Принципы выбора средств деформационного мониторинга на карьере
Занимаясь разработкой программ для деформационного мониторинга мы заметили, что критерии выбора инструментов для мониторинга нигде четко не обозначены. Мы не нашли, по крайней мере на русском языке, удобной методики выбора инструментов для мониторинга, из которой будет понятно, какие технологии, приборы, методы следует применять в тех или иных горно-геологических условиях.
Постоянно появляются новые инструменты: геомеханические радары, дроны с лидарами, различные точечные датчики, тепловизоры и др. Объекты для мониторинга сильно различаются по параметрам деформационных процессов: отвалы, карьеры, хвостохранилища, очевидно, требуют разных подходов. Ну и в качестве вишенки на торте желание многих всё это дело автоматизировать, что похвально, но усложняет запуск мониторинга на порядок.
Всё это часто ложится на плечи геомеханика (или даже маркшейдера), от которого требуется выбрать правильные технологии и запустить их на своём объекте.
Хотим поделиться своими соображениями, на что надо обращать внимание при организации наблюдений за деформациями.
Характеристики инструментов
Для любого инструмента мониторинга можно выделить следующие характеристики измерений: частота, точность, пространственная плотность. Эти параметры являются наиболее важными.
Частота и точность измерений - это показатели, понятные, пожалуй, почти любому маркшейдеру или геомеханику. Под пространственной плотностью мы понимаем количество измерений на единицу площади или объёма наблюдаемого объекта за одну серию измерений. Для точечного датчика, такого как GPS-ровер, данный показатель будет соответствовать количеству датчиков например на 1 км2 площади карьера. Для интерферометрического радара этот показатель можно принять соответственно равным пространственному разрешению. Аналогичным по смыслу показателем будет площадь, на которую в среднем приходится одно измерение.
Также есть различные дополнительные характеристики, которые надо принимать во внимание: применимость в тех или иных климатических условиях, трудоемкость, опасность и сложность установки, потребность в узких специалистах и т.п.
Параметры деформационных процессов
На какие показатели деформаций следует обращать внимание?
- Длительность процесса,
- максимальное смещение перед обрушением,
- размеры деформации,
- тяжесть последствий при обрушении.
Очевидно, что для отвала, угольного разреза, высокого борта карьера или отдельного уступа эти параметры будут сильно различаться.
Почему данные показатели деформаций важны?
От них зависит, какие требуются характеристики инструментов мониторинга.
Требования к инструментам мониторинга
Выработать требования к инструментам мониторинга можно сопоставив характеристики инструментов с соответствующими параметрами деформационных процессов.
- Погрешность измерений прибором должна быть кратно ниже ожидаемых критических смещений.
- Периодичность измерений должна быть кратно меньше длительности развития деформации.
- Пространственная плотность измерений должна быть такой, чтобы расстояние между отдельными измерениями было заведомо меньше размеров деформирующегося массива.
- Стоимость мониторинга должна быть меньше ожидаемой тяжести последствий.
Только при удовлетворении этих требований можно гарантировать эффективность мониторинга. Исходя из этих требований можно выбрать подходящий, и даже оптимальный, инструмент для любых объектов ведения горных работ.
Пройдёмся по каждому критерию из списка подробнее
1. В зависимости от вида деформации критическое смещение (или скорость смещения) может различаться. Например, если для крупного отвала смещение до обрушения может достигать метровых величин, то для скального уступа оно может составить первые миллиметры. Очевидно, что обнаружить смещение до достижения им критических значений можно, только если точность прибора позволяет выявлять подобные смещения. Это же, на наш взгляд, справедливо для скоростей и других измеряемых показателей.
Не стоит забывать, что показатель погрешности измерения 1 СКО обеспечивает лишь 68% доверительный интервал при нормальном распределении! Если это неприемлемо, то можно воспользоваться величинами 2 или 3 СКО, которые обеспечивают, соответственно, 95% и 99.7% вероятности.
2. Измерения надо проводить с такой частотой, чтобы успеть зафиксировать деформационный процесс, который развивается в течение какого-то времени. Сильно упрощая можно сказать, что если, например, борт будет деформироваться несколько дней перед обрушением, то для обнаружения деформаций до обрушения необходимо проводить измерения минимум ежедневно. Понятно, что заранее прогнозировать длительность деформационных процессов сложно, но такие данные постепенно накапливаются научным сообществом и оценить, пусть даже с низкой надежностью, данную величину становится возможно.
3. Данный критерий говорит о том, что, например, датчики, отражатели надо ставить так плотно, чтобы расстояние между ними было не больше, чем размер деформации, которую требуется зафиксировать. С точки зрения теории Найквиста для надежного выявления деформации расстояние между точками измерения должно быть не больше половины минимального размера отслеживаемой деформации. Если, например, требуется заблаговременно выявлять возможные обрушения уступов с помощью тахеометра, то и отражатели необходимо устанавливать на расстоянии (кратно) меньше высоты уступа, иначе вывалы могут произойти между отражателями.
4. Пункт о целесообразности мер мониторинга. Следует понимать, что если обрушение уступа может привести к остановке работы карьера, то стоимость простоя обойдётся предприятию в определенную сумму. Если умножить эту сумму на вероятность обрушения, то получаем риск в стоимостном выражении, который можно сравнить со стоимостью оборудования для мониторинга и принять решение о его необходимости. Можно в этих расчётах учесть, что наличие оборудования не исключает риска, а лишь снижает вероятность его реализации.
Если есть риск вывала нескольких кубометров грунта на участке, где нет опасности для персонала или оборудования, то тратить средства на предупреждение о вывале может быть нецелесообразно.
Примеры применения критериев
Например, для отвалов напрашивается применение фотограмметрической или лидарной аэросъёмки. Смещения перед обрушением обычно большие, точности в первые сантиметры для мониторинга в общем случае будет достаточно. Развитие деформационных процессов происходит длительное время (месяцы) и достаточно проводить съёмку например ежемесячно или ежеквартально, соответственно, автоматизация съёмки не требуется.
Кроме того, надо учесть большие площади, сложность заложения пунктов, трудоемкость наземных съёмок, ведение горных работ, из которых следует, что требуется площадной, а не дискретный мониторинг. На выявленных опасностях можно, в зависимости от их уровня, пользоваться маяками или экстензометрами, в том числе автоматизированными.
На карьерах в скальных породах обрушение уступа может произойти за несколько часов, предваряясь смещением в несколько миллиметров. При таких показателях обрушение уступа можно спрогнозировать только сверхточным и автоматизированным и площадным инструментом мониторинга, таким как геомеханические интерферометрические радары.
Где-то между этими двумя примерами находятся большое количество всевозможных условий, для которых могут выбираться те или иные инструменты.
Все примеры в публикации относились к открытым горным работам, однако все 4 предложенных критерия могут работать и для подземных выработок и рудников.
Заключение
В области деформационного мониторинга есть ещё очень много актуальных и интересных тем, которые невозможно раскрыть в одной статье и это тема больших отдельных публикаций.
Есть специализированные инструменты, которые могут быть полезны в определенных горно-геологических условиях. Тема рисков и их учёта при обосновании средств мониторинга - сегодня это не паханное поле. Автоматизация мониторинга и новые инструменты добавляют возможности каждый день.
Данная статья была нацелена на то, чтобы предложить универсальные критерии для выбора инструментов мониторинга или, по крайней мере, предложить принципы, которыми можно руководствоваться. Надеюсь, что у нас это получилось.