Геотехнический мониторинг в горной добыче

Понятие геотехнического мониторинга неразрывно связано с трагедиями. Невозможно начать разговор на эту тему, не вспомнив крупные катастрофы последних десятилетий, произошедшие на добывающих объектах.

Сегодня особенно часто в пример приводят три аварии: оползень грунта на медном руднике Бингем-Каньон в штате Юта в апреле 2013, прорыв хвостохранилища на железорудном месторождении корпорации Vale в Бразилии в 2019 году и, наконец, обвал породы на угольном разрезе в аймаке Алашань на севере Китая (Внутренняя Монголия) в феврале 2023 года. Все эти истории связывает даже не сам комплекс измерительных работ, а то отношение, которое демонстрируют к нему многие добытчики.

«Обрушение на Бингем-Каньон считается одним из крупнейших в современной истории: сошло 65-70 миллионов кубометров горной массы. К счастью, при помощи геотехнических средств мониторинга, в данном случае геотехнических радаров, пострадала только техника [14 грузовиков — прим. редакции], а человеческих жертв удалось избежать.

Более того, компания в кратчайшие сроки начала восстановительные работы. В 2019 году, после прорыва хвостохранилища в Бразилии, когда погибло множество сотрудников и жителей близлежащего посёлка, компании Vale пришлось инвестировать 1,9 млрд долларов, чтобы ликвидировать последствия аварии и внедрить средства мониторинга на все другие свои объекты. С тех пор власти Бразилии на госуровне обязали все горнодобывающие компании внедрить у себя практику геотехнического мониторинга.

Казалось бы, что это очень показательный пример. Но в феврале 2023 года, к сожалению, произошёл сход горной массы (3,5 млн кубометров) на угольном разрезе месторождения Ашань в Китае. Были погибшие, и ещё 50 человек были признаны пропавшими без вести. Эта трагедия свидетельствовала, что там не применялся никакой геотехнический мониторинг», — рассказал в своём докладе «Геотехнический мониторинг с использованием радарных и лидарных технологий» на Mining World Russia 2023 директор департамента геотехнического мониторинга ГК «Эвобласт»
Эрик Канаев.

Именно в такой последовательности прослеживается очень горькая ирония: после однозначно позитивного примера многие добытчики, как показывает практика, не стали восполнять пробелы в контроле своих объектов. Допустим, хорошие явления люди запоминают хуже — это особенности мозга, соответствующее исследование даже публиковали в научном журнале Current Biology.

Но и после трагедии, унёсшей жизни как работников рудника, так и людей из расположенного неподалёку населённого пункта, внедрение автоматизированных инструментов контроля всё ещё не стало повсеместной практикой. Это доказывает прошлогоднее бедствие в Китае.

«Геотехнический мониторинг необходим всем горнодобывающим предприятиям независимо от используемого метода обработки и целевого полезного ископаемого. Этот комплекс мер и инструментов обеспечивает надёжность и реализуемость ПРГР, снижая риски наступления внезапных обрушений, а также минимизирует простои оборудования за счёт оперативного планирования работ с учётом активных деформаций», — выразил уверенность директор по отраслевым решениям в горнодобывающей промышленности ООО «К2 Тех» (бренд «К2Тех») Алексей Медведев.

Пример других сфер

Алексей Медведев уточняет, что различные методы отслеживания смещений и деформаций применяются столько, сколько существует горная добыча. Однако, как замечают некоторые эксперты, в современном своём виде автоматизированные и более технологичные способы и инструменты контроля приходили в добывающую отрасль довольно медленно.

«Вся эта история с инструментальным и автоматизированным мониторингом пришла в хвостохранилища из большой энергетики, где ещё с 1990-х было сформировано много нормативной документации, касающейся того, как, чем и где нужно мониторить те или иные контролируемые параметры.

Сегодня в энергетике большое количество СТ и ГОСТов, которые чётко регламентируют количество, способы мониторинга и, в частности, требования по развёртыванию систем на объектах. Сегодня по хвостохранилищам у нас такой базы, к сожалению, нет», — поделился мнением в рамках геовебинара партнёр «К2Тех», эксперт по гидротехничеким сооружениям Владислав Усков.

Помимо энергетики, очень активно средства геотехнического мониторинга применяются в строительстве. Можно даже провести простой эксперимент: просто вбить соответствующий запрос и посмотреть, в каком контексте будет выдача. Чаще всего она будет связана именно с этими двумя отраслями, а, чтобы найти информацию по нашей отрасли, придётся потратить куда больше времени.

Вероятнее всего, причина в том, что объекты строительства и энергетики непосредственно интегрированы в жилую среду. Люди постоянно находятся в зданиях, периодически сменяя одно другим, поэтому любая авария в жилом массиве грозит огромными жертвами.

Горная добыча, безусловно, всё ещё считается одной из самых опасных отраслей, способных привести к катастрофам с большим числом пострадавших. Но ситуация в этом секторе всё же значительно улучшилась. Профильным специалистам с 2000-х гг. пришлось много работать и заниматься информированием и просвещением, чтобы добывающий сектор становился всё более безопасным.

А, чтобы риски происшествий были ещё ниже, государство стало ужесточать эксплуатационные и экологические требования. Поправки в довольно-таки старые документы стали активно вносить с 2020 года.

Это коснулось таких документов, как:

• ФЗ от 21.07.1997 № 116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (ред. от 08.12.2020);
• ФЗ от 21.12.1994 № 68 «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (в ред. от 23.06.2020);
• Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 13 ноября 2020 г. № 439 об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и откосов отвалов».

В последнем документе указано, что использование, в частности, геотехнического мониторинга (ГТМ) на объектах горнодобывающей промышленности обязательно.

Но, как это часто бывает, «обязательность» подкрепляют финансовой ответственностью. Год назад, весной 2023, Госдума приняла поправки в закон № 2395-1 «О недрах», согласно которым будет усилена ответственность недропользователей за ликвидацию нанесённого вреда окружающей среде. На основании как мирового, так и российского опыта ужесточение особенно коснулось контроля состояния хвостохранилищ.

«Рост активности применения технологии геотехнического мониторинга в первую очередь связан с желанием высшего руководства управлять рисками в области контроля состояния горного массива, который в случае обрушения может не только нести физическую угрозу персоналу и оборудованию, но и вызывать длительные простои в работе всего ГОКа», — заметил Алексей Медведев.

Как показал американский опыт, технологии геотехнического мониторинга необходимы для сбора данных по состоянию бортов и ступеней карьера во избежание обрушения и оползня.
Более того, различные инструменты мониторинга позволят отследить, например, состояние неустойчивых грунтов, на которых могут располагаться те же дорожные пути.

«Один из опасных процессов, который происходит на насыпных грунтах, — выпор (перемещение масс). Впоследствии — проседание основания насыпного сооружения и поднятие абсолютных отметок по бокам. Такое может произойти, если даже под уплотнённой насыпью будут находится мягкопластичные грунты.

Когда в них начинают развиваться процессы консолидации, пластические деформации, то сам грунт в основании насыпи будет разуплотняться. Если за этим не следить, то произойдёт разрушение.

Если поверх расположена, например, дорога, это может привести к большим экономическим последствиям. Этот процесс происходит не мгновенно, поэтому можно подловить момент и принять соответствующие инженерные решения», — привёл пример в своём докладе на «Геовебинаре» (ООО «Кибергео») геофизик ООО «ИГИГ» Олег Ерёмин.

Пусть в своём выступлении спикер говорил больше о геофизических методах в отношении дорожных полотен, но, во-первых, песчаный грунт бывает и на добывающих объектах, а во-вторых, многие эксперты относят геофизические методы к подвиду геотехнического мониторинга.

«Одно из основных преимуществ этих методов в том, что они неразрушающие. Что я имею в виду: иногда по регламентам нельзя нарушать целостность объектов. Это касается геотекстиля и дренажных систем. Не всегда нам дадут пробурить их там, где нам этого хочется, чтобы, например, провести статическое зондирование грунтов», — уточнил Олег Ерёмин.

Диапазон возможностей

Собственно, это демонстрирует то, что универсальных технологий нет. Геотехнический мониторинг в рамках одного предприятия может разниться в зависимости от решаемых задач и конкретных условий.

«Технологии мониторинга постоянно совершенствуются. На подземных горных работах (ПГР) может быть особенно актуален точечный мониторинг крепи кровли, на открытых горных работах (ОГР) — сплошной мониторинг большого участка откоса, на хвостохранилищах — отслеживание уровня воды в теле дамбы, а на отвале — мониторинг вертикальных просадок всего массива.

Наша же компания занимается разработкой и внедрением комплексной системы мониторинга и управления хвостохранилищем, которая позволяет интегрировать в себя все геотехнические инструменты на объекте, а также автоматизировать бизнес-процессы и основной документооборот, связанный с деятельностью хвостохранилища», — перечислил Алексей Медведев.

Эволюция идёт семимильными шагами, дополняет спикер. Появляются новые инструменты мониторинга, например такие, как «гибкие» инклинометры (Shape Accel Array), оптоволоконные сенсоры, новые средства анализа и «очистки» данных на основе искусственного интеллекта. Всё это интегрируется в профильном ПО.

Множество приборов работают на основе лазерных и ультразвуковых технологий, например лидары (LiDAR) для сканирования пространства на достаточно дальние расстояния, интерферометрические радары с синтетической апертурой (InSAR), воздушные (ALS) и наземные (TLS) лазерные сканеры. Они всё более успешно заменяют традиционные датчики, которые могут сбоить в непростых климатических или промышленных условиях.

В Армении, например, ряд экспертов ещё с 2021 года продвигает метод статического зондирования (CPTu, Cone Penetration Test), который позволяет отслеживать поровое давление в грунте, его объёмный вес, а также прочность пород на сдвиг. Замер геотехнических показателей происходит в толще грунта.

Для замера скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн, которая позволяет определить, в частности, трещиноватость породы на объекте, профильные учёные рекомендуют метод SCPTu (Seismic Cone Penetration Test), или сейсмостатического зондирования.

«При этом становится возможным отдельно произвести отбор проб ненарушенной структуры из грунтов тектонического разлома для их дальнейших лабораторных исследований», — пишет в одной из своих научно-практичных работ д-р тех. наук, зав. лабораторией геомеханики и горных работ ЗАО «Лернаметалургиаи институт» Левон Манукян.

Если более детально поговорить о контроле хвостохранилищ, то в этом направлении набирают популярность автоматизированные комплексы контроля расхода воды, работающие как с использованием мерных водосливов, так и без них.

Всё большую популярность в России вслед за зарубежными добытчиками, у которых этот метод становится едва ли не массовым, приобретают популярность системы скважинных инклинометров для контроля послойных вертикальных и горизонтальных смещений грунта в теле дамб. Одно из их основных преимуществ в том, что их можно интегрировать не в один, а в несколько этапов без остановки важных процессов на месторождении.

Более того, различные инструменты отличаются не только многообразием, но и стоимостью. Как считают эксперты, если использовать необходимое базовое геотехническое оборудование, направленное на управление рисками, то не придётся потом тратить значительно больше средств на комплексы уже аварийного мониторинга.

«Когда у нас минимальные технические риски, то нам не обязательно использовать дорогостоящие инструменты. Для этого достаточно, например, InSAR — средств спутникового мониторинга. Уже при возрастании технических рисков методы и инструменты становятся сложнее и дороже: глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), геотехнические радары. Аварийные радары устанавливаются уже в самых крайних случаях», — объяснил в рамках своего выступления на Mining World Russia 2023 Эрик Канаев.

Многие эксперты приводят ещё один аргумент в пользу таких устройств — они экономят средства. Благодаря ГТМ добытчики могут повысить производительность за счёт того, что сократят до минимума риски, связанные с разрушением откосов и уступов и инфраструктуры. Этот комплекс средств способен также оптимизировать процессы добычи и транспортировки полезных ископаемых.

Именно поэтому современные технологичные устройства для контроля состояния добывающих объектов сегодня стараются сделать максимально доступными для добытчиков любого масштаба. Особенно в современных условиях меняющейся экономики.

Экспорт vs. импортозамещение

Есть несколько версий, когда именно в России стали в масштабе рынка появляться инструменты геотехнического мониторинга. Как сообщает в одной из своих презентаций ГК «Эвобласт», катализатором стали обрушение уступа на руднике в Красноярском крае в 2016 году, которое привело к сходу 70 тыс. м3 горной массы, и ряд аварийных инцидентов на Кузбассе. Есть и эксперты, которые предлагают начинать отсчёт с 2010 года, когда соответствующие агрегаты стали ввозить на внутренний рынок частные лица.

Единственное, в чём сходятся все игроки отрасли, так это в том, что за рубежом эти технологии стали активно использовать и применять значительно раньше — там они известны уже около 30 лет. Поэтому неудивительно, что лидеры по производству такой продукции находятся именно за границей. Как рассказывал в одном из наших интервью директор по стратегическому развитию ГК «Эвобласт» Сергей Мозер, за несколько десятилетий оформилось три основных лидера: Австралия, Италия и ЮАР.

Пусть Южно-Африканская Республика и входит в перечень дружественных/нейтральных стран по отношению к России, но логистика продукции и её оплата значительно усложнилась. Поэтому, как и в случае многих других отраслей, добытчики начинают разворачиваться на Восток, а именно к Китаю.

Только, как предупреждают практически все представители отрасли, переориентация на Китай требует ответственного подхода. КНР, действительно, может предложить достойные аналоги инструментов для ГТМ, но их надо тщательно проверять и тестировать именно в российских условиях: некоторая продукция может быть для них совсем не подходящей.

В России же производство таких решений сдвинулось с мёртвой точки. Значительные успехи уже наблюдаются в нише специализированного программного обеспечения.

«Как представитель российской профильной компании-разработчика, я бы назвал отечественный рынок оборудования и ПО для геотехнического мониторинга в горном деле развивающимся. Многие компании находятся на относительно ранних этапах цифровой зрелости. Это обуславливает отсутствие возможности обрабатывать и анализировать большие массивы данных.

При этом есть ряд передовых предприятий, которые активно развиваются в этом направлении и стремятся применять новейшие технологии», — подчеркнул Алексей Медведев.

Безусловно, курс на импортозамещение будет стимулировать отдельные производства, однако если бы на продукцию для ГТМ не было спроса, то и развитие происходило бы ещё медленнее. А так в последнее время ситуацию на рынке контрольно-измерительной аппаратуры для гидротехнических сооружений можно назвать умеренно позитивной.

Появляется всё больше нормативов, которые стимулируют добытчиков устанавливать средства геотехнического мониторинга, завезённые или же отечественные, если последние доступны. Ну а конкуренция и спрос так или иначе будут стимулировать отечественных игроков этой ниши. Мы продолжим следить за развитием этого направления.

Алексей Медведев, директор по отраслевым решениям в горнодобывающей промышленности ООО «К2 Тех» (бренд «К2Тех»)

«В части дистанционного мониторинга (георадары, тахеометры, лазерные сканеры и дроны) всё ещё наблюдается определённая импортозависимость. Что же касается скважинных датчиков, то в России есть ряд производителей, которые либо уже давно сами производят конкурентные решения, либо организовали реверс-инжиниринг западных инструментов. ПО, в свою очередь, уже довольно давно разрабатывается отечественными компаниями».

Текст: Мария Бобова