Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексная проблема прогноза и управления рисками в процессе возведения и разработки техногенных месторождений в криолитозоне 10
1.1. Хвостохранилище и окружающая среда 10
1.2. Нормативно-правовая база природно-техногенной безопасности при возведении и эксплуатации хвостохранилищ в рамках концепции национальной безопасности 18
1.3. Нормативная безопасность ограждающей техногенных месторождений 23
1.4. Комплексная проблема исследований при оценке, прогнозе и управлении рисками в процессе возведения и разработки техногенных месторождений 37
1.5. Цели, задачи и методы исследований 42
Глава 2. Методология исследования 45
2.1. Факторы, определяющие устойчивость и промышленную безопасность хвостохранилищ 45
2.2. Организационно-технологические принципы управления рисками 48
2.3. Обоснование применения теории нечетких множеств 2.3.1 Элементы теории нечетких множеств 53
2.3.2 Методика построения моделей в нечеткой среде 60
2.4 Оценка безопасности ГТС математическими методами 67
2.4.1 Основные сочетания воздействий и нагрузок на гидротехнические сооружения 68
2.4.2 Расчеты устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения 73
2.5 Теоретическое обоснование и исследование влияния определяющих
факторов на коэффициент устойчивости куст, установленных
факторным анализом, с применением математического
планирования эксперимента 77
2.5.1 Моделирование в решении прикладных и кибернетических задач 77
2.5.2 Роль математических моделей в решении задач оптимального управления процессами развития ГТС 79
2.5.3 Парная корреляция и регрессия как индикатор адекватности математической модели 81
2.6 Методика построения моделей с помощью пассивного и активного
эксперимента при моделировании и выполнении процессов
оптимального управления рисками 89
Выводы по главе 91
Глава 3. Физико-математическое моделирование и технологические аспекты управления рисками при возведении и эксплуатации техногенных месторождений 92
3.1. Принципы, критерии и обоснование физико-математического моделирования ограждающей дамбы хвостохранилища при прогнозировании и управлении рисками 92
3.2. Прогноз состояния техногенного месторождения (хвостохранилища) с применением математических методов
3.2.1 Моделирование и оценка несущей способности ограждающей дамбы на базе нечетких множеств 94
3.2.2 Моделирование и оценка несущей способности ограждающей дамбы на базе расчетов устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения 97
3.2.3 Оценка устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища с применением теории математического планирования эксперимента 3.3 Технологические аспекты управляемого риска техногенного месторождения (хвостохранилища) 103
3.4 Физическое моделирование процесса намыва и формирования ограждающей дабы хвостохранилища 107
3.4.1 Технологические и физические методы как инструмент для
управления риском на ГТС типа накопителей отходов и
хвостохранилищ 113
Выводы по главе 128
Глава 4. Оценка, прогноз и управление риском на хвостохранилище с применением технологических приемов 129
4.1. Методика оценки, прогноза и управления техногенным риском.. 129
4.2. Характеристики объектов и сооружения хвостохранилища "Лебяжье" 133
4.3. Оценочные и прогнозные расчеты устойчивости и риска аварии на первом поле хвостохранилища «Лебяжье» 1 4.3.1 Оценка существующего состояния сооружения 139
4.3.2 Полевые исследования и технологические меры для управления риском на хвостохранилище «Лебяжье» 144
4.4. Описание сценария аварии ГТС, в результате которой может быть причинен вероятный вред и расчет предотвращенного вреда 147
Выводы по главе 159
Заключение 160
Литература
- Нормативная безопасность ограждающей техногенных месторождений
- Расчеты устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения
- Моделирование и оценка несущей способности ограждающей дамбы на базе нечетких множеств
- Оценочные и прогнозные расчеты устойчивости и риска аварии на первом поле хвостохранилища «Лебяжье» 1 4.3.1 Оценка существующего состояния сооружения
Введение к работе
Актуальность работы.
Практически каждый год в различных странах происходят аварии горно-технических сооружений, в том числе хвостохранилищ (техногенных месторождений), причем последствия этих разрушений свидетельствует о серьезной опасности накопителей различного рода для людей, инженерных сооружений и элементов окружающей среды.
В связи с этим возведение и эксплуатация намывных накопителей отходов в безопасном режиме с наименьшим риском аварии приобретает все большую актуальность и требует скорейшего решения для разработки и реализации мероприятий по снижению риска и повышению устойчивости техногенного месторождения. Каждое из подобных сооружений, по существу, является уникальным и, как показывает практика, экологическая и технологическая безопасность таких объектов не всегда может быть обеспечена стандартными методами и технологическими приемами, регламентированными положениями нормативных документов. Это приводит к необходимости поиска новых технических решений, направленных на снижение риска аварий с одновременным обеспечением экологической и технологической безопасности хвостохранилищ.
Вопросы управления надежностью процессов возведения и эксплуатации намывных техногенных месторождений с учетом промышленной и экологической безопасности формируют самостоятельную актуальную задачу, имеющую большое научно-практическое значение.
Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ по темам «Исследования и разработка инновационных технологий комбинированной переработки и утилизации отходов предприятий цветной металлургии» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направлениям научно-технического комплекса России на 2007-2013 года», ГК №16.515.11.5027, «Разработка оптимальной технологии намыва хвостохранилища «Лебяжье» с ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», №88-3041/08 от 19. 12.2008 г.ГК №16.515.11.5027, «Разработка эффективной технологии выработки лежалых хвостов и пирротинового концентрата» с ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», №88-44/09 от 22.01.2009г.
Цель работы – разработка и обоснование технологических параметров управления рисками при формировании и эксплуатации намывных техногенных месторождений в условиях криолитозоны.
Идея работы – заключается в разработке структурной модели устойчивого функционирования природно-технической геосистемы «намывное сооружение – окружающая среда» обеспечивающую, внедрение инновационных технических решений при освоении техногенных месторождений в условиях криолитозоны.
Научные положения, защищаемые в работе:
-
Оптимальные технологические параметры возведения намывных техногенных месторождений в рамках предлагаемой математической модели на теории нечетких множеств и математического планирования эксперимента.
-
Технологические параметры – высота дамбы, угол откоса дамбы, ширина пляжа, плотность хвостов, температура тела дамбы, давление подземных вод – устойчивость создаваемого техногенного месторождения находятся в корреляционной связи с достоверностью не менее 90-95 %.
-
Оценка, прогноз рисками аварии и управление ими при создании техногенного месторождения, в условиях совершенствования технологии,осуществляются методами регрессионного моделирования дифференцированно для каждого параметра с точностью до 95 %.
Научная новизна работы:
-
Предложена математическая модель определения оптимальных технологических параметров возведения техногенных месторождений, отличающаяся комплексным использованием теории нечетких множеств и математического планирования эксперимента.
-
Установлены границы в корреляционной связи технологических параметров- высоты дамбы, угла откоса дамбы, ширины пляжа, плотности хвостов, температуры тела дамбы, давления подземных вод – устойчивости намывного техногенного месторождения.
-
Предложен новый метод регрессионной оценки, прогноза риска и управления ими, в условиях совершенствования технологии, при возведении и эксплуатации намывных техногенных месторождений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендацийобеспечивается:
– комплексным использованием методов исследований, представительностью исходных данных, необходимым и достаточным объемом теоретических исследований, лабораторных, технологических, опытных и опытно-промышленных экспериментов, высокой сходимостью их результатов, а также реализацией теоретических положений в практике;
– использованием стандартных методик проведения лабораторных исследований на сертифицированных приборах и оборудованиях;
– удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, лабораторных и производственных экспериментов;
– положительными результатами производственных испытаний и промышленным внедрением результатов исследований.
Научное значение работы состоит вразработке методики оценки, прогноза риска и управление им путем совершенствования технологии создания техногенного месторождения.
Практическое значение работы:
сформулирована комплексная проблема оценки, прогноза и управления рисками при возведении и эксплуатации намывных техногенных месторождений;
выполнен анализ и определение основных факторов влияющих на безопасность и устойчивость техногенного месторождения в режиме строительства и эксплуатации;
получены результаты экспериментальных исследований влияния факторов риска аварии на устойчивость техногенного месторождения;
разработана и апробирована методика оценки, прогноза риска аварии и управления ими при возведении и эксплуатации намывных техногенных месторождений;
выполнены расчеты по оценке, прогнозу и управлению рисками с повышением технологической и экологической безопасности сооружения и расчет предотвращенного вреда в случае гидродинамической аварии на хвостохранилище.
в результате применения полученной методики оценки, прогноза и управления рисками техногенного месторождения в криолитозоне на примере хвостохранилища «Лебяжье» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» получена величина предотвращенного вреда.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований использованы при составлении проекта на разработку оптимальной технологии намыва ограждающей дамбы хвостохранилища «Лебяжье» и отработку запасов руд пирротинохранилища Норильской обогатительной фабрики Заполярного филиала ОАО ГМК «Норильский Никель». Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов в области открытой геотехнологии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на: Международной научной конференции «Информационные технологии и системы. Наука и практика» (Владикавказ, 2009); 5-ой Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов 2009); 5-ой Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов 2009); 7-th European Conferenceon numerical methods in Geotechnical Engineering «Numage 2010» (Trondheim, Norway, 2010); 1-ой Региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука обществу» (Владикавказ 2010); 11-th Congress of the International Association for Geology and the Environment. (New Zeeland 2010); Sixth International Congress on Environmental Geotechnics. (New Delhi, India, 2010); VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий». (Владикавказ 2010); Международной Научно-Практической Конференции «Опасные Природные Техногенные Процессы на Горных и Предгорных Территориях Северного Кавказа» (Владикавказ 2010); 9-ой Международной конференции «Ресурсовоспроизводные малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Котону, Бенин, 2010); «14-th Asian Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering» (Hong Kong, 2011); на ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ) (Владикавказ, 2008-2012); на расширенном заседании кафедры «Горное дело» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2012); на 25-ом международном научном симпозиуме «Неделя горняка 2013» (Москва, 2013).
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 19 опубликованных работах, в том числе в 4 авторских свидетельствах и патентах, в 5 зарубежных публикациях в трудах Международных конгрессов, симпозиумов и конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основное содержание изложено на 180 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков, 18 таблиц и библиографию из 177 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Нормативная безопасность ограждающей техногенных месторождений
Промышленное освоение недр всегда было связано с образованием большого количества отходов. К тому же, несмотря на постоянное совершенствование технологий добычи и переработки полезных ископаемых, количество отходов горно-металлургического производства не уменьшается. В настоящее время только десятая, а в некоторых случаях и еще меньшая часть сырья превращается в конечную продукцию. При переходе на переработку бедных руд будет образовываться еще большее количество отходов, для складирования которых потребуются огромные площади [«Доклад о состоянии...», 2006].
Так на сегодняшний день по горнодобывающей промышленности количество твердых отходов составляет от 50 до 95 % извлекаемой из недр горной массы.
Использование таких отходов, в целом незначительно. В год при добыче руд извлекается из недр около 163 млн. м вскрышных (вмещающих) пород, из которых на различные цели используется 28 млн. м (17,2 %), в том числе 5,5 млн. м для заполнения выработанного пространства; 10,1 млн. м для производства строительных материалов [«Доклад о состоянии...», 2006]. Обострение положения с обеспечением потребности страны в продукции минерально-сырьевого комплекса обуславливает необходимость вовлечения в производство сырья техногенных месторождений. Это является еще и важным резервом для интенсивного развития ресурсосбережения, охраны недр, рационального землепользования и защиты окружающей среды, и кроме того, экономически выгодно.
Техногенные ресурсы металлургических предприятий огромны. Так, только на Урале имеется 177 млн. т хвостов обогащения медных и медно-цинковых руд, в которых содержится 475 тыс. т. меди, 680 тыс. т. цинка, 37,4 млн. т. серы [«Доклад о состоянии...», 2006].
В России имеется 90 млн. т. хвостов свинцово-цинковых фабрик, включающих 145 тыс. т. свинца и 400 тыс. т. цинка при среднем их содержании соответственно 0,14-0,29 % и 0,07-0,79 % [«Доклад о состоянии...», 2006].
Общее число хвостохранилищ, шламохранилищ и гидроотвалов эксплуатирующихся в мире и в России переваливает за сотни. Они представляют большую опасность для людей и окружающей среды, так как являются действующими источниками загрязнения и считаются опасными производствами по катастрофическим последствиям разрушений подпорных сооружений.
При этом вопросы прогноза и управления рисками при возведении и эксплуатации техногенных месторождений уже не могут решаться в рамках ведомственных интересов. Они все чаще принимают угрожающе планетарный характер, а научно-технический прогресс в этой области все чаще оборачивается крупными поражениями в прогностической и природоохранной деятельности и сопровождается тяжелыми экологическими последствиями. В сложившихся условиях все более насущной становится потребность в поиске новых решений с целью совершенствования технологий выполнения работ при возведении и эксплуатации техногенных месторождений, активизирования природоохранной деятельности и снижения экологических последствий строительства и эксплуатации сооружений. Несмотря на достаточно пристальное внимание к проблемам хвостохранилищ ведущих организаций (НИИ ВОДГЕО, ГИДРОПРОЕКТ, ГУП ВИОГЕМ, ВНИИГ им. Веденеева Б.Е., АОЗТ «Механобр инжиниринг» и др.), а также работы: Близняка Е.Б. (1937), Бондарика Г.К., Ярга Л.А. (1990), Бутюгина В.В. (2002, 2007), Галзитского В.Т., Аксенова С.Г., Хныкина А.В. (1999), Гальперина A.M., Дьячкова Ю.Н. (1993), Гольдина А.Л., Рассказова Л.Н. (1987), Гришина М.М. (1979), Зотеева В.Г. (1997), Иванова П.Л. (1991), Ильина A.M. (1989), Кузнецова Г.И. (1998), Недриги В.П. (1983), Лолаева А.Б. (1998, 2005), Макарова В.И. (1989), Перлынтейна Г.З., Павленко Д.А. (2001), Розанова Н.Н. (1983), Хрусталева Л.Н. (2001), Цытовича Н.А (1928, 1979), Чжана Р.В. (1976, 2001) и других, специалистов-гидротехников, их актуальность не снижается и в настоящее время. Для безопасной эксплуатации намывных техногенных месторождений разработано большое количество нормативных документов: правил, инструкций, рекомендаций и т. д. Государственной думой Российской Федерации принят Закон "О безопасности гидротехнических сооружений". Правительством Российской Федерации принят ряд постановлений, определяющих порядок организации государственного надзора и декларирования. Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений (1997 с изм. от 27.12.2000г., от 30.12.2001г.) и др.
Основные требования, предъявляемые к строительству техногенных месторождений, независимо от способа их возведения (намыв, отсыпка) сводятся к обеспечению устойчивости откосов от оползания, обрушения, оплывания, снижению пыления, и фильтрации техногенных вод.
Выполненный анализ технологий строительства намывных сооружений позволил выделить несколько групп наиболее известных [Лолаев А.Б., 1998г.].
1. Картовый намыв, включающий: разбивку сооружения на карты намыва, обвалование их (продольные и поперечные дамбочки), подачу пульпы на карты, раскладку грунта по течению пульпы и отвод воды. Основные отличия различных способов заключается в геометрических параметрах карт, материале, применяемом при отсыпке ограждающих и разделительных дамб, наличии или отсутствии противофильтрационных устройств, способах отвода воды [Головишников, Щетинина (1988); Каминская, Будько и другие (1989); Кузнецов (1988); Пихтельков, Шевченко (1985) и др.]. Главным недостатком данной технологии является большой объем строительных работ по устройству карт.
2. Технологии создания вторичных дамб обвалования насыпным методом с последующим намывом [Кузнецов (1989)]. Данный тип технологий мог применяться только для ускоренного наращивания дамб на отдельных участках.
3. Технологии управления интенсивностью намыва за счет изменений направлений намыва, циклической подачи пульпы и управления фракционированием хвостов [Мельник и др. (1988)]. Технологии весьма сложны, как при проведении подготовительных строительных работ, так и непосредственно при эксплуатации и для оперативного решения проблемы увеличения емкости хвостохранилища оказываются непригодны.
Расчеты устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения
Таким аппаратом является теория нечетких множеств (ТНМ) с использованием языка, близкого к естественным человеческим понятиям и представлениям. Л.Заде (1976) ввел понятие лингвистической переменной, позволяющей адекватно отобразить приблизительное словесное описание предметов и явлений, когда детерминированное описание отсутствует или невозможно в принципе, и сделать соответствующий вывод.
Использование лингвистических переменных характерно для человеческой деятельности, связанной с приближенными рассуждениями. При создании системы, которая имитирует такую деятельность, требуется создавать математические модели, позволяющие, с одной стороны представлять эти переменные, с другой - использовать нетрадиционные методы для их обработки. ТНМ и нечеткая логика составляют основу лингвистического подхода, при котором переменные, описывающие модель предметной области, могут принимать лингвистические значения. Лингвистическая переменная характеризуется набором из компонентов [Заде Л.А., 1976; Борисов А.Н. и др., 1989; «Нечеткие...» 1989]: х, Т, D , (2.6) где х - имя лингвистической переменной; Т - ее терм-множество или множество ее значений; D - область определения значений.
Лингвистические переменные разделяются на качественные, полуколичественные и количественные. Например, применительно к засоленным мерзлым грунтам (табл. 2.1), лингвистическую переменную типа грунтов можно представить в виде (2.6): х - тип грунта; Т - глина, суглинок-супесь, пески; D - глина-песок.
Здесь терм «суглинок-супесь» представлен в виде унимодального нечеткого числа (2.4), где и одинаковы, в то время как терм «глина» - в виде А (глина, 0,), т.к. за термом «глина» других значений качественной ЛП не существует в природе. Следует отметить, что подобное представление ЛП обеспечивает ее непрерывность по всей области определения значений D (2.6).
Применение ЛП для принятия решения в нечеткой среде проиллюстрируем следующим примером. Пусть существуют знания эксперта по строительству на вечномерзлых грунтах о том, что при прочих равных условиях несущая способность мерзлых грунтов при засолении снижается. Эти знания можно представить в виде нечеткого продукционного правила: Если засоленность грунта очень высокая, то несущая способность грунта низкая (2.7) Все, что стоит в правиле после Если, называют предпосылкой, продукцией, условием, ацедентом, а после то - заключением, операцией.
Как правило, эксперт не может однозначно ответить, что означает «Очень высокая засоленность», например 100 или 120%о . Вместе с тем, в процессе работы с ним всегда можно выяснить его субъективную точку зрения на изучаемое явление с помощью нечеткого множества. Субъективизм представляется степенью принадлежности (число до разделяющей черты /, а число за чертой / определяет само значение переменной в %о). Например, значение засоленности к определению «очень высокая» будет иметь вид: «очень высокая»=0/3096о + 0.1/55%о + 0.2/75%о + 0.8/110%о + 1.0/120%о, (2.8) Аналогично можно с помощью функции принадлежности установить мнение эксперта о несущей способности грунта: Y = 1.0/«низкая» + 0.8/«ниже средней» + 0.6/«средняя» + 0.2/«высокая» + + 0.1/«очень высокая» , (2.9) где после черты / показано разбиение всей шкалы несущей способности засоленного мерзлого грунта на термы.
Предположим, что при наблюдении эксперт пришел к мнению, что уровень засоленности - «средний». При этом с помощью нечеткого множества наблюдение описывается следующим образом: «средняя» = 0.1/30%о + 0.8/ 55%о + 1.0/75%о + 0.4/110%о + 0.1/120%о (2.10) Проведем операции нечеткого вида по данным наблюдений. Итак, известно продукционное правило: ЕСЛИ засоленность «очень высокая», ТО несущая способность грунта «низкая». Наблюдаемое значение засоленности описывается термом «средняя». Необходимо сделать вывод о соответствующей этому терму несущей способности грунта.
Обеспечение надежности и достоверности получаемых результатов или выводов по экспериментальным данным в четкой информационной среде достигается применением теории планирования экспериментов [Налимов В.В. и др., 1965]. Однако в нечеткой информационной среде, каковой являются результаты инженерно-геологических изысканий, применение теории планирования эксперимента нуждается в дополнительном обосновании, особенно в части оценки адекватности получаемых уравнений экспериментальным данным.
Для обоснования применимости теории планирования эксперимента на ЛП были приняты исходные предложения [Дроздов А.В. и др., 1994]: поведение исследуемой системы описывается экспертом на естественном (или близком к нему) языке, что делает ЛП наиболее адекватным средством представления его знаний, а переход от словесных оценок к числовым не вызывает затруднений по любой из шкал; в основу мировосприятия человека заложена оппозиционная шкала. В оппозиционной шкале маркированы лишь концы шкалы, а середина соответствует нейтральному значению между концами шкалы. Маркировка промежуточных значений достигается дальнейшим делением шкалы и таким образом эксперт ранжирует свои понятийные оценки; оппозиционная шкала из к значений ЛП является шкалой к-1 равнокажущихся интервалов и ее деления отстоят друг от друга на психологическом континууме на равных интервалах и, следовательно, ошибки классификации значений ЛП равны друг другу; в силу доминирования у эксперта аналитического мышления, заключающегося в представлении входных переменных как независимых (эксперту бывает трудно определить степень их коррелируемости), применение методов теории планирования эксперимента наиболее естественным образом отвечает понятийной модели описываемого процесса, существующей в его сознании. При работе с экспертом опрос планируют, т.е. задают эксперту значения входных ЛП. Тогда на основании [Дроздов А.В. и др., 1994]: к опросу эксперта можно подходить с точки зрения теории планирования эксперимента, аппроксимируя результаты аналитической функцией вида: G,u), (2.14) Рассмотрим порядок составления продукций, т.е. запланированных вопросов эксперту (то, что стоит в ЛП после ЕСЛИ). Набор значений а" (п = 1,2,...,р) назовем планом опроса, а матрицу
Моделирование и оценка несущей способности ограждающей дамбы на базе нечетких множеств
В уравнении (3.4) представлены только значимые коэффициенты (оценка ошибки эксперта составила 0,1 при уровне значимости 0,05).
Следует отметить, что уравнение (3.4) имеет нелинейный характер. При этом значимыми оказались даже тройные взаимодействия, которые имеют физический смысл. Например: Х2ХзХ4 - можно интерпретировать как характеристику комплексного влияния высоты дамбы, гранулометрического состава хвостов и температурного состояния тела дамбы на значение коэффициента устойчивости; X3X4XS- показатель комплексного влияния гранулометрического состава хвостов, температурного состояния дамбы и характера давления подземных вод на значение коэффициента устойчивости дамбы [А.В. Lolaev et. al., 2010].
Отметим также, что нелинейность уравнения (3.4) указывает на возможность получения результатов при различных сочетаниях факторов, т.е. учесть все вероятные ситуации, создать соответствующие номограммы и на их основе разработать стратегию наблюдений за состоянием тела дамбы и комплекс мероприятий по предотвращению нежелательных ситуаций.
Для построения базовой расчетной схемы было выбрано сечение на ПК-28 ограждающей дамбы, являющееся наиболее характерным и представляющее наиболее уязвимую зону для аварии. Коэффициент запаса устойчивости составил:
Моделирование и оценка несущей способности ограждающей дамбы на базе расчетов устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения Как уже было указано при выборе решения когда результат решения детерминирован и может быть определен заранее, необходим более точный математический аппарат для принятия решений в данном случае управление рисками при строительстве хвостохранилища. Анализируя данные инженерно-геологических изысканий и учитывая сложность строения тела дамбы, а именно: сочетание талых и мерзлых слоев, наличие под-, меж- и надмерзлотных подземных вод, влияющих на устойчивость сооружения были выполнены расчеты устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения. Для расчетов была использована программа UFOS [Гаврилов А.Н. и др., 2003; Vlasov A.N. et al., 2003].
Программу применяют на персональных компьютерах, поддерживающих операционные системы Windows ХР. Программа разработана на объектно-ориентированном языке C++ с использованием оптимизирующего компилятора Borland C++ Borland International v.5.02 с использованием библиотеки OWL v.5.0. В программе UFOS коэффициенты запаса устойчивости могут быть определены по круглоцилиндрическим или заданным потенциальным поверхностям скольжения. В ней реализуются следующие методы расчёта коэффициентов запаса устойчивости: Терцаги, Крея-Флорина, Чугаева, Можевитинова, Шахунянца, Маслова-Берера, Бишопа, Нонвейе, Янбу, Моргенштерна-Прайса, Спенсера, [СНИП 2.02.02-85 ] и др.
В основании дамбы залегают глины, суглинки, супеси различной мощности. Тело дамбы представлено в основном техногенными грунтами -лежалыми хвостами и 2-х метровым слоем свеженамытых хвостов. Упорная призма выполнена из металлургического шлака, высота призмы 20 м. Физико-механические характеристики расчетных зон представлены в табл.3.1.
Расчет был выполнен с учетом всех выбранных и обоснованных факторов для того же сечения ограждающей дамбы (ПК-28). Таблица 3.1
Проведенные расчеты устойчивости и коэффициента устойчивости, соответственно риска аварии на хвостохранилище, с применением методики на базе теории нечетких множеств, показывают высокую корреляцию результатов с результатами расчета с помощью традиционных методов и позволяют оценить существующее состояние на данный момент времени. Оценка устойчивости ограждающей дамбы хвостохранилища с применением теории математического планирования эксперимента
Независимыми входными переменными X, были выбраны те же 6 основных факторов определенных в предыдущем разделе (глава 2 п. 2.3) позволяющих определить регрессионные зависимости факторов влияющих на объект.
С целью уменьшения затрат времени и ресурсов расчеты проводились на ЭВМ и с реализацией программного комплекса MathCAD.
Не маловажным фактором влияния на безопасность сооружения является и ширина намытого пляжа (расстояние между ограждающей и фильтрующей дамбой) так как для поднятия бортов и увеличения емкости накопителя этот способ является на данный момент основным [«Разработка...», 2010]. Расчеты проводились в створах, где пляж имеет минимальную и максимальную ширину для дальнейшего сопоставления и сравнения значений коэффициента устойчивости. Были выбраны створы хвостохранилища, которые имеют максимальную (ПК-11, ПК-35 , ПК-77,) и минимальную (ПК-41, ПК-55) ширину пляжной зоны (рис.3.5).
Оценочные и прогнозные расчеты устойчивости и риска аварии на первом поле хвостохранилища «Лебяжье» 1 4.3.1 Оценка существующего состояния сооружения
В качестве пояснения к алгоритму оценки, прогноза и управления рисками устойчивости ограждающей дамбы отметим следующее:
Сбор исходных данных, обобщение ранее выполненных работ. Главное требование к сбору исходных данных - это их представительность и достоверность. Однако следует отметить, что в силу специфики грунтов, как сложной динамичной многофазной системы, нельзя точно сказать, насколько материалы инженерно-геологических изысканий отражают реальные состав и свойства геологической среды, в какой мере построенная нами инженерно геологическая модель сходится с реальными условиями. Вопрос качества испытаний стоит очень остро. В большинстве случаев объектом изысканий является толща песчано-глинистых отложений, в которых переходы между различными по составу и свойствам слоями весьма постепенны и устанавливаются достаточно приблизительно.
В качестве исходных данных для расчета должны использоваться следующие материалы: геологическое строение, геокриологические и гидрогеологические условия, физико-механические свойства естественных и искусственных грунтов принимаемые по данным инженерных изысканий, научных исследований и прямых определений и наблюдений в полевых и лабораторных условиях; геометрические параметры сооружения определяемые непосредственными геодезическими работами; технологические показатели принимаемые по данным действующих проектов, с учетом фактического состояния эксплуатационных параметров.
Изучение технологических особенностей эксплуатации хвостового хозяйства. Все факторы, определяющие устойчивость накопителей промышленных отходов, можно разделить на две группы: природные и техногенные (полное описание двух групп факторов приведены в главе 2 п.2.1). При этом любой компонент природной среды и технологических параметров хвостохранилища, введенный в разряд факторов, должен быть не только изучен, но и учтен на любой стадии изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации, ремонтов и консервации, а также входить в сферу мониторинговых наблюдений [ Л олаев А.Б. и др.«Способ возведения...», 2012].
Обоснование основных факторов, определяющих устойчивость и экологическую безопасность хвостохранилища. Как известно основные контролируемые показатели состояния ГТС делятся на диагностические количественные и качественные, предельные значения которых называются критериями безопасности гидротехнического сооружения. Для оценки устойчивости сооружения хвостохранилища наряду с выявлением факторов, определяющих безопасность ГТС необходим сбор и анализ целого ряда специальных контролирующих показателей, а для прогноза - установление пространственных и временных закономерностей изменения этих показателей под влиянием природных и техногенных факторов.
Построение прогностических моделей устойчивости сооружения и их поверка. Для прогнозной оценки устойчивости ограждающей дамбы разработан и практически реализован ряд методов (глава 3), включающий составление прогностических моделей с помощью теории нечетких множеств; оценку устойчивости намывного массива с помощью теории математического планирования эксперимента, основанной на соотношении отдельных показателей физико-механических свойств хвостов различного состояния; расчет устойчивости, основанный на установленных закономерностях формирования намывного массива с применением соответствующего программного обеспечения
Уточнение данных входящих в расчетные схемы (параметры сооружения, физико-механические свойства, микроструктурные исследования и т.д.). Наряду со стандартным комплексом наблюдений проведение расчетов устойчивости при изменении технологических приемов эксплуатации, геометрических параметров сооружения, а также свойств намываемых хвостов. При этом оценка устойчивости сооружения возможна с использованием прогностических моделей, методики критической пористости и математическими расчетами.
Составление общей расчетной схемы экологической безопасности сооружения. На данном этапе определяются все нормируемые показатели, определяющие требования к безопасной экологической и технологической эксплуатации (критерии безопасности)
Расчет устойчивости и экологической безопасности хвостохранилищ. На этом этапе выполняются многовариантные расчеты устойчивости с использованием всех установленных выше закономерностей. Полученные результаты заносятся в базу данных и могут пополняться в процессе получения новых данных о строении намывного массива или физико-механических свойствах хвостов его слагающих.
Управление риском при помощи различных технологических и технических инструментов. Расчетное сопровождение устойчивости заключается в сравнении информации, получаемой в результате стандартного мониторинга безопасности гидротехнических сооружений, с имеющейся в базе данных, и при несовпадении хотя бы одного из параметров с нормируемыми значениями, проводятся поверочные расчеты устойчивости и разрабатываются необходимые инженерные мероприятия по снижению риска аварии, по повышению безопасности, как технологической, так и экологической.
