Организация комплексного онлайн-мониторинга хвостохранилищ

Учащение аварий на хвостохранилищах по всему миру наблюдается с 1960-х годов и связано с развитием фабрик большей мощности и последующим увеличением производства хвостов. С 2001 года отказы наземных хвостохранилищ происходят примерно на двух объектах в год. Однако с 2015 по 2020 год интенсивность отказов наземных хвостохранилищ удвоилась и составила примерно четыре объекта в год.

Основными причинами, вызывающими наибольшее количество поверхностных разрушений хвостохранилища, являются:

• неустойчивость откосов,
• землетрясения,
• просачивание и протекание трубопроводов,
• структурные дефекты систем управления водными ресурсами и доставки хвостов.

Действия эксплуатирующего персонала играют решающую роль в безопасной эксплуатации хвостохранилищ, а принимаемые ими решения должны опираться на достоверную информацию о его состоянии.

Абсолютное и кумулятивное количество катастрофических аварий на хвостохранилищах в мире по пятилетиям

Как избежать аварий и катастроф?

В настоящий момент на подавляющем большинстве хвостохранилищ мониторинг проводится без применения единой автоматизированной системы сбора и обработки данных наблюдений.

Данные мониторинга используются в ходе текущей операционной деятельности на предприятиях и, в связи с отсутствием современных методов фиксации, обмена и анализа информации, недоступны для оперативного анализа. Также выполнение неавтоматизированных измерений контролируемых параметров не позволяет обеспечить единовременность полученных данных измерений по различным группам контрольно-измерительной аппаратуры, что крайне важно для оценки безопасности хвостохранилища.

Мгновенность и единовременность выполнения измерений контролируемых параметров сооружений, вплоть до непрерывного контроля (согласно заданного сценария: активное снеготаяние, ливни, сейсмособытие, отклонение от проектной работы сооружения), сравнение полученных величин в режиме реального времени с критериальными значениями и устоявшимися трендами, минимизация человеческого фактора при выполнении измерений, позволяет в значительной степени повысить безопасность хвостохранилища и своевременно планировать и проводить ремонтные работы.

Основными предпосылками для развёртывания автоматизированных систем мониторинга хвостохранилищ являются:

• высокие потенциальные риски последствий аварий;
• отсутствие современных методов мониторинга;
• учащение аварий, отсутствие корпоративной системы управления хвостохранилища;
• отсутствие системы получения оперативной информации о состоянии хвостохранилищ и процедур для принятия решений по управлению ими;
• повышение внимания госорганов и акционеров к вопросам безопасности хвостохранилищ.

Внедрение системы мониторинга и управления грунтовыми сооружениями позволит сформировать комплексное видение процессов контроля хвостохранилища на всех его стадиях и обеспечить руководителей и специалистов разного уровня информацией для повышения оперативности управляющих воздействий.

Метрики эффективности внедрения автоматизированной системы

Комплексный подход к ведению мониторинга

При выполнении достоверной и точной оценки состояния хвостохранилища, а также при прогнозировании поведения основных параметров влияющих на безопасность сооружений, необходима полная информация о протекающих в сооружениях процессах, а также внешних факторах, влияющих на его состояние.

Комплексный подход к обеспечению безопасности хвостохранилища заключается в единовременном непрерывном мониторинге таких параметров с контролем достоверности получаемых в автоматическом и ручном режиме измерений.

Ключевыми моментами в принятии правильного решения при развитии негативных процессов в сооружениях это:

• оперативность их регистрации;
• достаточность данных для правильной оценки ситуации и подготовки компенсационных мероприятий;
• оперативность проведения компенсационных мероприятий.

Именно развёртывание на хвостохранилище автоматизированной системы диагностического контроля позволяет мгновенно реагировать на неблагоприятные события развивающиеся в сооружениях и формировать полный отчёт о текущем состоянии сооружений в автоматическом или полуавтоматическом режиме для передачи лицам разрабатывающим компенсационные мероприятия.

Автоматизированная система диагностического контроля

АСДК — система автоматического опроса дистанционной контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на сооружениях, одновременно сравнивающая полученные результаты с критериями безопасности с целью оценки технического состояния и безопасности сооружений, включает в себя:

• Информационно-диагностическую систему (ИДС). Система, диагностирующая состояние контролируемого объекта, включающая базу данных наблюдений, программу их обработки и диагностические критерии для оценки состояния сооружений.
• Автоматизированную систему опроса контрольно-измерительной аппаратуры (АСО КИА). Система, состоящая из измерительных преобразователей, средств их коммутации, приёма-передачи для автоматизации и компьютерного хранения данных, используемых для контроля состояния и безопасности гидротехнических сооружений электростанции.
• Контрольно-измерительную аппаратуру (КИА). Совокупность технических средств измерений (измерительных приборов, датчиков и др.) и вспомогательных устройств, предназначенных для контрольных натурных наблюдений и исследований состояния сооружения и основания (п. 3.20 ГОСТ Р 55260.1.4-2012).
  
  

Контрольно-измерительная аппаратура

1. Измерение уровня воды

Уровнемер в успокоительном колодце

С целью защиты датчиков уровня воды от механических воздействий, а также исключения влияния подвижностей зеркала прудка, связанного с ветровыми воздействиями, складированием и т. д., устраиваются успокоители.

На хвостохранилищах при автоматизации измерений уровня воды в прудке применяются надёжно закреплённые наклонные трубы. Кабель от датчика фиксируется на специальном быстросъёмном зацепе, фиксирующим высотное положение датчика, при этом позволяя его легко демонтировать для очистки, поверки или замены. Самонесущий защищённый кабель от датчика прокладывается различными способами до регистратора с целью обработки полученных данных и последующей их передачи. Данная конструкция выполняет вертикальное измерение расстояния от мембраны датчика до поверхности воды.

Основные параметры:

• Предел допускаемой приведённой основной погрешности от 0,1 % диапазона измерения.
• Устойчивость к температурным воздействиям от −20 до +70 °С.
• Автоматическая температурная коррекция.

Альтернативные решения — бесконтактные или поплавковые датчики

Погружной датчик уровня воды — не единственный способ выполнения измерений уровня воды в прудке. В качестве альтернативных способов измерения данной величины, в зависимости от ситуации, могут применяться бесконтактные или поплавковые датчики.

Бесконтактный датчик (радарный) передаёт короткие микроволновые импульсы на поверхность воды и принимает их после отражения от поверхности продукта. Время от передачи до приёма сигнала пропорционально расстоянию от прибора до поверхности воды. Радарные датчики работают с малой излучаемой мощностью в частотных диапазонах С, предназначенных для измерения уровня воды. Радарные уровнемеры обеспечивает надёжное и очень точное измерение уровня жидкостей в случае отсутствия на поверхности сильной ряби, пены, льда, мусора и т. д. Также стоит отметить, что прибор устанавливается в вертикальном положении над измеряемой поверхностью воды, что не всегда возможно достичь в условиях хвостохранилища.

Поплавковый датчик представляет собой постоянный магнит, вмонтированный в поплавок, и шток датчика со встроенным герконом. Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по штоку. Под воздействием магнитного поля происходит срабатывание герконов. При изменении уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое прямо пропорционально уровню жидкости.

Данные датчики также выполняют высокоточное измерение уровня воды при отсутствии замерзания поверхности воды или наличия греющего элемента. Данные датчики, как и погружные, устанавливаются в успокоительных колодцах.

2. Фильтрационный расход

Мерный водослив

В процессе эксплуатации хвостохранилищ периодически возникает потребность в измерении расходов воды очагов фильтрации или открытых каналов. Данные измерения в ручном режиме могут выполняться при помощи рейки и вертушки, а также при помощи рейки и мерного водослива.

Существует два пути автоматизации данных измерений:

• с применением мерного водослива;
• без применения мерного водослива.

Если в контрольной точке уже установлен мерный водослив, самым верным решением будет автоматизация измерения уровня воды на нём теми же устройствами, применяемыми для измерения уровня воды, рассмотренными ранее.

В случае отсутствия мерного водослива, в первую очередь, стоит оценить возможность и целесообразность его установки. В противном случае автоматизация может быть осуществлена двухкомпонентными системами измерения расхода воды, состоящих из датчиков уровня воды (как правило бесконтактных) и датчика скорости потока (как правило доплеровского).

Данное решение не является универсальным и очевидным, так как работа доплеровского датчика скорости потока зависит от состава измеряемой жидкости, наличия определённого объёма пузырьков воздуха в ней и ряда других факторов.

3. Уровень хвостов

Беспилотный гидрографический комплекс

Современные беспилотные гидрографические комплексы представляют собой малогабаритное судно, выполненное в виде тримарана, предназначенное для выполнения гидрографической съёмки однолучевым эхолотом в полностью автоматическом режиме в открытых и закрытых водоёмах и прибрежных частях моря на глубинах от 0,3 до 250 м, скорости ветра до 9 м/c и высоте волны до 1 м. Управление съёмкой возможно как в ручном режиме с помощью дистанционного пульта, так и в полностью автоматическом режиме по заранее запрограммированному маршруту.

Применение беспилотных водных аппаратов позволяет специалистам оставаться на берегу, в то время как дроны, оснащённые интеллектуальными датчиками выполняют работы в автоматическом режиме. Внедрением беспилотных технологий позволяет снизить эксплуатационные расходы на гидрографические изыскания при увеличении эффективности и точности измерений.

Решаемые задачи: определение глубин прудка, картографирование прудка, съёмка бортов прудка, проведение инженерно-гидрографических изысканий, мониторинг поверхности дна в акватории гидротехнических сооружение, русловые съёмки, в том числе определение ширины пляжа.

4. Температура дамбы и её основания

Термокоса

Термокосы (термогирлянды) являются неотъемлемой частью мониторинга грунтовых сооружений в зоне вечной мерзлоты, а также в сложных геотехнических условиях.

Термогирлянды могут быть установлены как в отдельную специальную скважину, так и совместно с другой контрольно-измерительной аппаратурой, что в значительной степени удешевляет процесс монтажа оборудования.

5. Положение кривой депрессии

Пьезометр

Положение кривой депрессии в теле грунтовых плотин и дамб является важнейшим параметром, характеризующим проектную безопасную работу сооружений.

Подавляющее большинство гидротехнических сооружений хвостохранилищ в той или иной степени оснащены опускными безнапорными пьезометрами, а измерения уровня воды выполняются вручную. Очевидно, что положение кривой депрессии неразрывно связано с уровнями воды в бьефах, в связи с чем для формирования полной картины наблюдаемых процессов, автоматизация пьезометров должна быть совмещена с автоматизацией измерений уровня воды в бьефах.

Для автоматизации измерений уровней воды в безнапорных пьезометрах, широкое распространение получили погружные датчики уровня воды. При автоматизации существующего пьезометра достаточно установить комплект аппаратуры опроса на устье скважины и поместить в пьезометр погружной датчик уровня воды.

Стоимость измерительного оборудования для автоматизации уровней воды в пьезометрах в сравнении с другими технологиями мониторинга не высока. Ввиду отсутствия ощутимого объёма строительно-монтажных работ, автоматизация измерений уровня воды в пьезометрах может быть организована в максимально сжатые сроки.

6. Вертикальные и горизонтальные смещения

Роботизированный тахеометр

Для автоматизации процесса измерения вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений и их элементов, чаще всего применяются роботизированные тахеометры и оборудование ГННС.

Роботизированные тахеометры позволяют выполнять геодезические наблюдения по расположенным на объекте отражателям с точностью соответствующей первому классу триангуляции. Роботизированные тахеометры применяются для определения плановых смещений, а также осадок на грунтовых гидротехнических сооружениях.

Очевидным критерием выбора данного способа автоматизации геодезических измерений является наличие прямой видимости между тахеометром и отражателем, что достигается не всегда, а увеличение количества устанавливаемых тахеометров для охвата всех измерительных точек следует оценивать в сравнении с альтернативными способами автоматизации геодезических измерений.

7. Вертикальные и горизонтальные смещения

ГНСС

Спутниковая система навигации ГННС, требующая размещения на объекте приёмников, позволяющих с достаточной для мониторинга грунтовых гидротехнических сооружений точностью определять горизонтальные и вертикальные смещения гидротехнических сооружений, не требует прямой видимости между измерительным оборудованием.

Также оборудование является более неприхотливым, чем роботизированный тахеометр с отражателями, требующим уход. Точность измерения контролируемых величин у системы ГНСС значительно ниже, в сравнении с роботизированным тахеометром, однако достаточна для выполнения непрерывного мониторинга грунтовых сооружений. В статическом режиме точность может достигать 6 мм, что более чем достаточно для поставленной задачи обеспечения безопасности грунтовых дамб хвостохранилищ.

Окончательный выбор технологий или их комбинации при автоматизации процесса измерения вертикальных и горизонтальных смещений гидротехнических сооружений, зависит от множества факторов и требует внимательного рассмотрения в каждом отдельном случае.

8. Послойные горизонтальные и вертикальные перемещения грунта

Ручные измерения

Послойные горизонтальные и вертикальные перемещения в теле дамбы и её основания являются крайне опасными процессами, которые необходимо контролировать на всех стадиях жизненного цикла сооружений. Измерение данных величин позволяет получить полную картину происходящих в сооружении процессов и своевременно выполнить мероприятия направленные на их стабилизацию или прекращение.

Для возможности выполнения ручных измерений вертикальных и горизонтальных перемещений в специально пробуренную скважину устанавливаются гибкие инклинометрические сборные НПВХ-трубки, дополнительно комплектуемые:

• А — защитным оголовком;
• B — маркером платформой (в случае установки трубок не в скважину, а по мере наращивания сооружения в процессе строительства);
• С — телескопическими секциями (при значительных ожидаемых осадках);
• D — рессорами с магнитными маркерами (предназначенными для регистрации вертикальных послойных перемещений);
• E — концевой элемент с заглушкой и магнитным маркером.

Измерения выполняются переносными зондами (инклинометрическим — для измерения послойных горизонтальных смещений инклинометрических трубок, экстензометрический — для измерения послойных вертикальных перемещений магнитных маркеров).

9. Послойные горизонтальные перемещения грунта

Инклинометр

Измерения послойных горизонтальных перемещений в теле дамбы и её основания могут быть автоматизированы с помощью скважинных автоматических инклинометров.

Датчики устанавливаются в те же инклинометрические сборные НПВХ-трубки, монтируемые для ручных измерений при помощи зондов, что особенно удобно, так как измерение горизонтальных смещений можно начать выполнять с самого начала жизненного цикла сооружения, а решение о дорогостоящей автоматизации данных измерений может быть принято позднее.

Скважинные автоматические инклинометры представляют собой датчики наклона, собираемые в гирлянды, при этом данная конструкция может дополняться гибкими и жёсткими штангами, которые позволяют сэкономить на количестве применяемых приборов, размещая их точечно в самых ответственных участках скважины. Углы наклона, измеряемые датчиками, пересчитываются в горизонтальные перемещения инклинометрической скважины.

При автоматизации горизонтальных перемещений с помощью скважинных автоматических инклинометров, гирлянда из датчиков наклона легко извлекается для проведения обслуживания, замены, поверки и т. д.

Так как датчики наклона автоматизируют только горизонтальные перемещения и занимают всю внутреннюю полость инклинометрических трубок, автоматизация измерений вертикальных перемещений невозможна и выполняется путём монтажа скважинного экстензометра, при этом сохраняется возможность выполнения ручных измерений послойных вертикальных перемещений грунта при извлечённой гирлянде скважинных автоматических инклинометров (однако, это неудобный и трудоёмкий процесс и имеет смысл только в случае демонтажа гирлянды для проведения работ по её обслуживанию).

10. Послойные вертикальные перемещения грунта

Экстензометр

С целью организации автоматизированных измерений послойных вертикальных перемещений дамб, применяются автоматические скважинных экстензометры — этот тип измерительных устройств представляющий из себя пучок стержней различной длины с якорями на одном конце и измерительной головкой на другом.

Задача стержней — сформировать жёсткую связь между измерительной головкой и якорем конкретного стержня. Стержни комплектуются якорями различной конструкции для надёжного сопряжения с контролируемой точкой (зоной) в теле дамбы или её основания. Измерительная головка скважинного экстензометра сложена из датчиков перемещения соединяемых со стержнями.

Таким образом, совместно с вертикальным перемещением грунта в теле или основании дамбы, перемещается и якорь со стержнем. Вертикальные перемещения вычисляются относительно устья скважины, где размещена измерительная головка.

Максимальное количество якорей устанавливаемых в одну скважину на различных отметках зависит от конкретной модели экстензометра и, как правило, варьируется в пределах 1–6 шт.

11. Контроль протечек трубопроводов

Распределённый датчик протечек

Распределённый датчик протечек работает на принципе Мандельштамма — Бриллюэна, при котором сдвиг частоты рассеянного оптического сигнала зависит от температуры. По сути, распределённый датчик температуры представляет собой специальный оптический кабель, подключаемый к анализатору сигналов.

Данная система позволяет определять температуру оптического кабеля в любой его точке в непрерывном режиме, а установив такой кабель специальным образом на трубопровод или в грунт под него, система позволит с высокой точностью определять расположение протечек трубопровода основываясь на изменении температуры в данных точках.

Сбор и передача данных

Автономная система сбора и передачи данных беспроводным способом

Особенностями мониторинга грунтовых сооружений хвостохранилищ являются режим их эксплуатации и жизненный цикл. В процессе эксплуатации первичные дамбы наращиваются ярусами дамб обвалования. Таким образом, в отличии от классических напорных грунтовых сооружений, в которых при их строительстве формируется постоянная система мониторинга, которая со временем лишь модернизируется и расширяется в зависимости от его состояния или изменений в нормативной документации, система мониторинга хвостохранилищ постоянно растёт с каждым новым возведённым ярусом дамб обвалования.

Процесс наращивания дамб обвалования неразрывно связан с грунтовыми работами и движущейся по гребню строительной технике. Жизненный цикл таких сооружений препятствует возможности размещения на открытой поверхности гребня дамбы измерительного оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры на постоянной основе.

С учётом существенной протяжённости объектов мониторинга и удалённости измерительных точек от административных корпусов, где располагается служба мониторинга, прокладка кабельных линий а также мероприятия по их защите от механических повреждений не гарантируют их сохранность на период выполнения работ по наращиванию дамб обвалования.

В таких условиях эксплуатации разумным и экономически целесообразным видится решение по размещению беспроводных регистраторов на единицу или группу автоматизируемой контрольно-измерительной аппаратуры. Беспроводные регистраторы не требуют подведения к ним линий электропитания и линий связи.

Компактное исполнение беспроводных регистраторов, позволяет оперативно выполнять их перенос на новое место, что в случае применения классических проводных регистраторов потребует целый комплекс работ по прокладке и защите кабельных линий. Способностью подстраиваться под изменяющуюся схему мониторинга, комплекс из беспроводных регистраторов, существенно выигрывает у своих проводных «родственников».

Также стоит отметить простоту подключения к системе новых беспроводных регистраторов, в случае необходимости расширения существующего объёма автоматизированной контрольно-измерительной аппаратуры. Иными словами, система собранная на беспроводных регистраторах является в своём роде конструктором со взаимно заменяемыми и дополняемыми элементами, удобными и понятными в эксплуатации.

Структура автоматизированной системы опроса КИА

В зависимости от типов применяемых датчиков, наличия или отсутствия электроснабжения и условий эксплуатации измерительного оборудования, формируется оптимальная для каждого конкретного случая структура автоматизированной системы опроса контрольно-измерительной аппаратуры.

Основными требованиями, предъявляемыми к системе, являются:

• надёжность;
• возможность сохранять работоспособность при отказе электропитания;
• наличие резервного хранилища данных мониторинга (на случай выхода из строя основного);
• лёгкая обслуживаемость.
  
  

* Если вся сеть в значительной степени зависит от одного ретранслятора.

WiFi	LoRaWAN	Спутниковая связь

Основываясь на достоинствах и недостатках каждого способа беспроводной передачи данных, а также территориальном расположении объекта мониторинга и взаимном расположении измерительных пунктов на объекте мониторинга, в рамках проектирования, формируется оптимальная структура системы, которая может содержать несколько различных способов передачи данных.

Программное обеспечение

Система онлайн-мониторинга

SODIS Building M позволяет в режиме реального времени получить оперативные сведения о текущем техническом состоянии контролируемых элементов объекта и измерительных подсистем, а в случае его изменения — оперативно принять необходимые меры. Система онлайн-мониторинга обладает простым и интуитивно понятным интерфейсом и предоставляет оператору полную информацию о расположении контролируемых элементов сооружения, измерительных подсистемах и их компонентах, включая фотографии, инструкции по эксплуатации, регламенты технического обслуживания. SODIS Building M выводит на экран диспетчера трёхмерное изображение объекта мониторинга, построенное с использованием технологии информационного моделирования (ТИМ) со всем комплексом технических средств СМДС.

Основная функциональность системы онлайн-мониторинга

SODIS Building M предназначена для:

• повышения безопасности сооружений путём оперативного информирования эксплуатирующего персонала о нарушениях в работе сооружениях на ранних стадиях развития деструктивных процессов;
• организации автоматического опроса дистанционной КИА в соответствии с программой натурных наблюдений;
• ручного ввода данных замеров не автоматизированной КИА;
• определения показателей состояния сооружений и элементов конструкций на основе полученных данных;
• автоматического сопоставления полученных автоматизированным и ручным способом данных измерений с критериальными значениями;
• формирования и выдачи предупредительных сигналов при превышении критериальных значений;
• формирования отчётных таблиц, построение графиков, эпюр.
  
  

Управление безопасностью ГТС на корпоративном уровне

Объектовые системы контроля (АСДК) могут быть интегрированы в единую информационно-аналитическую систему (ИАС), которая является инструментом для управления рисками на корпоративном уровне.

Основной задачей ИАС является предоставление актуальной информации о уровне безопасности активов компании в соответствии с критериями безопасности.

Программный комплекс ИАС предоставляет расширенные аналитические возможности для экспертных организаций, осуществляющих научно-техническое сопровождение хвостохранилищ. ИАС может быть интегрирован с корпоративной системой управления (ERP) для эффективного контроля за исполнением регламентных работ и отдельных поручений.

Возможности системы SODIS Building FM

• Информационные панели с актуальной информацией по уровню безопасности отдельных объектов, превышению критериальных значений.
• Глубокая интеграция с объектовыми системами мониторинга (ИДС). Доступ к данным ручных и автоматических изменений.
• Электронный архив с доступом к технической документации, отчётам по обследованию, заказ-нарядам.
• Цифровой контроль исполнения регламентов, гарантийных обязательств, корпоративных процедур.
• Встроенный редактор бизнес-процессов позволяет адаптировать ИАС на различных этапах жизненного цикла.
• Адаптивный интерфейс для использования на мобильных устройствах.