Инновации Благодаря Сотрудничеству: Передовые Технологии Мониторинга, Применяемые на Хвостохранилищах Компании Samarco
Главный операционный директор GroundProbe, David Noon
По мере усложнения проектов по добыче полезных ископаемых всё большее значение приобретает надлежащее управление хвостохранилищами, а также повышение всеобщего внимания к безопасному и устойчивому развитию. Геотехническая стабильность — один из ключевых факторов, который играет роль при потенциальном прорыве многих хвостохранилищ. Мониторинг и контроль хвостохранилищ с помощью современных средств позволяют нам лучше понять, что является причиной этих трагических происшествий, и, самое главное, — как предсказывать и реагировать на эти катастрофы, чтобы защитить жизни людей и минимизировать ущерб, наносимый окружающей среде. Чтобы лучше осознать всю важность, нами был проведён ретроспективный анализ передовых методов мониторинга на руднике компании Samarco в Бразилии.
Обрушение Дамб Хвостохранилищ
Прорыв хвостохранилищ может повлечь за собой человеческие жертвы, а также нанести значительный ущерб как окружающей среде, так и имуществу. По всему миру расположено примерно 3500 хвостохранилищ, и ежегодно происходят обрушения от двух до пяти таких сооружений. Тем не менее правильная эксплуатация и управление хвостохранилищами способны снизить существующие риски. В США внедрение системы управления и эксплуатации хвостохранилищ помогло сократить число аварий на дамбах с 77 за период с 1960 по 1990 г. до всего лишь 15 за 30 последующих лет.
Рудник компании Samarco находится в районе Минас-Жерайс в Бразилии; к нему относится и хвостохранилище Фундау, где в 2015 году произошло катастрофическое обрушение, повлекшее за собой гибель 19 человек, а также значительный экологический ущерб и убытки для экономики. По этой причине компания Samarco считает себя обязанной принимать самое активное участие в восстановлении регионов, пострадавших от аварий, и делится своими знаниями, чтобы помочь снизить риски подобных происшествий в будущем — как в Бразилии, так и в других странах, — а также хочет внести свой вклад в улучшение состояния окружающей среды.
Поскольку до недавних пор Бразилия считалась в основном сейсмически безопасной страной, методы динамического анализа здесь находятся лишь на стадии формирования, кроме того, в стране отсутствуют законы или нормативные акты, которые требуют учитывать динамические нагрузки при проектировании дамб.
Характеристики Дамб и Откосов
Три аварии при работе комплекса были проанализированы с помощью радарного мониторинга в режиме реального времени в момент обрушения. Все три события произошли после того, как в 2015 году произошла авария на трех отдельных участках горнодобывающего комплекса: дамбе Сантарем, оградительной дамбе №2 и на естественном склоне в 200 метрах ниже по течению от дамбы Фундау. Расположение этих участков показано на рисунке 1.
Рисунок 1: Расположение Oбъектов Samarco
Дамба Сантарем расположена ниже по течению, в 3 км от дамбы Фундау, и представляет собой бетонное сооружение, устойчивое к воздействию воды и хвостов. Хотя в 2015 году прорыва не произошло, дамбу перелило, и её конструкция была повреждена. Для обеспечения целостности плотины в будущем компания Samarco возвела грунтовый контрфорс для укрепления нижней части плотины. Мониторинг с помощью радара выявил небольшое локализованное обрушение во время строительства этого контрфорса.
Оградительная дамба №2 расположена выше по течению, в 500 м от оградительной дамбы №1 Фундао. Оградительная дамба №2 была спроектирована таким образом, чтобы удерживать шламовую составляющую хвостов, и на ней, как и на оградительной дамбе №1, произошли аварии в 2015 году. Из 19 млн кубометров материала, оставшегося после аварии, большинство составлял шлам, который располагался выше по течению от разрушенной дамбы №2. После ливневых дождей в январе 2016 года, 1 млн кубометров этого материала унесло вниз по течению, в результате чего произошёл перелив плотины Сантарем. Учитывая проводимые ремонтные работы, основной опасностью считались риск прорыва соседних оградительных дамб и разрушения природных объектов, а также продолжающееся обрушение дамбы №2. Во время радарного мониторинга было выявлено несколько незначительных событий, одно из которых мы рассмотрим далее.
Мониторинг осуществлялся также на естественном склоне, расположенном ниже по течению в 200 м от плотины Фундау, с учётом оценки риска разрушения в результате сдвига, который был способен поставить под угрозу жизни людей, работающих ниже контролируемого участка. Мониторинг с помощью радара выявил сдвижение и обеспечил заблаговременное предупреждение о потенциальном прорыве дамбы во время мониторинга.
Факторы Срабатывания Тревоги и Время Реагирования
У всех приборов на руднике Samarco есть факторы срабатывания тревожного оповещения для быстрого реагирования в зависимости от уровня обнаруженного сдвижения. Пороговые значения для радарного мониторинга, обобщённые в Таблице I, были выбраны с целью обеспечения большего времени предупреждения до наступления событий, а также на основе данных ретроспективного анализа небольшого обрушения, зафиксированного на плотине Сантарем.
Таблица 1: План Реагирования для Триггерного уровня. Включая Назначенные Пороги Движения Радара
При усреднении показателей наблюдений с течением времени важно понимать, что необходимо найти баланс между получением точной информации и устранением «шума» в данных путём сглаживания тенденций. Именно по этой причине для определения чувствительности существующих пороговых значений на руднике Samarco, а также их применимости для прогнозирования события прорыва, оценивались различные периоды расчётов. Они представлены параметрами «скорость за расчётный период».
Пример из Практики 1 — Дамба Сантарем
12 июня 2016 г. в зоне водосброса был обнаружен небольшой локальный прорыв (Рис. 2). Материал сместился по плоскости скольжения, которая сформировала две трети второго уступа. В предыдущие месяцы в отчётах радарного наблюдения GroundProbe была зафиксирована деформация с незначительной скоростью, которая не была связана с рабочими процессами, дорожным движением или с периодами выпадения осадков.
Перед аварией уплотнённый грунт земляной насыпи подвергался регрессивной/прогрессивной деформации (рис. 3), что может привести к быстрому обрушению. Скорее всего, такое поведение было вызвано большим количеством осадков, нехарактерным для начала июня.
Существующие пороговые значения заданных сигналов тревоги позволили предсказать локальное обрушение и успешно предупредить о нём за пять часов, три часа и один час до обрушения (таблица II). Это безопасное и адекватное время срабатывания сигналов тревоги для каждого типа реагирования. Более низкие пороговые значения могли бы вызывать сигналы тревоги в течение более длительных периодов времени в предшествующие дни, а также существовал риск бессобытийных оповещений в условиях стабильности.
Рисунок 2: Радиолокационный Мониторинг Устойчивости Откоса Плотины Сантарен с Указанием Места Локального Разрушения
Рисунок 3: Тенденции Данных о Скорости и Деформации для Плотины Сантарен, Показаны Пороговые Значения Срабатывания Сигнализации о Скорости
Таблица 2: Оценка Сигнала Тревоги Скорости для Плотины Сантарен
Пример из Практики 2 — Оградительная Дамба №2
B период с 8 по 14 августа 2016 года наблюдался обвал обломков на основании уступа оградительной дамбы №2. По мере того как обломки устремлялись вниз, наблюдалась тенденция к прогрессирующему разрушению до обрушения, при этом почти 50% деформации материала происходило на шестой день. Учитывая отсутствие осадков в последнее время, вероятной причиной был слив отходов, и это привело к тому, что гидравлические силы преимущественно размывали себе путь через материал.
Пороговые значения скорости на объекте были эффективны для прогнозирования обрушения, в результате чего было получено предупреждение за 42 часа, 9 часов и примерно полтора часа до события (рис. 5 и таблица V).
Рисунок 4: Радиолокационный Мониторинг Устойчивости Откоса для Дамбы 2 с Указанием Места Обрушения Шламов
В отличие от дамбы Сантарем, этот прорыв дамбы наблюдался в течение нескольких дней. Это означало, что более продолжительные периоды вычислений, такие как «скорость за 360» и «скорость за 1440», оказались наиболее эффективными при прогнозировании обрушений.
Рисунок 5: Тенденции Данных о Скорости и Деформации для Дамбы 2, Показаны Пороговые Значения Срабатывания Сигнализации о Скорости
Таблица 5: Оценка Сигнала Тревоги Скорости для Дамбы 2
Пример из Практики 3 — Естественный Откос Эйшо 1
Смещение материала на естественном склоне Эйшу 1 наблюдалось 14 ноября 2016 года в результате локальной, регрессивной/прогрессивной деформации. Время между первым наблюдением признаков деформации и разрушением материала составило 7,5 суток.
Откос, состоящий из рыхлых пород, изначально не был нарушен, но, как предполагается, со временем подвергся выветриванию и разрушению. Скорее всего, причиной аварии стало разрушение горной породы на основании уступа и повышение давления воды. Доказательства подобного поведения представлены на рисунке 6.
Рисунок 6: Радиолокационный Мониторинг Устойчивости Откосов для Eixo 1 в Ноябре 2016 г. с Указанием Местоположения Нарушения Кругового Скольжения
Существующие пороговые значения скорости на объекте были неэффективны при прогнозировании локального обрушения на Эйшу 1. За тридцать минут до обрушения сработал один жёлтый сигнал тревоги, однако его легко могли бы проигнорировать. В качестве дополнительных мер контроля рекомендуются альтернативные показатели, поэтому была проведена оценка деформационных триггерных факторов (рис. 7 и табл. III). Триггерные факторы деформации полезны при отделении шума данных от самих данных о малых деформациях, и, следовательно, будут представлять результаты, несколько отличные от анализа скорости.
Рисунок 7: Тенденции Данных о Деформации для Eixo 1
Таблица 3: Оценка Сигнала Тревоги Деформации для Eixo 1
Хотя триггерный фактор деформации и может быть уместен в таких ситуациях, как с Эйшу 1, вероятно и то, что сигналы тревоги будут срабатывать чаще и потребуют инженерно-геотехнической оценки для определения того, является ли риск достоверным. Решения, работающие в режиме реального времени 24 часа в сутки 7 дней в неделю в стабильных условиях — не слишком эффективное использование средств, поэтому в качестве основной меры контроля рекомендуется использовать визуальное наблюдение. Персонал, получивший хорошую подготовку в области геотехнических угроз, будет иметь неоценимое значение для раннего выявления рисков.
Ограничения и Последствия
Существующие пороговые значения для скоростей деформации были эффективны для прогнозирования двух из трёх событий, обеспечив достаточное время предупреждения. Обрушение Эйшу 1 указывает на наличие дополнительных показателей деформации, которые могут быть использованы для повышения вероятности заблаговременного обнаружения события.
Стоит решить, действительно ли одно консервативное значение триггер-фактора для каждого порога, применяемое в рамках всего объекта, будет эффективным для различных типов откосов. Кроме того, инженеры должны учитывать влияние непредвиденного изменения погодных условий.
Целью стратегии мониторинга дамбы является оценка и измерение проектных ожиданий в сравнении с эксплуатационными характеристиками дамбы. Предполагается, что данные о соотношении параметров деформации с показаниями других приборов будет также полезны при разработке стратегий мониторинга. И хотя мониторинг без предыдущей истории является сложной задачей, он вовсе не будет лишним.
Триггер-факторы для жёлтого, оранжевого и красного сигналов тревоги исходя из скоростей деформации склона, контролируемого радаром, были эффективны для предупреждения о длительных событиях, однако не смогли спрогнозировать кратковременные события. Для обеспечения дополнительных мер по прогнозированию предлагаются альтернативные методы, включая, например, оценку деформации.
Читать Далее
Эта статья является кратким изложением доклада Передовые технологии мониторинга, применяемые на хвостохранилищах компании Samarco, подготовленного группой авторов: Л.Кларксон (L Clarkson), С. Карнэйро (S Carneiro), Б. де Матош Кастильо (B de Matos Castilho), Д. Уильямс (D Williams), М. Руэст (M Ruest), М. Яно (M Llano) и Д. Нун (D Noon). Доклад был представлен на XIV Международном конгрессе по вопросам энергетики и природных ископаемых (XIV International Congress on Energy and Mineral Resources) в апреле 2018 года.