Идейное Лидерство: Обрушения в Условиях Открытых Горных Работ и Неопределённость при Прогнозировании Вывалов

Специалист по Продажам Геотехнической Продукции Группы GroundProbe, Albert Cabrejo

Когда в 2001 году компания GroundProbe представила на рынке радары для мониторинга устойчивости бортов (SSR), у горнодобывающих предприятий появилась возможность получать данные мониторинга обрушений в режиме реального времени. Метод расчёта величин обратных скоростей, разработанный профессором Фукузоно, уже около десяти лет используется в горнодобывающей промышленности для прогнозирования обрушений, наряду с радарами для мониторинга бортов карьера. Однако метод Фукузоно обладает рядом ограничений, что мешает его применению для успешного прогнозирования обвалов. Это связано с различными характеристиками обвалов в горных породах.

Прогнозирование Времени Обрушения Борта с Помощью Метода Фукузоно

В 1985 г. профессор Фукузоно впервые обнародовал свой метод предсказания обрушений, выделив различные формы кривых величины обратной скорости в сравнении со временем — выпуклую, линейную и вогнутую. Применительно к горным разработкам, точка пересечения графика изменения обратных значений скоростей смещения с горизонтальной осью времени определяет время обрушения борта карьера, а вся работа и деятельность на объекте должны вестись исходя из этой даты и времени (см. рисунок 1).

Рисунок 1: Различные Сценарии Величины Обратной Скорости по Отношению ко Времени

Влияние Периода Расчёта Скорости

Использовать метода Фукузоно довольно просто, однако его применение может привести к различным скоростным результатам в зависимости от пределов используемого временного окна. При замедлении деформационного движения (выпуклая форма), чем больше промежуток времени, тем выше скорость и чем короче промежуток времени, тем скорость ниже. Для сравнения, при линейном деформационном движении временной интервал никак не влияет на результат. При ускорении деформационного движения (вогнутая форма), чем больше промежуток времени — тем ниже скорость, а чем короче промежуток времени, тем выше скорость.

Например, нестабильный породный клин после воздействия на него может испытать некоторую начальную регрессивную деформацию, а после определённого уровня деформации происходит отделение клина, поскольку его ничто не удерживает. Такие виды обрушений, происходящие в течение короткого промежутка времени, например, одного часа, как правило, демонстрируют линейные тенденции. Однако, если обрушение происходит в течение более длительного промежутка времени, например, в течение суток, ускорение со временем увеличивается, и у тенденции появляется тенденция к изгибу (вогнутости).

Если ускорение не изменяется в пределах разных интервалов времени, снова проявляется линейное поведение. Когда масса горных пород деформируется и изменяет свою геометрию по мере сползания вниз, нижняя кромка отделяемых пород может работать как растущий контрфорс для остальной части породы над ним. В этом случае отслеживается выпуклый график, при котором происходит нарастающее ускорение, спадающее со временем и приводящее к возникновению эффекта изгиба.

Применяя метод Фукузоно к реальным данным мониторинга, можно сделать вывод, что для эффективного выявления скоростей деформации на раннем этапе для анализа скоростей необходимо использовать более длительный временной интервал расчета скорости. Более длительные промежутки времени позволяют обнаружить происходящий процесс деформации на раннем этапе. Однако более короткие промежутки времени дают большую точность при оценке времени обрушения, так как на них влияет последнее деформирующее состояние горной породы.

Сложность Прогнозирования Обрушения

Геотехническим специалистам необходимо выявлять и прогнозировать обрушения, чтобы свести к минимуму риск производственных травм у персонала, избежать ущерба оборудованию и ходу производственного процесса. Однако различные графики величины обратной скорости, на которые ссылается Фукузоно, не всегда можно применить в рамках горнодобывающей промышленности — они применимы только к ограниченному набору обрушений, а именно к тем, где ускорение имеет тенденцию быть постоянным и отсутствуют процессы деформационного размягчения и другое воздействие.

В условиях горной разработки, обрушения, скорее всего, включают разрушения скальных мостов, приводящие к резкому изменению состояния от твёрдой горной породы до дислоцированного сыпучего материала. Такие обрушения имеют высокую корреляцию с процессами деформационного упрочнения и деформационного разуплотнения. Восстановление когезии и трения в массе дислоцированных горных пород вряд ли произойдёт во время выемки породы из-за постоянного воздействия деформирующих сил в окружающей среде, нарушающих любой новый процесс упрочнения.

Ещё одно ограничение метода величин обратной скорости заключается в том, что обрушение всегда происходит прежде, чем обратная скорость упадёт до нуля. Поэтому небезопасно пользоваться кривыми величин обратной скорости, рассчитывая, что обрушение произойдёт примерно в это время.

Статистика Обрушений

В общей сложности было проанализировано 74 обрушения: 59 обрушений рабочих бортов карьера, и 15 — нерабочих бортов. Две переменные — минимальные значения обратной скорости и погрешность прогноза обрушения — измерялись с применением различных временных интервалов: один час и 24 часа. Цель исследования состояла в том, чтобы понять ошибки, которые может допустить опытный инженер-геотехник при попытке предсказать время вероятного обрушения, используя метод Фукузоно. Ошибка (E) — это разница между фактическим временем обрушения (по измерениям радара) и прогнозируемым временем обрушения, которая определяется путём экстраполяции значений обратной скорости до момента пересечения оси времени. Разница во времени — это ошибка, которая может быть как безопасной (прогнозируемое время наступает до обрушения), так и опасной (прогнозируемое время наступает после обрушения). Обрушение было определено как точка, когда любой прогрессирующий график изменял своё поведение с ускорения на остановку или замедление движения.

Минимальные Значения Обратной Скорости в Момент Обрушения, 1 час и 24 Часа

На рис. 13 и 14 показана важность использования различных порогов значений обратных скоростей для оценки вероятности обрушения на основе временного интервала. Например, эта разница выделена для значения обратной скорости в диапазоне от 0,3 до 1,0 как для анализа скорости за 1 час, так и для анализа скорости за 24 часа. В гистограммах для рабочих бортов карьера в первом случае имеются два обрушения, тогда как во втором есть целых 12 обрушений.

Ошибка при Прогнозировании Обрушений (E)

Для каждого обрушения был подготовлен прогноз предстоящего обрушения до самого происшествия. Ошибки (E) на гистограммах в диапазоне от −24 часов до −1 часа соответствуют случаям, когда прогноз обрушения оказался в пределах 24 часов и 1 часа до фактического обрушения. Скорее всего, они были безопасными, позволяя удалить большую часть оборудования и вывести весь персонал.

Столбцы между −1 часом и 0 часами соответствуют случаям, когда прогноз обрушения находился в пределах от 0 до 1 часа до времени фактического обрушения, что может дать достаточно времени для частичного вывода техники и персонала.

Столбцы между 0 часов и 24 часами соответствуют случаям, когда прогноз обрушения находился в пределах от 0 до 1 часа до времени фактического обрушения, в результате чего возникал серьёзный риск гибели персонала и повреждения техники.

В столбцах этих гистограмм можно увидеть множество неудачных прогнозов для всех сценариев. Случаи с запоздалым прогнозированием соответствуют породам, которые подвергались деформационному разуплотнению, не создавая перед собой контрфорса, способного уменьшить процесс ускорения. Предположение, что значение обратной скорости будет равно нулю на момент обвала привело к запоздалому прогнозу обрушения. Данные содержали слишком много помех, правильная настройка временного интервала не использовалась, или радар был развёрнут слишком поздно, когда процесс обрушения уже шёл. В большинстве случаев радар использовался в качестве оперативного, а не профилактического инструмента.

Большинство неудачных прогнозов было сделано при использовании 24 часов в качестве периода для расчёта значений скорости. Это подтверждает гипотезу о том, что более длительные временные интервалы полезны для раннего обнаружения обрушения, однако не позволяют точно предсказать время самого обрушения.

Результаты, приведённые в таблице 2, показывают ошибки расчётов, которые следует учитывать при прогнозировании обрушений. Например, 95-й процентиль для HW IV 1 ч. указывает, что в 5 % случаев обрушение произойдёт за 8,5 часов до прогнозируемого времени обрушения. Аналогично 70-й процентиль для HW IV 24 ч. указывает, что в 30 % случаев обрушение произойдёт за 6 часов до прогнозируемого времени обрушения. Эти статистические параметры должны учитываться при прогнозировании обрушений и для настройки тревожных оповещений, основанных на скорости деформации.

Заключение

Метод IV Фукузоно доказал свою эффективность во многих случаях неустойчивости бортов открытых горных разработок. Однако его применение требует глубокого понимания всех существующих переменных.

Масштабы ошибок в 74 рассмотренных случаях вызывают тревогу с точки зрения их возможной опасности для объекта. Опыт показывает, что обрушения всегда происходят до пересечения любого графика значений обратной скорости (вогнутого, линейного и выпуклого) с осью времени. С большой вероятностью, время обрушения, спрогнозированное с помощью метода Фукузоно, будет после фактического обрушения, а не до него.

Программное обеспечение радара для расчёта скорости и обратной скорости нуждается в гибкости и должно позволять настройку различных конфигураций. Самая безопасная рекомендация — это выбор диапазона скоростей и расчётов значений обратной скорости с использованием различных временных интервалов, максимально повышающих шансы раннего обнаружения и точного прогноза.

При использовании значений обратной скорости с 1-часовым временным интервалом и расчётах для рабочего борта, эвакуацию следует начинать примерно за 8,5 часов до прогнозируемого времени обрушения. Для нерабочего борта это время составляет 10,5 часов. Если используются значения обратной скорости с 24-часовым временным интервалом, персонал и техника должны покинуть рабочий борт карьера за 21,3 часа до прогнозируемого времени обрушения. Для нерабочего борта это время составляет 10,3 часа. Такой подход, как правило, максимизирует безопасность, однако, производительность объекта может быть снижена, если обрушения происходят при самых низких процентилях.

Читать далее

Данная статья представляет собой краткое изложение статьи «Анализ обрушений в карьерах и учет неопределённости при прогнозировании обрушений» авторства А.Г. Кабрехо-Льевано (A.G. Cabrejo-Liévano). С полной версией статьи можно ознакомиться здесь.