Задача обеспечения всеобъемлющей стратегии отслеживания дамб хвостохранилищ требует более целостного взгляда с упором на данные мониторинга и связь с изначальными предположениями. Используя GeoStudio SEEP/W как часть данной стратегии, AECOM предлагает более безопасный и более подходящий для совместной работы подход с целью улучшения процесса принятия решений.
Люк Кларксон (Luke Clarkson), получивший докторскую степень в 2021 году, провел ряд теоретических и тематических исследований в рамках диссертации по разработке комплексной стратегии мониторинга дамб хвостохранилищ.
В 2020 году на безымянном австралийском золотом руднике был начат исследовательский проект, чтобы помочь понять влияние внешних условий на фреатическое состояние, а также то, как и когда эти изменения могут отражаться в отдельных местах расположения пьезометров.
Поскольку при распространении изменений порового давления в дамбе хвостохранилища наблюдается отсроченный эффект, для облегчения этого переходного анализа была использована программа GeoStudio SEEP/W. Представляя собой эффективное решение для моделирования потока подземных вод в пористой среде методом конечных элементов, SEEP/W позволяет пользователям моделировать простые задачи установившегося состояния насыщенных грунтов или сложный анализ переходных процессов с насыщенным / ненасыщенным состояниями, например просачивание через сложные дамбы хвостохранилища выше по течению.
«Используя калиброванную модель, мы получаем более целостное представление о плотине нашего хвостохранилища», — говорит Люк.
«Отражая практические данные в теоретической модели, мы можем уточнить предполагаемые конструктивные параметры в соответствии с изменением характеристик в течение длительного периода времени. Дамба хвостохранилища представляет собой уникальную изменяющуюся среду, которая строится итеративно и содержит разнообразный шламовый материал, а не чистую воду. Возможности анализа переходных процессов SEEP/W имели критическое значение».
Фреатическое состояние в дамбах хвостохранилищ и заполненных хвостохранилищах реагирует по-разному в зависимости от проницаемости материалов и изменений внешних условий. Для операторов и проектировщиков важно понимать эти изменения и их связь с местами расположения отдельных пьезометров.
Чтобы изменения порового давления, вызванные в одном месте дамбы хвостохранилища, распространились до заданного места пьезометра, может пройти значительное время, следовательно, можно ожидать отсроченного эффекта. Понимание этого переходного процесса является ключом к ежедневному управлению.
Более эффективное управление хвостохранилищами
Новый Глобальный отраслевой стандарт по управлению хвостохранилищами, представленный Международным советом по горному делу и металлам (ICMM), возлагает на операторов ответственность за более эффективное управление своими хвостохранилищами.
Используя данные, полученные с золотого рудника в Австралии от Тодда Армстронга (Todd Armstrong), заместителя директора по проектированию плотин в AECOM, Люк разработал числовую модель при помощи GeoStudio SEEP/W на основе существующих условий и расположения дамб.
Первоначальная цель модели состояла в том, чтобы отразить процессы, происходящие на промплощадке. Места установки пьезометров и выполняемые этими приборами измерения сравнивались со сценариями, полученными путем построения числовых моделей, и выполнялась калибровка модели по характеристикам на месте. Это, в свою очередь, позволило оценить чувствительность фреатических условий к гипотетическим изменениям среды дамбы хвостохранилища.
«Функция, которая подвигла меня к использованию GeoStudio — это возможности SEEP/W по анализу переходных процессов», — разъясняет Люк. «Мы можем смоделировать изменение уровня воды во времени, что очень важно для состояния дамбы хвостохранилища».
Преодоление проблемы влияния факторов и параметров
Самой большой проблемой было количество и влияние параметров, влияющих на фреатическое состояние, поскольку среда дамбы хвостохранилища очень чувствительна к подобному влиянию.
«У нас был практический ответ, который мы пытались получить на основании данных пьезометров, поэтому мы старались смоделировать его вместо того, чтобы начинать с теоретического анализа и оценивать вероятные события в будущем», — поясняет Люк.
«Мы отслеживали данные в обратном хронологическом порядке. Мы должны были сделать их как можно более репрезентативными. Это означало много переходов к состояниям в различные моменты времени, чтобы полученные на выходе результаты совпали с входными данными. Но, несмотря на итеративный характер работы, мы достигли точки удовлетворенности моделью. То, что мы получили тренд, близкий к наблюдаемым показаниям нашего пьезометра, стало для нас радостным облегчением и в то же время впечатляющим событием».
Калибровка модели
Калибровка измерений установленных на площадке пьезометров с моделированием порового давления воды в SEEP/W позволили рассмотреть гипотетическое влияние увеличения подпорного уровня, латеральные изменения коэффициента проницаемости, а также ввести коэффициент влияния внешней нагрузки на поровое давление воды на дамбе хвостохранилища.
Это проиллюстрировано на рисунках ниже. График «фактических данных пьезометров» создается на основе показаний пьезометров, снятых на месте: «откалиброванный» вид представляет смоделированный профиль просачивания, тогда как «увеличение подпорного уровня», «латеральные изменения» и «внешняя нагрузка» отражают различные сценарии внешних условий.
Общая величина изменения высоты суммарного напора, как правило, была достигнута, а смоделированный ответ находился в пределах 3,7 м (включая пики данных) или 2,2 м (исключая пики данных) при сравнении показаний установленных на объекте пьезометров на месте с уровнями возвышения, полученными в откалиброванной модели.
Понимание характеристик плотины
Исследования Люка в сочетании с разработкой AECOM позволили откалибровать модель, отразив практические данные, чтобы лучше понять характеристики дамбы хвостохранилища в целом и минимизировать риски.
Исследование показало, что при рассмотрении реальных характеристик дамбы хвостохранилища важно понимать, что измерения могут производиться в режиме реального времени, но измеряемые условия показывают запаздывающий отклик на изменения порового давления воды. Рассмотренные внешние условия (увеличение подпорного уровня, введение внешней нагрузки и переменный латеральный коэффициент проводимости) увеличили высоту суммарного напора в точках измерения пьезометрами по сравнению с полевыми данными. Было высказано предположение, что различные внешние условия отражают различные параметры высоты суммарного напора. Практикующие специалисты также могут повторно применить подход, основанный на рекомендациях в исследовательской работе, с учетом уникальных наборов данных с их участков.
Улучшение совместной работы для достижения высоких стандартов
Модель обеспечивает лучшее сотрудничество между проектировщиками и операторами на месте. Данный подход также обеспечивает передовые методы работы и помогает выполнять обязательства в отношении новых глобальных руководящих принципов Международного совета по горному делу и металлам (ICMM) по хвостохранилищам.
Спрос на хвостохранилища — и, в свою очередь, связанный с ними риск — со временем растет в геометрической прогрессии. Благодаря доступу и использованию соответствующих подходов к проектированию и строительству, а также к эксплуатации и мониторингу специалисты по хвостохранилищам могут лучше подготовиться к пониманию и оценке износа уникальных конструкций хвостохранилищ, с которыми они работают.
«Проверка правильности предполагаемой модели проектирования означает, что для достижения лучшего понимания мы применяем знания, накопленные за долгие годы. Судя по тому, как развивается отрасль хвостохранилищ, гораздо больше внимания уделяется мониторингу данных и приборов и их привязке к исходным предположениям, а не обработке их как отдельных частей», — говорит Люк.
«Когда плотина будет введена в эксплуатацию, многие заинтересованные стороны рассмотрят данные мониторинга, прежде чем вернутся и изучат первоначальный проект или предположения. Объединение их вместе дает более целостное представление. Это обеспечивает более безопасный подход к сотрудничеству между заинтересованными сторонами и обеспечивает информированное обсуждение и принятие решений».
Источники:
Это исследование было частью темы исследования для докторской диссертации с целью использования глобальных контактов и ранее полученных знаний для углубления понимания стратегий мониторинга дамб хвостохранилищ.
Читать полный текст диссертации здесь.
https://www.researchgate.net/publication/352983518_Comprehensive_Monitoring_Strategy_for_Tailings_Dams