Лаборатория № 27 "Геофлюидомеханики"

Методология многоуровневых исследований гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий основана на оптимальном комплексировании, с учетом арктических условий, мультидисциплинарных методов и способов наблюдений на различных уровнях, соотнесенных с земной поверхностью: спутниковом, воздушном, наземном, подповерхностном, а также компьютерном 3D моделировании (рисунок). В основу положен принцип результативного комбинирования мультидисциплинарных исследований, включающих в себя: наземные и GPS геодезические, гидрогеологические, геофизические и геотехнические измерения, а также подповерхностные, поверхностные (наземные), воздушные и спутниковые георадарные съемки, гидрологические измерения, георадарное зондирование, сейсмотомография, геодезические съемки, лазерное и радарное сканирование, тепловая и радарная аэрофотосъемки с применением БПЛА, GPS геодезия, спутниковые оптические, спектральные и радарные снимки, компьютерное гидрогеомеханическое моделирование.

Структура методологических основ многоуровневых исследований гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий западной части российского сектора Арктики включает в себя: мультидисциплинарные методы и способы наблюдений, цифровую передачу и обработку данных, систематизацию и критериальный анализ, обоснование принятия управляющих решений по обеспечению промышленной и экологической безопасности.

Созданные методологические основы многоуровневых исследований гидротехнических сооружений апробированы на горнодобывающих предприятиях Кольского полуострова и могут быть применены в других горнодобывающих регионах РФ.

Основной проблемой гидротехнической системы (ГТС) «хвостохранилище – ограждающая дамба – основание» является обеспечение фильтрационной устойчивости дамбы при повышении уровня воды в хвостохранилище вследствие паводкового затопления или в результате повышенных технологических сбросов промышленных вод.

Для ГТС хвостохранилища ГОК «Олений ручей» выполнено компьютерное 3D гидрогеомеханическое моделирование внепланового повышения уровня воды, на основе чего оценена фильтрационная устойчивость ограждающей дамбы. При этом отличительной особенностью являлось интегрирование геомеханических и гидрогеологических условий, что позволило оценить, как напряжения и смещения грунтов, так и фильтрацию и внутрипоровое давление, а также выявить закономерности формирования депрессионной поверхности дренирующейся сквозь тело дамбы воды.

Выявлено, что рассчитанные значения градиента напора практически повсеместно ниже критического, за исключением случая максимального уровня и выхода воды на низовой откос (рисунок). Рассчитанные значения коэффициента устойчивости больше нормативного при условии выхода дренирующейся воды на основание ограждающей дамбы. В случае выхода воды на низовой откос, устойчивость ограждающей дамбы хвостохранилища не будет обеспечиваться.

Для исследования объекта складирования жидких минерально-сырьевых отходов горного производства как нестационарной природно-технической системы была разработана гидрогеомеханическая 3D модель, отражающая типовые характеристики ГТС хвостохранилищ горнорудных предприятий западной части российского сектора Арктики. В модели была заложена возможность исследования совместных фильтрационно-деформационных расчетов, в которых учитываются гидростатические (степень водонасыщения грунтов, гидравлический напор), гидродинамические (образование водотоков, скорость и давление потока) и геомеханические (деформации и смещения грунтов под действием силы тяжести, а также вследствие гидростатического и динамического давления воды) условия и нагрузки (рисунок).

Выявленные зависимости позволяют с высокой степенью достоверности (R2≥ 0,97) определить условия перехода объекта из стационарного состояния (стационарная фильтрация (Куст>2)) в нестационарное: последовательное формирование водотока (2>Куст>1), размыв (1>Куст>0,6) и разрушение (Куст<0,6). Дальнейшее снижение показателя устойчивости незначительно в силу резкой трансформации гидростатической фильтрации непосредственно в водоток и размыв.

Установленные модельные закономерности трансформации объекта складирования жидких минерально-сырьевых отходов горного производства как нестационарной природно-технической системы подтверждены комплексными экспериментальными наблюдениями на ГТС хвостохранилищ ГОК «Олений ручей» СЗФК, АО «Ковдорский ГОК», АО «Кольская ГМК».

На основе выполненных инженерно-геологических, гидрологических, геофизических и геодезических исследований хвостохранилища АНОФ-3 КФ АО «Апатит» построена его гидрогеологическая 3D модель (рисунок). Модель имитирует хвостохранилище как открытую природно-техническую систему, подверженную эндо и экзо нагрузкам, и позволяет выявлять наиболее характерные особенности изменения ее гидрогеологического режима.

На базе гидрогеологической модели разработана гидрогеомеханическая 3D модель фрагмента хвостохранилища, включающего рассекающую дамбу, построенную на хвостовых отложениях с иловыми прослойками.

Моделированием выявлены скачкообразные изменения фильтрационно-деформационных процессов, достигающие критериальных, и определяющие механическую и фильтрационную устойчивость грунтов рассекающей дамбы как линейного насыпного грунтового сооружения на слабом основании.

Выполнен 10–летний цикл комплексных исследований и мониторинга хвостохранилища ОФ АО «Кольская ГМК», результатами которых явились установленные особенности гидрогеологического состояния (рисунок).

Подтверждено, что хвостохранилище заполняется и эксплуатируется в соответствии с проектом и нормативными требованиями, вследствие чего опасные фильтрационно-деформационные процессы в ограждающих дамбах не формируются, а граничные условия соответствуют уравнениям Бернулли. Вместе с тем, динамика гидрогеологического режима хвостохранилища не отвечает принципу суперпозиции, не аппроксимируется, как линейной, так и более сложными дифференциальными зависимостями, что подтверждает, что хвостохранилище представляет собой открытую нелинейную гидротехническую систему, требующую постоянного контроля.

Предложены методические подходы к обоснованию инженерных решений и мероприятий по минимизации рисков опасных проявлений гидрогеомеханических процессов в объектах складирования в арктических условиях, включающих в себя: прогнозную оценку устойчивости ограждающих дамб хвостохранилища, способ оценки их устойчивости на основе георадарных и компьютерных исследований, обоснование комплексных инженерных решений и мероприятий по повышению механической и фильтрационной устойчивости ограждающих дамб хвостохранилищ АО «Ковдорский ГОК», АО «Кольская ГМК», АО «СЗФК». 

Модели, отличающиеся от известных одновременным применением нескольких моделей деформирования пород и грунтов и учетом фактора времени в фильтрационно-деформационных расчетах, адекватно соответствуют фрагментам природно-технической системы «геологическое основание - чаша хвостохранилища - ограждающая дамба», отражают динамику наращивания насыпных и намывных дамб, заполнения хвостохранилища и изменения гидрогеологического режима. Модели реализованы в программном комплексе Plaxis 3D, и исследуются при различных параметрических сочетаниях влияющих факторов.