Автоматизация мониторинга экологической ситуации на гидросооружениях и хвостохранилищах

А.Г. Медведев — директор по отраслевым решениям в горнодобывающей промышленности К2Тех.

В процессе добычи полезных ископаемых образуются большие объемы опасных отходов, которые обычно хранятся в специальных гидротехнических сооружениях (ГТС) — хвостохранилищах. Ненадлежащий уровень их эксплуатации может привести к обвалам и обрушениям дамб сооружений и повлечь за собой серьезные последствия для населения, экологии и самих компаний, владеющих месторождениями.

Одним из фокусов компаний в последние годы является проактивный подход к развитию культуры промышленной безопасности — курсу устойчивого развития, который остается в периметре внимания в добывающем секторе. Поэтому мировые тенденции в области обеспечения безопасности гидротехнических сооружений (ГТС), к которым относятся хвостохранилища, направлены на поиск и внедрение технологий, позволяющих обеспечивать оперативный, информативный, качественный и надежный контроль за состоянием объектов в целях прогнозирования и предотвращения критических и аварийных ситуаций.

Проактивный подход

За последнее десятилетие в мире было зарегистрировано более 50 крупных инцидентов, которые приводили к сбросам в окружающую среду колоссальных объемов вредных отходов. Одной из последних аварий стала утечка на месторождении битумных песков Керл компании Imperial Oil в Канаде. В 2023 г. экологи обнаружили, что в течение года из хвостохранилищ месторождения вытекали промышленные сточные воды, содержащие токсины, в том числе мышьяк и растворенное железо.

Разрушительная катастрофа произошла 25 января 2019 г. на дамбе горнодобывающей компании Vale в Брумадинью (Бразилия). Убыток для компании составил 7,4 млрд долл. в 2019 г. и 5,25 млрд долл. в 2020 г. Восстановительные работы заняли две недели. Кредитный рейтинг компании, по данным агентства Fitch Ratings, упал до BBB.

В 2016 г. на Таловском хвостохранилище в Казахстане после выхода из строя коллектора воды, который был частью ГТС, произошел аварийный сброс загрязняющих веществ в реки Ульба и Филипповка. Отходы привели к аварийному загрязнению воды, что побудило население даже в отдаленных городах вдоль водных путей в Казахстане и России (в том числе в Омске, расположенном более чем в 1 тыс. км) принять особые меры предосторожности.

Сегодня в производстве только цветной металлургии России накоплены миллиарды тонн отходов обогащения и сотни миллионов тонн металлургических шлаков. И риски экологических инцидентов на таких ГТС достаточно высоки.

Помимо прямого негативного влияния на экологию, обрушение дамб хвостохранилищ ведет к полной остановке добывающих работ на карьере на не определенное время, что влечет за собой колоссальные потери и в части прибыли. Поэтому сегодня грамотный подход к управлению хвостохранилищем должен включать в себя проактивный мониторинг состояния дамб как один из факторов, способных влиять на снижение вероятности экологических инцидентов на хвостохранилищах и, соответственно, на снижение рисков для окружающей среды и бизнеса.

Выявление и предотвращение инцидентов

В России инструментальный контроль технического состояния ГТС до сих пор осуществляется преимущественно ручными методами, с ведением статистического учета данных в журналах и прочей технической документации. Такой подход затрудняет раннее понимание состояния и возможность вовремя среагировать и предотвратить инцидент. В отдельных случаях на практике встречается автоматизация пьезометров, фильтрационных расходов, уровня воды, отдельных расходомерных точек и др. Однако такой подход не имеет системного массового характера.

Согласно аналитическим данным, 99% аварийных случаев, произошедших на хвостохранилищах, можно было предотвратить. Сделать это возможно за счет проактивного прогнозирования: изучения объекта, наблюдения за состоянием дамб и их деформацией в режиме реального времени и оперативного предоставления информации поведения гидротехнических сооружений.

В частности, предотвратить аварии или смягчить их последующий ущерб возможно, используя комплекс программного обеспечения для геотехнического мониторинга. Внедрение системы мониторинга и управления (СМУ) ГТС позволяет сформировать комплексное видение процессов контроля над состоянием дамб на всех стадиях разработки и обеспечить руководителей компании и специалистов разного уровня информацией для повышения оперативности управленческих решений и действий по снижению рисков разрушения ГТС.

Именно комплексный подход к организации мониторинга и контроля над состоянием хвостохранилища оценивается экспертами как наиболее эффективный и перспективный способ предотвращения аварийных ситуаций в процессе проведения горных работ.

Выявление деформационных процессов, нарушений устойчивости тела и основания дамбы хвостохранилища ведется за счет определения конкретных мест проявления и точных размеров, а также установления причин их возникновения. Определение размеров деформаций, контроль над их развитием с учетом времени может производиться двумя известными методами — прямым и косвенным (табл. 1).

Работа системы и ожидаемые результаты

СМУ ГТС осуществляет регулярный автоматический опрос датчиков, установленных на объектах, по заданному временному режиму, например, один раз в сутки или чаще, включая температурный замер, пьезометрический уровень и деформационные показатели.

Методы	Приборы измерения
1. Прямой метод Измерение размеров подвижки и деформаций	Пьезометры для измерения давления жидкостей Инклинометры для измерения угла наклона поверхности Трехкоординатные датчики наклона (Shape Acceleration Arrays) Постоянные геодезические марки Спутниковый интерферометрический мониторинг Наземные геотехнические радары Лазерные сканеры Рефлектометры домена времени (Time-Domain Refleltometry) Сейсмометры Данные визуальных полевых инспекций и пр.
2. Косвенный метод Измерение полных физических характеристик горного массива	Радиодатчики для измерения температуры Электрометрические датчики для измерения уровня вибрации Ультразвуковые датчики для контроля положения и перемещения породы Контрольно-измерительная аппаратура (КИА)

Табл. 1. Методы контроля развития деформации породы

Передача контролируемых параметров на автоматизированный блок опроса КИА, накопление полученной информации на сервере и возможность автоматизированного анализа полученных показателей с помощью программного продукта реализуется за счет внедрения автоматизированной системы мониторинга (АСМ) контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), устанавливаемой на ГТС хвостохранилища.

Фактически АСМ ГТС представляет собой комплекс всевозможных датчиков: закладных термометрических кос, сеть инклинометров, датчиков расхода (расходомеров), малогабаритных метеостанций и пр. (принцип подхода показан на примере информационной системы «ОАЗИС», К2Тех).

Благодаря оборудованию АСМ ГТС существует возможность автоматизировать следующие виды наблюдений:

• контроль температуры в теле грунтовых сооружений;
• контроль над деформацией в теле и основании грунтовых сооружений;
• учет оборотной воды, пульпы и обеззараженных растворов;
• контроль над метеорологическими параметрами.

После автоматического опроса датчиков система производит обработку измерительной информации и результатов натурных наблюдений, осуществляет оперативную диагностику со стояния ГТС: выполняет вычисления и сравнение значений полученных диагностических показателей с критериями безопасности, а также показывает тренд на основании исторических данных.

Затем система отображает данные контрольно-измерительной аппаратуры с помощью изменяющегося цветового кода в формате «светофорной модели» и выводит отчет о состоянии хвостохранилища на дашборд.

В ситуации, когда система фиксирует отклонения от нормы, она формирует предупреждающие сигналы и передает их в виде сообщений на мобильные средства связи пользователя.

За счет таких сообщений специалисты на всех уровнях могут оперативно отреагировать, предпринять предупреждающие действия и нивелировать потенциальные риски.

С каждым днем роль цифровых технологий в поддержании экологического равновесия растет. Располагая современными средствами мониторинга и пользуясь достоверными методами прогнозирования поведения деформаций внутри и снаружи дамб хвостохранилищ, горнодобывающие предприятия в состоянии проводить объективную оценку рисков и вовремя принимать меры по их устранению.
 
Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 4 (62)/декабрь 2023 г.