Мультимасштабный подход меняет контроль над хвостохранилищами

Горнотехнические сооружения, и в первую очередь хвостохранилища, представляют собой одни из самых сложных объектов промышленной инфраструктуры. Это динамичные природно-технические системы, находящиеся под постоянным воздействием гравитации, гидростатического давления и внешних климатических факторов. В условиях Мурманской области положение усугубляется непростым климатом, сезонным промерзанием грунта и техногенной геодинамической активностью. Любая ошибка в оценке состояния таких сооружений может привести к катастрофическим последствиям: от загрязнения природных вод до разрушения населенных пунктов.

История мировой горной промышленности знает немало трагических примеров. Аварии на хвостохранилищах в Бразилии (Мариана, Брумадинью), Венгрии (Айка) или на российских предприятиях (Качканарский ГОК, Карамкенский ГМК) наглядно демонстрируют уязвимость традиционных подходов к мониторингу. По статистике, вероятность отказов на хвостохранилищах в десять и более раз превышает такую на обычных водохранилищах. Часто причиной аварий становится не внезапный внешний удар, а медленно развивающиеся внутренние процессы – вынос мелких частиц грунта фильтрующейся водой, повышение порового давления или потеря устойчивости откосов, которые остаются незамеченными при стандартном визуальном контроле.

Понимая, насколько опасными могут быть не замеченные вовремя изменения, и накопив опыт за десятки лет работы на предприятиях Кольского полуострова (АО «Кольская ГМК», КФ АО «Апатит», АО «Ковдорский ГОК», АО «СЗФК»), ученые Горного института Кольского научного центра РАН разработали новую методологию и обобщили ее положения в монографии «Мультимасштабные исследования ответственных горнотехнических сооружений Баренцева Евро-Арктического региона России».

Идея написания книги, формирование общей цели и задач, а также обобщение и систематизация полученных результатов принадлежат Анатолию Калашнику. Он же выполнил компоновку и общую редакцию текста, написал аннотацию, введение, заключение и большую часть глав. Андрей Дьяков подготовил разделы, посвященные георадарным обследованиям (внутренняя структура дамб, выявление зон водонасыщения). Дмитрий Запорожец работал над разделами по георадарным исследованиям, аэрофотосъемке с БПЛА и визуальным обследованиям. Надежда Калашник отвечала за блоки, связанные с компьютерным гидрогеомеханическим 3D-моделированием (создание цифровых двойников, расчет устойчивости). Михаил Мелихов разработал разделы о космическом мониторинге, дистанционном зондировании Земли и создании региональных баз данных.

Ученые предлагают отказаться от реактивного мониторинга, фиксирующего уже случившиеся изменения, в пользу прогнозного и превентивного подхода. Ключевая идея методологии – мультимасштабность. Это означает получение информации об объекте на всех уровнях: от микроструктуры отдельных частиц грунта (доли миллиметра) до оценки состояния всего сооружения и сопряженных с ним природных систем (десятки километров).

Такой подход позволяет связать в единую картину данные геофизики, геодезии, дистанционного зондирования и компьютерного моделирования. Результатом становится целостная модель поведения сооружения, позволяющая предсказывать развитие опасных процессов задолго до того, как они станут заметны.

Первый раздел книги посвящен анализу международных подходов к обеспечению безопасности хвостохранилищ. Авторы подробно разбирают статистику аварий за последние сто лет, выделяя основные причины отказов: фильтрацию, перелив через гребень дамбы, сейсмические воздействия и ошибки в проектировании основания. Особое внимание они уделяют тому, что информация, полученная с помощью традиционных методов (пьезометров, осмотров), часто запаздывает, и подчеркивают необходимость непрерывного мониторинга на всех этапах жизненного цикла объекта – от строительства до закрытия и рекультивации, когда риски могут даже возрастать из-за снижения внимания со стороны эксплуатирующих организаций.

Центральное место в методологии, изложенной во втором разделе, занимает геофизический мониторинг, прежде всего георадарное зондирование. Этот неразрушающий метод позволяет получать непрерывную информацию о внутренней структуре ограждающих дамб и насыпных сооружений без необходимости бурения скважин или нарушения их целостности.

Авторы подробно раскрывают механизм интерпретации данных: изменение физических свойств грунтов (в первую очередь, рост влажности) фиксируется как изменение диэлектрической проницаемости среды. Это, в свою очередь, влияет на скорость распространения электромагнитных волн и характер их отражения. Детальный анализ амплитудно-частотных характеристик сигнала и поля обратного рассеяния позволяет не просто качественно оценивать состояние грунта, но и количественно выделять зоны повышенного водонасыщения и локальные фильтрационные каналы, скрытые структурные неоднородности и границы между различными типами намывных и насыпных материалов.

Такой подход обеспечивает высокую достоверность выявления потенциально опасных фильтрационно-деформационных процессов на ранних стадиях их развития.

Важный блок методологии – дистанционный мониторинг. Авторы рассказывают о применении данных дистанционного зондирования Земли и аэрофотосъемки с беспилотников. Спутниковые снимки в оптическом и радиолокационном диапазонах позволяют отслеживать деформации поверхности, изменения площади водного зеркала и даже состояние растительности на огромных территориях.

Интересное новшество – использование растительности как индикатора скрытых фильтрационных процессов. Аномально пышная или, наоборот, деградировавшая растительность на откосах дамб может указывать на наличие подземных потоков воды, которые не выходят на поверхность, но размывают сооружение изнутри. Этот метод особенно эффективен в летний период и дополняет данные инструментального контроля.

Аэрофотосъемка с БПЛА, в свою очередь, обеспечивает создание высокоточных 3D-моделей рельефа и ортофотопланов, необходимых для расчета объемов складирования и контроля геометрии дамб.

Теоретической основой полевых измерений служит компьютерное моделирование. В книге подробно описан процесс создания геофильтрационных и гидрогеомеханических 3D-моделей, которые позволяют рассчитывать совместные фильтрационно-деформационные процессы, учитывая реальные свойства грунтов, геометрию сооружения и гидравлические нагрузки.

Моделирование дает возможность проводить виртуальные эксперименты: что произойдет с дамбой при экстремальных ливнях? Как изменится устойчивость при повышении уровня воды в отстойнике? Где возникнут зоны максимального напряжения? Ответы на эти вопросы помогают инженерам принимать обоснованные решения по укреплению сооружений и управлению режимами их эксплуатации.

Третий раздел книги посвящен практической апробации методологии на реальных объектах Кольского региона.

Обращаясь к хвостохранилищу АО «СЗФК», авторы демонстрируют, как сочетание георадарных обследований, геодезического мониторинга и 3D-моделирования помогло выявить проблемные участки на низовой дамбе и обосновать меры по обеспечению ее устойчивости при дальнейшем наращивании.

Еще один пример – разделительная дамба АНОФ-3 КФ АО «Апатит». Многолетние циклы георадарных измерений позволили отследить миграцию зон водонасыщения и подтвердить общую устойчивость сооружения при наличии локальных аномалий, требующих контроля.

На примере плотины водохранилища на северо-западе Мурманской области авторы демонстрируют, как моделирование помогает оценить риски фильтрации и спрогнозировать изменение объема воды при различных сценариях.

В заключительном разделе предложены пути дальнейшего совершенствования научно-методических основ безопасности. Ученые дают рекомендации по развитию сетей контрольно-измерительной аппаратуры, интеграции новых видов мониторинга (в том числе с использованием искусственного интеллекта для анализа больших данных) и улучшению нормативной базы. Важно учитывать нелинейность происходящих в хвостохранилищах процессов и постоянно обновлять цифровые моделей по мере поступления новых данных.

Монография будет полезна инженерам-геотехникам, гидрогеологам, специалистам по промышленной безопасности горнодобывающих предприятий, а также проектировщикам, занимающимся созданием и реконструкцией гидротехнических сооружений, и научным сотрудникам, аспирантам и студентам, изучающим геомеханику и экологию недропользования.