Ильясов Б. Т., технический директор ООО «Скиентия», e-mail: bulat@scientia.ru
Полтора года назад мы составили для наших заказчиков краткий обзор ключевых изменений, вызванных утверждением новых правил. Описали новые возможности, которые дают ФНиП, и новые требования (и предписания) Ростехнадзора к предприятиям, с которыми сталкиваются наши специалисты. Во многом данный текст является актуальным и сегодня, вместе с тем улучшилось понимание требований Ростехнадзора. Публикуем данный текст с дополнениями в двух частях.
Важный дисклеймер: многие из описываемых требований относятся в первую очередь к объектам ОГР II класса опасности, в тексте это отдельно не отмечается.
Часть I. Прогрессивные нововведения
1. Новые допустимые методы расчета устойчивости
Важным следствием утверждения новых правил является допущение использования подхода к проектированию карьера «от уступа к борту», принятого в международной практике для скальных карьеров. Все ранее действовавшие в РФ нормативные документы были основаны на подходе «от борта к уступу», предполагающем определение сперва допустимого угла борта карьера и исходя из него — параметров уступов. Этот подход применим в первую очередь к угольным разрезам.
Допустимость подхода «от уступа к борту» обеспечивается тем, что разрешается применение современных методов оценки устойчивости, таких как кинематический анализ, вероятностные расчеты устойчивости. Кроме того, появилась возможность применения различных критериев прочности и учета масштабного эффекта. Эти изменения позволяют разрабатывать проектную документацию в соответствии с современными стандартами, использовать наиболее подходящие методы и инструменты для обоснования параметров уступов и бортов.
Благодаря этим нововведениям за пару последних лет только нашей компанией были спроектированы несколько карьеров, которые являются более экономически эффективными и безопасными.
2. Совершенствование мониторинга деформаций
Еще одним важным следствием утверждения новых правил является приведение требований к деформационному мониторингу карьеров и отвалов в современный вид. Ранее действовавшие правила, разработанные в 70–80-х годах прошлого века, ограничивали возможности мониторинга бортов и отвалов, требуя применять непроизводительные на сегодняшний день методики и инструменты, в первую очередь геометрическое нивелирование. Появление роботизированных тахеометров, интерферометрических радаров, спутниковой интерферометрии, автоматизированных экстензометров сильно изменило возможности мониторинга, и новые правила допускают и даже поощряют (посредством возможности снижения допустимого КЗУ при применении автоматизированного мониторинга) их использование.
Ранее при ведении мониторинга его эффективность часто не учитывалась рудниками. До принятия ФНиП многие предприятия проводили мониторинг только посредством геометрического нивелирования, так как это требовалось нормами, но при этом эффективность мониторинга зачастую была очень низкой. Современные инструменты, особенно при правильном их комбинировании, позволяют выполнять мониторинг на совершенно ином качественном уровне, обеспечивая возможность прогноза обрушений уступов и групп уступов.
3. Усиление требований к структурно-геологическому изучению
Требования к структурно-геологическому изучению месторождения расширены и конкретизированы. Теперь необходимо определять количественные и качественные показатели основных систем трещин (интенсивность, протяженность, шероховатость и пр.), выявлять зоны с однородными условиями по трещиноватости.
Трещиноватость и тектоническая нарушенность горных пород являются, пожалуй, основным фактором, из-за которого на практике происходят обрушения уступов и бортов карьеров. Более детальное изучение структурных данных должно уменьшить количество опасных деформационных процессов, происходящих из-за проектов, не соответствующих структурно-геологическим условиям. Это дополняется упомянутыми в первом пункте новыми методами анализа, требующими много данных о трещиноватости.
Также следует отметить, что за последние годы и десятилетия появились новые технологии для исследований структурных условий. К ним относятся бурение с ориентированным керном, акустические и оптические скважинные телевьюеры, фотограмметрические системы, электронные компасы, автоматизированные фотодокументаторы и т. д. Их применение значительно повышает эффективность сбора данных о структуре горных пород.
4. Численное моделирование
Помимо указанных новых инструментов и методов, применяемых геомеханиками, правила допускают и даже рекомендуют для комбинированной технологии добычи применение численного (математического) моделирования для оценки устойчивости. На наш взгляд, применение моделирования в геомеханике должно быть существенно шире, учитывая его большой потенциал, и действующие ФНиП должны этому поспособствовать.
Необходимо различать геомеханические модели от численных. Геомеханические модели являются геоинформационными, содержащими информацию о геомеханических условиях с пространственной привязкой. Численные модели — это модели механического поведения массива горных пород, основанные на численных методах механики. То есть геомеханические модели содержат сведения об условиях и позволяют оперировать ими, а численные модели используют эту информацию для прогнозирования деформационных процессов. Также можно добавить, что численные модели разрабатываются на основе геомеханических.
В чем мы видим потенциал численного моделирования? Его применение позволяет разрабатывать более эффективные и безопасные проектные решения, особенно в сложных горно-геологических условиях. Наиболее простые модели позволяют учитывать сложные формы выработок при расчете напряжений и деформаций. Продвинутые инструменты для симуляций позволяют учитывать влияние трещин, тектонических нарушений, поровой (и трещинной) воды, динамических воздействий, крепей, недозакладки, искусственной трещиноватости, механизма развития разрушений и много другого для расчета устойчивости выработок.
Во второй половине XX в. важной вехой для геомеханики стало появление геомеханических рейтингов. Эти рейтинги позволили комплексно учитывать множество факторов, влияющих на устойчивость выработок. Численное моделирование позволяет отдельно оценить влияние каждого фактора, не опираясь на субъективные представления автора рейтинга. Понятно, что вес каждого фактора должен различаться в каждом конкретном случае. Поэтому с развитием технологий в XXI в. численное моделирование начало дополнять и заменять рейтинги.
За рубежом численное моделирование является важным и развивающимся направлением в геомеханике, на нем специализируется большое количество консалтинговых компаний. В РФ наблюдается некоторое отставание в этом направлении, которое необходимо преодолеть, особенно в контексте текущей изоляции экономики страны.
Приведенным списком нововведения приказа РТН № 439, конечно же, не ограничиваются. Мы привели изменения, которые, на наш взгляд, наиболее сильно повлияли и будут влиять на отрасль. Следует подчеркнуть, что вышесказанное наиболее справедливо в отношении карьеров, сформированных в скальных породах.
Часть II. Новые требования контролирующих органов
За время действия «Правил обеспечения устойчивости…» стало ясно, какие требования (а иногда и предписания) к предприятиям предъявляются Ростехнадзором, прежде всего при согласовании планов развития горных работ. Наиболее частыми, на наш взгляд, являются следующие:
• разработка геомеханических моделей;
• выполнение оценки рисков;
• выполнение прогноза устойчивости;
• проведение инженерно-геологического районирования;
• организация специальных групп по мониторингу / ведение мониторинга.
Далее приведем краткие объяснения этих понятий, расскажем, как выполнить эти работы так, чтобы удовлетворить требованиям контролирующих органов и при этом получить положительный эффект.
1. Геомеханические модели
Наличие геомеханической модели — одно из самых частых требований Ростехнадзора к предприятиям. Этот термин до сих пор вызывает вопросы. Наше определение: геомеханическая модель — это база имеющих пространственную привязку данных о геомеханических (геологических, структурно-геологических, гидрогеологических, физико-механических) условиях месторождения.
Определения геомеханической модели приводились неоднократно в научно-технической литературе, в том числе на русском языке и авторами рассматриваемых ФНиП [1, 2]. Все эти определения не противоречат друг другу и новым регламентирующим документам.
Трехмерная геомеханическая модель обычно разрабатывается в ГГИС-системах (Micromine, Leapfrog и т. п.) в виде каркасной геологической модели руды и горных пород, и блочной модели, содержащей геомеханические показатели горных пород месторождения. Последнюю могут также называть собственно геомеханической моделью или моделью породного массива.
Двухмерная геомеханическая модель может представлять собой планы и разрезы, которые должны содержать информацию о геологических, инженерно-геологических, структурно-геологических и гидрогеологических особенностях.
Разработка и постоянная актуализация геомеханической модели (а также различных баз данных о физико-механических свойствах, структурных и гидрогеологических условиях) способствуют накоплению знаний о месторождении без привязки к опыту конкретных сотрудников. То есть благодаря применению геомеханической модели каждый новый проект или план развития горных работ карьера/рудника должен становиться экономичнее и безопаснее. Естественно, для этого нужны соответствующие компетенции проектировщиков и сотрудников. Кроме того, геомеханическая модель упрощает прогноз опасных геомеханических процессов при развитии горных работ.
Важным условием для обеспечения эффекта от применения модели является ее трехмерный вид, так как он позволяет построить любые расчетные модели и разрезы в несколько кликов и обеспечивает однозначность данных на участках между разрезами. Можно сказать, что двухмерный вид модели делает почти невозможным ее эффективное использование и развитие.
Пополнение геомеханической модели согласно п. 20 должно производиться не реже одного раза в год. Учитывая требование п. 18 и п. 11 приложения 1 о необходимости выполнения геолого-структурного картирования, эти задачи рационально совмещать, пополняя геомеханическую модель результатами ежегодного картирования.
2. Оценка геомеханических рисков
Согласно дополнениям к ФНП № 439, риск определяется как сочетание вероятности обрушений и тяжести их последствий. С позиций экономики риск — это вероятность возникновения затрат. Рассчитать его можно как произведение вероятности на тяжесть последствий (рассчитанную, например, в виде объема обрушения).
При проектировании карьера выполняется количественная оценка рисков, основанная на расчете вероятностей опасных событий. При эксплуатации карьера применяется качественная оценка рисков, базирующаяся на экспертной оценке вероятности.
Одна из целей оценки рисков – принятие оптимальных управленческих решений. Например, сравнивая вероятные затраты от обрушения транспортного съезда с затратами на проектирование и разнос борта, можно определить целесообразность разноса. Аналогично риск потери оборудования и травмирования персонала можно сравнить со стоимостью современных инструментов для мониторинга, которые позволят устранить опасность.
Пространственное представление рисков в виде карт рисков способствует повышению безопасности, давая работникам предприятия понимание о наличии и уровне опасностей на определенных участках.
Для более полного погружения в тему советуем отличные «Методические указания по оценке рисков развития деформаций, мониторингу и управлению устойчивостью…», в которых авторы «Правил…» детально разъясняют их требования.
3. Прогноз устойчивости
Требуется от предприятий при составлении ПРГР в случае возникновения деформационных процессов при ведении горных работ и при приближении к проектному контуру. Прогноз устойчивости представляет собой оценку устойчивости рабочих положений карьера на планируемые периоды.
Постоянное ведение геолого-структурного картирования и пополнение геомеханической модели значительно повышает эффективность прогноза устойчивости при составлении ПРГР. Это позволяет заранее выявить участки карьера, на которых будут происходить деформации всех известных видов: общего, планарные, клиновидные и т. д.
Следует отметить, что для эффективного прогноза устойчивости уступов необходимо помимо ПО Slide2 и его аналогов использовать инструменты для специальных расчетов устойчивости, такие как Digger, RocPlane, Swedge, sBlock и т. п. Также важно понимать и учитывать изменчивость уровня подземных вод в карьере.
4. Инженерно-геологическое районирование
Районирование, требуемое пунктом 23, должно выполняться по прочности горных пород и по структурным условиям. То есть должны выделяться раздельно скальные, полускальные, дисперсные горные породы и выделяться зоны распространения различных систем трещин.
Районирование необходимо при проектировании карьеров и составлении ПРГР для дифференцированного обоснования параметров уступов. При разработке трехмерных геомеханических моделей районирование производится в виде структурных доменов. При их использовании разрабатываются трехмерные модели карьеров, в которых углы и бермы уступов изменяются от участка к участку. Таким образом, районирование позволяет уменьшить вскрышу, уточнить прогноз устойчивости, минимизировать обрушения.
5. Мониторинг деформаций
Ростехнадзор предписывает создание специальных групп по наблюдению за устойчивостью или привлечение специализированных организаций к мониторингу (согласно пункту 57 ФНП № 439). Организуются данные группы, как правило, из геомехаников, маркшейдеров, геологов предприятия. В их обязанности помимо мониторинга входит проведение инженерно-геологического районирования, оценка рисков, прогноз устойчивости и пр. Необходимо отметить, что обязательным по ФНиП является визуальный мониторинг, который необходимо вести ежемесячно с ведением журнала. В ранее упомянутых «Методических указаниях…» приводятся действенные рекомендации по визуальному мониторингу, описываются важные аспекты визуального наблюдения, включая методы описания деформаций.
В первой части статьи мы указали на позитивные изменения в требованиях к деформационному мониторингу. Современные инструменты для мониторинга позволяют проводить мониторинг на порядок эффективнее, чем традиционные, благодаря высокой точности, частоте и густоте съемки. Также нужно отметить, что сегодня существует большое разнообразие инструментов, каждый из которых может быть применим для конкретных условий. То есть под каждый объект можно выбрать оптимальный инструмент исходя из ожидаемой динамики деформирования объекта: критических деформаций, длительности деформирования перед обрушением и т. д.
Например, для отвалов и угольных разрезов оптимальным инструментом может быть аэросъемка с фотограмметрической обработкой или лазерным сканированием. Это объясняется тем, что обрушения развиваются достаточно долго и плавно, и перед обрушениями деформации могут достигать десятков сантиметров, вместе с тем метод очень производителен и позволяет с высокой скоростью снимать большие площади. При этом для угольных разрезов крайне важен гидрогеологический мониторинг из-за значительного влияния подземных вод на устойчивость. Для рудных карьеров же требуются более точные и частые наблюдения, поскольку даже довольно крупные обрушения могут происходить, предваряясь небольшими (первые сантиметры) смещениями. Для мониторинга локальных деформаций (заколов, трещин на бермах уступов) необходимо использовать экстензометры (особенно автоматизированные) и т. д.
***
Приведенные требования Ростехнадзора могут сниматься собственными силами компаний или при участии сторонних организаций. Из нашего опыта наиболее успешным подходом является разделение задач между исполнителями по видам. Разработку геомеханической модели, количественную оценку рисков и постановку мониторинга деформаций желательно проводить силами специализированных организаций. Эти работы часто выполняются одновременно с проектированием карьера. Геотехники предприятий обычно занимаются качественной оценкой рисков, прогнозом устойчивости и мониторингом. Учитывая новизну описываемых работ и дефицит опытных специалистов, очень важно проводить обучение этих сотрудников.
Список литературы
1. Лукичев В. Г. Оценка устойчивости бортов карьеров на основе геомеханической модели / Дисс. к. т. н. — Свердловск. — 1984. — 245 с.
2. Ливинский И. В., Митрофанов А. Ф., Макаров А. Б. Комплексное геологическое моделирование: структура, геология, разумная достаточность // Горный журнал. — 2017. — № 8. — С. 51–55.
3. Ильясов Б. Т., Солуянов Н. О., Садинов Ш. М. Оптимизация бортов карьера Бесапантау на основе 3К-моделирования в программном комплексе DIGGER SLOPE // Научно-технический и производственный журнал «Горный вестник Узбекистана». — № 1 (92). — 2023. — С. 4–12.
