленных на снижение масштаба последствий деформаций и размера ущерба, нанесенного в случае деформации сооружения [Руководство по безопасности «Методические основы анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объек-
тах» (утверждено приказом от 03.11.2022 № 387)].
Выявление причин деформаций ПТС «отвал — основание» — это определение всех возможных неблагоприятных процессов и событий, которые могут спровоцировать нарушение устойчивости сооружения.
На этапе выявления причинно-следственных связей деформаций ПТС «отвал — основание» [6, 7]:
• определялись источники возникновения деформаций;
• проводилось разделение сооружения на составные части для анализа риска развития деформаций на локальных участках;
• выделялись характерные причины возникновения деформаций сооружения;
• определялись основные (типовые) сценарии развития деформаций соору-
жения с их предварительной оценкой и ранжированием с учетом последствий и вероятностей.
Идентификация соответствующих источников опасности выполнялась с учетом анализа фактического положения внешнего отвала «Ю», инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, проектной документации, заключений и отчетов организаций, специализированных в области геомеханики открытых горных работ.
Опасности, способные инициировать развитие деформаций внешнего отвала «Ю», подразделялись на природные и техногенные.
К природным относили ветровые и сейсмические нагрузки, атмосферные осадки, характер дождей, мощность снегового покрова и продолжительность его таяния, температурный режим района,
Причины деформаций природно-технической системы "отвал-основание"
Фактические
физико-механические характеристики отвальной массы оказались хуже принятых при
расчетах устойчивости
Нарушение технологии эксплуатации
Ошибки при инженерных изысканиях и/или лабораторных исследованиях
Изменение прочностных характеристик
в период эксплутации
Фактические
физико-механические характеристики грунтов основания оказались хуже принятых при
расчетах устойчивости
Изменение прочностных характеристик
в период эксплутации
Сейсмические нагрузки
Нагрузка горнотранспортного
оборудования больше расчетной
Природные (землятресения)
Ошибки при инженерных изысканиях и/или лабораторных исследованиях
Техногенные (взрывы)
Использование оборудования с большей удельной нагрузкой, чем при расчетах
Несоблюдение ширины бермы безопасности
Рис. 2. Причинно-следственные связи деформации отвала Fig. 2. Causal relationship of the dump deformation
Подъем уровня воды в основании и/или теле отвала
ZZI
Сверхрасчетное количество осадков
Отсутствие
или неэффективность дренажных мероприятий
глубину сезонного промерзания и оттаивания пород; к техногенным — массовые взрывы в зоне ведения открытых горных работ, расположенных вблизи внешнего отвала.
При анализе риска развития деформаций учитывался также человеческий фактор: ошибки изысканий, проектирования и эксплуатации внешнего отвала «Ю», неправильные действия или бездействие персонала в аварийных ситуациях (рис. 2).
Для представленных причин развития деформаций проведена количественная и качественная оценка риска развития деформаций ПТС «отвал — основание».
Количественная оценка, при вероятностном расчете устойчивости, включала следующие этапы [8]:
• разработку геомеханической модели сооружения;
• подбор вероятностно-статистических моделей, наиболее адекватно отражающих характерные особенности развития деформационных процессов и учитывающих строение ПТС «отвал — основание»;
• оценку вероятности реализации прогноза деформационных процессов (расчетный коэффициент устойчивости п < 1,0) при различных траекториях развития событий [9].
Вероятностная оценка устойчивости ПТС «отвал — основание» выполнена в специализированной программе Slide2 [10].
Согласно ФНиП «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и откосов отвалов» геомеханический риск развития деформаций оценивался по формуле
Р = ВО х ТП, (1)
где ВО — вероятность оползня откоса отвала; ТП — тяжесть последствий.
Качественная оценка вероятности оползня и тяжести последствий основывалась на выборе категории вероятности возникновения деформации [11].
С целью определения потенциально опасных элементов анализируемого сооружения с точки зрения развития деформаций выполнялось ранжирование основных сценариев по уровню опасности для персонала [12], населения, иму-
Таблица 1
Матрица рисков Risk matrices
Категория Оценка вероятности риска Последствия
незначительные низкие средние высокие чрезвычайные
качественная количественная 1 2 3 4 5
А весьма высокая >40% средний высокий высокий очень высокий очень высокий
B высокая 20-40% низкий средний высокий высокий очень высокий
C средняя 10-20% низкий низкий средний высокий очень высокий
D низкая 1-10% очень низкий низкий средний высокий очень высокий
E очень низкая <1% очень низкий низкий средний средний высокий
Физико-механические характеристики пород
Physical and mechanical characteristics of the dump mass and the base of the dump
Тип пород Сцепление, кПА Угол внутреннего трения,град Плотность, г/см3 Примечания
Отвальная масса 78,7 13 2,12 по результатам лабораторных испытании
Основание отвала 15,0 16 1,80
щества и окружающей природном среды [13 — 15] с использованием матрицы «частота — тяжесть последствий», приведенной в табл. 1 [Методические указания по оценке рисков развития деформаций, мониторингу и управлению устойчивостью бортов и уступов, карьеров, разрезов и откосов отвалов. ИПКОН РАН, 2022].
Рассмотрим вероятность нарушения устойчивости внешнего отвала «Ю» (событие 1 — фактические физико-механические характеристики отвальной массы оказались хуже принятых при расчетах устойчивости) по сечению А-А.
В качестве расчетной модели использовались наиболее часто встречающий-
ся закон распределения — нормальный, и метод статистического моделирования Монте-Карло [16].
Физико-механические характеристики, используемые для оценки риска развития деформаций, приведены в табл. 2 и на рис. 3 (в левом верхнем углу).
Оценка вероятности реализации прогноза риска развития деформаций для геомеханической модели внешнего отвала «Ю» (рис. 3) проведена в автоматизированном режиме в программном комплексе Slide2 с использованием трех расчетных методов Бишопа, Спенсера и Моргенштерна-Прайса [17] для поверхности скольжения с наименьшим расчетным коэффициентом устойчивости.
Наименование материала Цвет Удельный вес, кН/м3 Сцепление, кПа Угол внутреннего трения, град.
Отвальная масса 21,2 78,7 13
Основание ■ 18 15 16
Deterministic Global Minimum FS (deterministic) = 1.013 FS (mean) = 1.013 PF = 9.200% RI (normal) = 1.360 RI (lognormal) = 1.364
FS (deterministic) - коэффициент устойчивости при детерминистическом расчете
FS (mean) - коэффициент устойчивости при вероятностном расчете PF - вероятность обрушения
Рис. 3. Схема к оценке вероятности реализации деформационных процессов ПТС «отвал — основание» по сценарию 1
Fig. 3. Scheme to the probability estimation of the implementation of deformation processes of the natural and technical «dump-base» systems according to scenario 1
Уровень риска развития деформаций природно-технической системы «отвал - основание»
Level of deformation development risk for the natural-technical «dump-base» system
Сценарий Вероятность обрушения Тяжесть последствий Уровень риска
1. Физико-механические характеристики отвальной массы оказались хуже принятых при расчетах низкая (9,2%) средняя D3 средний
2. Физико-механические характеристики грунтов основания оказались хуже принятых при расчетах высокая (34,8%) средняя В3 высокий
3. Нагрузка горнотранспортного оборудования больше расчетной высокая (26,5%) средняя В3 высокий
4. Подъем уровня воды в основании/теле отвала очень высокая (42,7%) средняя В3 высокий
По результатам многочисленных расчетов точка пересечения накопленной вероятности с абсциссой, соответствующей коэффициенту устойчивости п = 1,0 на графике кумуляты, соответствует вероятности возникновения деформации - 0,092 (рис. 4) [18, 19].
По аналогии с приведенным выше алгоритмом проведены вероятностные расчеты устойчивости для множества сечений по всем возможным сценариям [20]. Результаты расчетов для наихудшего, с точки зрения устойчивости, сечения приведены в табл. 3.
На основе количественной оценки вероятности обрушения ПТС «отвал — основание» и экспертной оценки, выполненной геомеханиками, по матрице рисков (см. табл. 1) установлен уровень геомеханического риска для каждого сценария развития деформации сооружения (табл. 3).
Максимальный уровень риска развития деформаций ПТС «отвал — основание» прогнозируется как «высокий» — В3 при очень высокой степени вероятности возникновения по сценарию: подъем уровня воды в основании или теле отвала.
Рис. 4. Накопленная вероятность (кумулята) коэффициента устойчивости внешнего отвала «Ю» по сечению А-А (сценарий 1)
Fig. 4. Accumulated probability (cumulative) of factor of safety for the outside dump «Yu» in section A-A (scenario 1)
Необходимые меры реагирования в соответствии с уровнем риска [21]:
• запрет на эксплуатацию деформированного участка внешнего отвала;
• разработка оперативных мероприятий по снижению риска до приемлемого уровня — разработка технических мероприятий по снижению уровня воды в теле и основании отвала;
• организация геомеханического мониторинга;
• возобновление работ на отвале при деформациях, не превышающих критериальные показатели по решению технического руководителя организации.
Геомеханический мониторинг
природно-технической системы
«отвал - основание»
Исходя из количественной оценки риска развития деформаций для анализируемого здесь объекта с очень высокой вероятностью обрушения ПТС за счет подъема уровня воды в теле отвала, целесообразно заложить рабочие реперы по руслам водотоков (см. рис. 1), расположенных под отвалом (5 реперов на поверхности оползшей отвальной массы) и в приоткосной части отвала (7 реперов в верхней части отвала «Ю»). При закладке реперов необходимо выдерживать расстояние от верхней бровки яруса отвала или трещины отрыва до рабочего репера не менее 2 м.
Места расположения рабочих реперов выбраны по результатам количественной оценки риска развития деформаций.
Для рассматриваемых условий оптимальным по точности и материальным затратам для определения пространственного положения рабочих реперов на верхних ярусах отвала (Яр1 — Яр7) является метод определения координат с использованием глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Опорные реперы — станции установки базового приемника ГНСС оборудования в коли-
честве 2 штук для обеспечения их сохранности и доступности, закладываются за пределами внешнего отвала.
Для наблюдений за рабочими реперами, расположенными на теле оползня (Rp8 — Rp12), выбран способ наблюдений: в плане — отдельных направлений; по высоте — метод тригонометрического нивелирования [22]. Наблюдения производить с опорных реперов (RpI — RpIII).
На плане (рис. 1) приведены три опорных репера вне зоны деформаций на расстоянии не меньше 20 м друг от друга.
Передачу плановых и высотных координат на рабочие реперы наблюдательной станции осуществляется навигационной аппаратурой потребителя GNSS — спутниковой геодезической аппаратуры PrinCe ¡30 и электронным тахеометром Leica TS06 plus. Расчет погрешностей наиболее слабого рабочего репера выполнялся по формулам, соответствующим выбранному методу наблюдений с учетом технических характеристик оборудования и расположения реперов [23].
Наблюдения спутниковой геодезической аппаратурой необходимо производить в режиме «статика» с точностью дифференциальных фазовых измерений: в плане — 2,5 мм + 0,5 мм/км, по высоте — 5,0 мм + 0,5 мм/км.
Оценка точности определения положения рабочих реперов методом прямой геодезической засечки выполняется по формуле
mxу =Л + S2 , (2) р sin у
где mß — погрешность измерения горизонтального угла, c; р — переводной коэффициент из градусной меры в ради-анную (р = 206 265''); у — вычисленный угол между направлениями на опорные реперы (у = 180° — ß, — ßm), град; 51 и S2 — расстояния от опорного до рабочего репера, мм.
При тригонометрическом нивелировании погрешность определения высот-
Погрешность определения смещения рабочих реперов наблюдательной станции Error in determining the displacement of the benchmark rods of the observation station
Номер репера СКП определения Ожидаемая погрешность определения смещения, мм
координат репера, мм смещения репера, мм
в плане по высоте в плане по высоте в плане по высоте
Rp1 5,2 7,7 7,4 10,9 14,7 21,8
Rp2 5,2 7,65 7,3 10,8 14,6 21,6
Rp3 5,3 7,8 7,5 11,0 15,0 22,1
Rp4 5,6 8,1 7,9 11,5 15,8 22,9
Rp5 5,6 8,1 7,9 11,5 15,8 22,9
Rp6 5,8 8,3 8,1 11,7 16,3 23,3
Rp7 5,7 8,2 8,1 11,6 16,1 23,2
Rp8 3,5 4,9 1,3 1,8 9,9 3,6
Rp9 1,6 2,2 2,1 2,9 4,4 5,9
Rp10 1,9 2,7 3,5 4,9 5,5 9,8
Rp11 2,3 3,3 2,1 3,0 6,5 6,1
Rp12 3,0 4,2 4,0 5,7 8,4 11,3
ной отметки репера зависит от погрешности измерения длины линии mS и угла наклона т8 [24].
Погрешность определения высотной отметки методом тригонометрического нивелирования вычисляется по формуле
mZ =< mstd02 +
2 t-2 mx S
(3)
2 s4
у p cos о
где mS — погрешность линейных измерений на призму или отражающую пленку, мм; mg — погрешность измерения вертикального угла, c; S — расстояние от опорного до рабочего репера, мм.
Результаты расчета погрешности смещения рабочих реперов приведены в табл. 4.
Согласно ГОСТ 24846-2012 и «Методическим указаниям по наблюдению за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости», (ВнИмИ, 1987) для отвалов, на которых завершился процесс уплотнения пород (срок уплотнения отвальной массы один год), средняя
квадратическая погрешность (СКП) определения положения репера не должна превышать: в плане — 15 мм; по высоте — 10 мм.
Согласно нормальному закону распределения случайных погрешностей измерений предельно допустимая погрешность тдоп связана со средней квадрати-ческой погрешностью т выражением
(4)
m = t • m,
доп
где Ь — коэффициент, принимаемый по заданной вероятности (Ь = 2 при вероятности Р = 0,95).
Допустимые погрешности определения смещений рабочих реперов (при доверительной вероятности 0,95), вычисленные по результатам двух серий измерений, составляют [23]:
• по высоте — т.„ . = 2-14 = 28 мм
лг(доп)
(при СКП — тД2 = 10 = 14 мм);
• в плане — . = 2-21 = 42 мм
ЛХ^(доп)
(при СКП — mAXY = 15-72 = 21 мм).
Расчетами установлено, что максимальное значение ожидаемой погрешности определения смещения рабочего репера Rp6 в плане (17 мм) и по высоте (24 мм), обусловленной характеристиками прибора (см. табл. 4), не превышают допустимых погрешностей определения смещений реперов: в плане — 42 мм; по высоте — 28 мм. Следовательно, спутниковая геодезическая аппаратура Prince ¡30 и электронный тахеометр Leica TS06 plus могут использоваться для высокоточных наблюдений за деформациями ПТС «отвал — основание».
Критерии безопасности природно-технической системы «отвал - основание»
Устойчивость отвала обуславливается устойчивостью системы «отвал — основание». Поэтому особенности развития деформаций отвальных массивов зависят от технологии отвалообразова-ния, угла наклона основания, прочностных характеристик (сцепления и угла внутреннего трения) пород отвала и основания [25].
Деформации отвалов, связанные с уплотнением, не представляют опасности для ведения отвалообразования. Опасными являются возникающие со временем и увеличением параметров отвалов сдвиговые деформации при развитии оползней. Для специалиста-маркшейдера, который осуществляет мониторинг отвалов, необходимо уметь разделять деформации на неопасные (уплотнение) и опасные (которые могут привести к разрушениям откосов отвалов) сдвиговые деформации.
Ведение мониторинга предполагает обязательное сравнение полученных результатов с критериями безопасности, которые характеризуют степень риска аварии.
Целесообразно, на наш взгляд, предусмотреть введение двух уровней кри-
териальных значений диагностических показателей состояния ПТС «отвал — основание». При этом первый уровень критериальных значений (К1) является предупреждающим, т.е. это значения диагностических показателей состояния отвала, определяемые, как правило, при основном сочетании нагрузок, при достижении которых устойчивость отвала и несущая способность основания еще соответствуют условиям их нормальной эксплуатации.
Превышение первого уровня критериальных значений диагностических показателей сигнализирует о наступлении потенциально опасного состояния и требует от эксплуатирующей организации принятия соответствующих оперативных мер по приведению сооружения в нормальное состояние.
Второй (предельный) уровень критериальных значений (К2) — значения диагностических показателей состояния ПТС «отвал — основание», при превышении (уменьшении) которых эксплуатация их в проектном режиме недопустима, состояние сооружения может перейти в предаварийное [23].
По отношению к отвалам вскрышных пород первый уровень критериальных значений К1 первоначально контролируется визуальными наблюдениями по качественным критериям безопасности. В случае превышения качественных критериев первого уровня К1 должны быть организованы инструментальные марк-шейдерско-геодезические наблюдения.
Качественные критерии первого уровня К1: появление мелких (до 10 см) механических повреждений (продольных трещин, заколов, осадок). При планировке поверхности отвала бульдозером трещины залечиваются (уменьшается амплитуда раскрытия трещин, величина осадок).
В том случае, когда после планировки площадки трещины увеличиваются,
имеют криволинеиные очертания, окон-туривают часть массива с замыканием на откос, необходимо организовать инструментальный контроль и сравнивать с количественными показателями критериев безопасности.
При формировании отвалов на наклонное основание нужно вести наблюдения за откосной частью, так как она хуже всего уплотнена и здесь может происходить смещение отвальных пород по контакту с поверхностью склона.
Из опыта эксплуатации отвалов, а также инструментальных маркшейдерско-геодезических наблюдений, проводимых в различные годы геомеханиками лаборатории устойчивости бортов карьеров СФ АО ВНИМИ и КузГТУ, при отсыпке на наклонное основание яруса отвала высотой около 20 м установлены величины оседаний пород, при которых не развиваются опасные сдвиговые деформации.
Для отвалов, на которых завершился процесс уплотнения пород (срок стоя-
Диагностический показатель Значения показателей
Кф К « К К < К < К К * К
1. Качественные критерии безопасности
Наличие механических повреждений в приоткосной части отвала КФ мелкие (до 10 см) продольные трещины крупные (больше 10 см) продольные трещины, заколы, просадки трещины большой протяженности с замыканием на откос, вертикальные ступеньки, локальные оползни
2. Действия по итогам анализа результатов натурных наблюдений - организовать визуальные наблюдения заложить наблюдательную станцию убрать оборудование и вывести людей
3. Количественные критерии безопасности
Средняя скорость вектора смещения в вертикальной плоскости за 10 сут с учетом погрешности измерений, мм/сут КФ Кф * 30 ф 30 < Кф < 80 ф Кф £ 80 ф
Характер изменения скорости осадки КФ затухающий равномерный нарастающий
Смещения реперов, полученные из двух серий наблюдений (мм): в плане по высоте Кф К * 42 ф К * 28 ф 42 < К. * 63 ф 28 < К * 42 ф К > 63 ф К > 42 ф
4. Действия по итогам анализа результатов инструментальных наблюдений
Разработка дополнительных мероприятий по стабилизации деформаций - мероприятия не требуются разрабатываются противооползневые мероприятия запрещается ведение горных работ
Таблица 5
Критерии безопасности для оценки природно-технической системы «отвал - основание» Safety criteria to evaluate the natural-technical «dump-base» system
ния отвала более одного года), в качестве первого уровня количественных показателей критериальных значений К1 принимать:
• смещения реперов из двух серий измерений больше значений допустимой погрешности (при доверительной вероятности Р = 0,99, (4)):
в плане — . = 3 • 21 = 63 мм;
ЛХ^(доп) '
по высоте — т.„ . = 3 • 14 = 42 мм;
ЛZ(доп) '
• средняя скорость вектора смещения в вертикальной плоскости за 10 сут — не больше 30 мм/сут;
• равномерный характер скорости смещения в вертикальной плоскости.
В качестве второго уровня количественных показателей критериальных значений К2 принимать:
• смещения в горизонтальной плоскости превышают осадки;
• средняя скорость вектора смещения за 10 сут — больше 80 мм/сут;
• нарастающий характер скорости смещений.
При установлении в результате наблюдений скоростей смещений рабочих реперов, расположенных в прибортовой зоне, более 0,3 мм/сут, периодичность наблюдений назначают в зависимости от скорости деформирования.
При превышении качественных и количественных показателей уровня К2 работы в опасной зоне должны быть прекращены, горное оборудование выведено из опасной зоны, всякое движение по отвалу остановлено.
Критерии безопасности и оценка состояния ПТС «отвал — основание» по результатам натурных наблюдений, а также рекомендации по предотвращению опасных деформаций приведены в табл. 5.
Конструкция реперов
наблюдательной станции
Из-за опасности проведения буровых работ и высокой вероятности уничтожения реперов в приоткосной зоне верхнего яруса отвала в качестве рабочих реперов (Яр1 — Яр7) использовались забивные реперы. В практике хорошо зарекомендовали себя металлические уголки либо металлические стержни. Длину забивных реперов принимают в зависимости от плотности грунта и глубины промерзания (оттаивания) пород от 1200 до 1500 мм.
С целью сохранения реперов для долговременных наблюдений за состоянием языков оползня отвала (Яр8 — Яр12), с учетом мягкопластичного и текуче-
1 - резьба для установки ровера
или отражателя
2 - металлический стержень
3 - бетон
4 - песок
Рис. 5. Конструкция реперов: схема (а); фотоснимок (б) Fig. 5. Construction of reference points: scheme (a); photograph (b)
пластичного состояния грунтов оползшей отвальной массы, рекомендуется использовать заглубленный репер с бетонным якорем (рис. 5).
Вывод
На основании экспериментальных наблюдений для реального объекта — внешнего отвала «Ю», расположенного на наклонном слоистом основании, осложненном руслами водных объектов, приведена оценка риска развития деформаций. По результатам оценки риска ПТС «отвал — основание» установлен сценарий с наиболее высокой вероятностью развития деформации отвала — 42,7% и высоким уровнем риска — В3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Предложены необходимые меры реагирования, предотвращающие реализацию опасного сценария.
Для контроля эффективности принимаемых мер по снижению риска развития деформации отвала разработана оп-тимальнаяконструкциянаблюдательной станции, которая при минимальном количестве реперов обеспечивает контроль наиболее уязвимых участков объекта.
Приведены методика планово-высотных маркшейдерских наблюдений, обеспечивающая требуемую точность, и критерии безопасности для оценки состояния ПТС «отвал — основание» по результатам геомеханического мониторинга.
1. Ананенко Е. В., Бахаева С. П. Анализ причин деформаций отвалов вскрышных пород / Проблемы горного дела. Сборник научных трудов II Международного Форума студентов, аспирантов и молодых ученых-горняков, посвященного 100-летию ДонНТУ. -Донецк: ДонНТУ, 2021. - С. 328-332.
2. Ananenko E., Bakhaeva S. P. The reason analysis of the overburden rock dumps deformation // E3S Web of Conferences. 2021, vol. 315, article 01001. DOI: 10.1051/e3sconf/2021315 01001.
3. Носков В. А., Бадтиев Б. П., Павлович А. А. Риск-менеджмент при ведении открытых горных работ // Горный журнал. - 2020. - № 2. - С. 51-55. DOI: 10.17580/gzh. 2020.02.06.
4. Шабаров А. Н., Носков В. А., Павлович А. А., Черепов А. А. Понятие геомеханического риска при ведении открытых горных работ // Горный журнал. - 2022. - № 9. -С. 22-28. DOI: 10.17580/gzh.2022.09.04.
5. Федосов А. В., Маннанова Г. Р., Шипилова Ю. А. Анализ опасностей, оценка риска аварий на опасных производственных объектах и рекомендации по выбору методов анализа риска // Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал. - 2016. - № 3. -С. 322-336.
6. Hadjigeorgiou J. Understanding, managing and communicating geomechanical mining risk / Proceedings of International Conference of mining geomechanical risk. ACG, Perth, Australia. 2019, pp. 3-20.
7. Tapia A., Contreras L. F., Jefferies M, Steffen O. Risk evaluation of slope failure at the chuquicamata mine / Proceedings of the 2007 International Symposium on Rock Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering. Australian Centre for Geomechanics, Perth. 2007, pp. 477-495.
8. Pine R. J., Roberds W. J. A risk-based approach for the design of rock slopes subject to multiple failure modes - illustrated by a case study in Hong Kong // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2005, vol. 42, no. 2, pp. 261-275. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2004.09.014.
9. Mishra R. K., Rinne M. Guidelines to design the scope of a geotechnical risk assessment for underground mines // Journal of Mining Science. 2014, vol. 50, no. 4, рр. 745-756. DOI: 10.1134/S1062739114040152.
10. Прокина Д. Н., Федосов А. В., Штур В. Б. Применение информационных систем для оценки риска опасных производственных объектов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - Т. 10. - № 2. - С. 73-79.
11. Лушников В. Н., Селиванов Д. А., Бережной В. П. Надежность прогнозирования геотехнических рисков при ведении открытых горных работ // Горный журнал. - 2023. -№ 1. - С. 4-13. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.01.
12. Eiter B. M., Bellanca J. L. Identify the influence of risk attitude, work experience, and safety training on hazard recognition in mining // Mining Metallurgy & Exploration. 2020, vol. 37, no. 7, pp. 1931-1939. DOI: 10.1007/s42461-020-00293-8. "
13. Read J., Stacey P. Open pit slope design, Csiro publishing. 2009, p. 496.
14. Мелихов М. В. Особенности геоинформационного космического мониторинга горнопромышленных природно-технических систем // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 12-1. - С. 29-41. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_121_ 0_29.
15. Bakhaeva S., Chernykh E. Study of the conditions for construction of the haulage berm in the deposit ledger-wall // E3S Web of Conferences. 2019, vol. 105, article 01034. DOI: 10.1051/ e3sconf/ 201910501034.
16. Желанкин В. Г. Определение вероятностного уровня риска аварии дамбы золош-лакоотвала по условию устойчивости откосов и подход к назначению критериев безопасности // Международный научно-исследовательский журнал. - 2021. - № 12-1(114). -С. 50-56. DOI: 10.23670/IRJ.2021.114.12.006.
17. Зеркаль О. В., Фоменко И. К. Оценка геологического риска с использованием вероятностного анализа при количественной оценке устойчивости склона / Анализ, прогноз и управление природными рисками с учетом глобального изменения климата «Гео-риск-2018». Материалы X Международной научно-практической конференции по проблемам снижения природных опасностей и рисков. Т. 1. - М.: РУДН, 2018. - С. 303-308.
18. Маций С. И., Безуглова Е. В., Плешаков Д. В. Оценка оползневого риска транспортных сооружений: Монография. - Краснодар: КубГАУ, 2015. - 120 с.
19. Спирин В. И., Ливинский И. С., Хормазабаль Э. Оптимизация конструкций бортов карьеров на основе оценки рисков // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. - 2019. - № 3. - С. 317-331.
20. Contreras L.-F., Hormazabal E, Ledezma R., Arellano M. Geotechnical risk analysis for the closure alternatives of the Chuquicamata open pit / First International Conference on Mining Geomechanical Risk. Perth, Australian. 2019, pp. 373-388. DOI: 10.36487/ACG_rep/ 1905_22_Hormazabal.
21. Гуща Д. И., Коврижных Е. В., Еретнов Н. В., Абдуллаева А. А., Редькин Д. В. Качественная оценка геомеханических рисков по результатам долгосрочного мониторинга и 3D-модели месторождения, построенной с применением мультикоптера // Московский экономический журнал. - 2022. - Т. 7. - № 2. DOI: 10.55186/2413046X_2022_7_2_73.
22. Бахаева С. П., Протасов С. И., Михайлова Т. В., Бакушкин Р. П. О конструкции наблюдательной станции при синклинальном залегании пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 10. - С. 44-47.
23. Бахаева С. П., Михайлова Т. В. Обоснование точности маркшейдерского контроля состояния грунтовых дамб накопителей жидких отходов горнопромышленных предприятий // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 2. -С. 177-189.
24. Гордеев В. А. О точности определения горизонтальных смещений при геотехническом мониторинге // Маркшейдерский вестник. - 2022. - № 1(146). - С. 13-19.
25. Кутепов Ю. И., Кутепова Н. А., Васильева А. Д., Мухина А. С. Инженерно-геологические и экологические проблемы при эксплуатации и рекультивации высоких отвалов на разрезах Кузбасса // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. -№ 8. - С. 164-178. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_8_0_164. ЕШ
REFERENCES
1. Ananenko E. V., Bakhaeva S. P. The reason analysis of the overburden rock dumps deformation. Problemy gornogo dela. Sbornik nauchnykh trudov II Mezhdunarodnogo Foruma studentov, aspirantov i molodykh uchenykh-gornyakov, posvyashchennogo 100-letiyu DonNTU [Mining problems. Collection of research papers of the II International Forum of students, postgraduates and young mining scientists dedicated to the 100th anniversary of DonNTU], Donetsk, DonNTU, 2021, pp. 328-332. [In Russ].
2. Ananenko E., Bakhaeva S. P. The reason analysis of the overburden rock dumps deformation. E3S Web of Conferences. 2021, vol. 315, article 01001. DOI: 10.1051/e3sconf/2021 31501001.
3. Noskov V. A., Badtiev B. P., Pavlovich A. A. Risk management in open pit mining operations. GornyiZhurnal. 2020, no. 2, pp. 51-55. [In Russ]. DOI: 10.17580/gzh.2020.02.06.
4. Shabarov A. N., Noskov V. A., Pavlovich A. A., Cherepov A. A. The concept of geome-chanical risk in open pit mining operations. Gornyi Zhurnal. 2022, no. 9, pp. 22-28. [In Russ]. DOI: 10.17580/gzh.2022.09.04.
5. Fedosov A. V., Mannanova G. R., Shipilova Yu. A. Hazard analysis, accident risk assessment at hazardous production facilities and recommendations on the choice of the risk analysis methods. Petroleum engineering. 2016, no. 3, pp. 322-336. [In Russ].
6. Hadjigeorgiou J. Understanding, managing and communicating geomechanical mining risk. Proceedings of International Conference of mining geomechanical risk. ACG, Perth, Australia. 2019, pp. 3-20.
7. Tapia A., Contreras L. F., Jefferies M., Steffen O. Risk evaluation of slope failure at the chuquicamata mine. Proceedings of the 2007 International Symposium on Rock Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering. Australian Centre for Geomechanics, Perth. 2007, pp. 477-495.
8. Pine R. J., Roberds W. J. A risk-based approach for the design of rock slopes subject to multiple failure modes - illustrated by a case study in Hong Kong. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2005, vol. 42, no. 2, pp. 261-275. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2004.09.014.
9. Mishra R. K., Rinne M. Guidelines to design the scope of a geotechnical risk assessment for underground mines. Journal of Mining Science. 2014, vol. 50, no. 4, pp. 745-756. DOI: 10.1134/S1062739114040152.
10. Prokina D. N., Fedosov A. V., Shtur V. B. Application of the information systems for risk assessment of the hazardous production facilities. Electrical and data processing facilities and systems. 2014, vol. 10, no. 2, pp. 73-79. [In Russ].
11. Lushnikov V. N., Selivanov D. A., Berezhnoy V. P. Forecast reliability of the geo-techni-cal risks at open pit mining operations. Gornyi Zhurnal. 2023, no. 1, pp. 4-13. [In Russ]. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.01.
12. Eiter B. M., Bellanca J. L. Identify the influence of risk attitude, work experience, and safety training on hazard recognition in mining. Mining Metallurgy & Exploration. 2020, vol. 37, no. 7, pp. 1931-1939. DOI: 10.1007/s42461-020-00293-8.
13. Read J., Stacey P. Open pit slope design, Csiro publishing. 2009, p. 496.
14. Melikhov M. V. Features of geoinformation space monitoring of mining natural-technical systems. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 12-1, pp. 29-41. [In Russ]. DOI: 10.250 18/0236_1493_2022_121_0_29.
15. Bakhaeva S., Chernykh E. Study of the conditions for construction of the haulage berm in the deposit ledger-wall. E3S Web of Conferences. 2019, vol. 105, article 01034. DOI: 10.1051/ e3sconf/ 201910501034.
16. Zhelankin V. G. Determination of the probabilistic level of risk for the ash and slag dump accident as per the condition of slope stability and approach to the setting of the safety criteria. International Research Journal. 2021, no. 12-1(114), pp. 50-56. [In Russ]. DOI: 10.23670/ IRJ.2021.114.12.006.
17. Zerkal O. V., Fomenko I. K. Assessment of the geological risk using probabilistic analysis for quantitative evaluation of slope stability. Analiz, prognoz i upravlenie prirodnymi riskami s uchetom global'nogo izmeneniya klimata «Georisk-2018». Materialy X Mezhdunarodnoy nauch-no-prakticheskoy konferentsii po problemam snizheniya prirodnykh opasnostey i riskov [Analysis, forecast and management of the natural risks considering global climate change «Geo-risk-2018»], vol. 1, Moscow, RUDN, 2018, pp. 303-308. [In Russ].
18. Matsiy S. I., Bezuglova E. V., Pleshakov D. V. Otsenka opolznevogo riska transportnykh sooruzheniy. Monografiya [Assessment of landslide risk of the transport facilities, monograph], Krasnodar, KubGAU, 2015, 120 p.
19. Spirin V. I., Levinskiy I. S., Hormazabal E. Optimization of open pit side structures based on the risk assessment. News of the Tula state university. Sciences of Earth. 2019, no. 3, pp. 317-331. [In Russ].
20. Contreras L.-F., Hormazabal E., Ledezma R., Arellano M. Geotechnical risk analysis for the closure alternatives of the Chuquicamata open pit. First International Conference on Mining Geomechanical Risk. Perth, Australian. 2019, pp. 373-388. DOI: 10.36487/ACG_rep/1905_ 22_Hormazabal.
21. Gushcha D. I., Kovrizhnykh E. V., Yeretnov N. V., Abdullaeva A. A., Redkin D. V. Qualitative assessment of the geo-mechanical risks based on the results of the long-term monitoring and a 3D field model built with the use of a multicopter. Moscow economic journal. 2022, vol. 7, no. 2. [In Russ]. [In Russ]. DOI: 10.55186/2413046X_2022_7_2_73.
22. Bakhaeva S. P., Protasov S. I., Mikhailova T. V., Bakushkin R. P. Regarding design of the observation station at synclinal occurrence of rocks. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2002, no. 10, pp. 44-47. [In Russ].
23. Bakhaeva S. P., Mikhailova T. V. Substantiation of the surveying control accuracy of the condition of the earth dams - liquid waste accumulators from mining enterprises. Fiziko-tekh-nicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2017, no. 2, pp. 177-189. [In Russ].
24. Gordeev V. A. Regarding accuracy of the horizontal displacements determining at geotechnical monitoring. Mine Surveying Bulletin. 2022, no. 1(146), pp. 13-19. [In Russ].
25. Kutepov Yu. I., Kutepova N. A., Vasileva А. D., Mukhina A. S. Engineering-geological and ecological concerns in operation and reclamation of high slope dumps at open-pit mines in Kuzbass. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021, no. 8, pp. 164-178. [In Russ]. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2021_8_0_164.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ананенко Елена Владимировна1 - старший
научный сотрудник, e-mail: [email protected],
Бахаева Светлана Петровна1 - д-р техн. наук,
профессор, зав. лабораторией, e-mail: [email protected],
1 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.
Для контактов: Ананенко Е.В., e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
E.V. Ananenko1, Senior Researcher, e-mail: [email protected], S.P. Bakhaeva1, Dr. Sci. (Eng.), Professor, e-mail: [email protected],
1 T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 650000, Kemerovo, Russia.
Corresponding author: E.V. Ananenko, e-mail: [email protected].
Получена редакцией 30.01.2023; получена после рецензии 15.06.2023; принята к печати 10.08.2023. Received by the editors 30.01.2023; received after the review 15.06.2023; accepted for printing 10.08.2023.
