ADVANCED METHODS AND TECHNIQUES FOR MODELLING AND MONITORING INSTABILITY OF DAMS AND EMBANKMENTS AFFERENT TO MINING WASTE-ROCK DEPOSITS FOR AVOIDING ECOLOGICAL HAZARDS
Acronim: GEOBAR
Sursa de finantare: Agentia Nationala pentru Cercetare si Stiinta (ANCS)
Programul de Cercetare de Excelenta
Autoritate contractanta: CNMP � INFOSOC
Contractor principal: Institutul National de Cercetare Dezvoltare Metale si Resurse Radioactive (INCDMRR - Bucuresti)
Studii hidro-geotehnice privind gradul de siguran?? al iazurilor de decantare din industria minier? (in cadrul expertizelor privind starea de siguranta a iazurilor de decantare), modelarea digital? a structurilor geologice, solu?ii tehnice de stabilizare, reamenajare ?i ecologizare a depozitelor de steril din industria extractiv?. Responsabilul de tema a obtinut cu ocazia cursurilor postuniversitare tinute de Glasgow Caledonian University Glasgow U.K. si Naue Fasertechnik, Germania (program Tempus S-JEP-08246-94 Bucuresti, iunie 1995) certificatul �Landfill Technologies�.
De asemenea �n cadrul lucr?rilor de cercetare dar ?i a celor de proiectare sunt utilizate metode moderne de achizi?ie ?i de modelare a datelor geologice ?i geofizice respectiv metode analitice si numerice de calcul dedicate pentru caracterizarea gradului de siguranta a depozitelor solide si polifazice din industria miniera (Geostudio 2004, Rocscience Slide, Phase 2, FlacSlope, Rockworks 2006, etc.), metode geostatistice ?i geospa?iale (de exemplu sisteme GIS de urm?rire, predic?ie ?i decizie asupra unor fenomene geologice naturale sau induse de activit??ile antropice cu grad ridicat de risc).
Universitatea Bucuresti � Facultatea de Geologie si Geofizica (UB)
Responsabil proiect: Conf. univ. dr. ing. Mihaela Stanciucu
Institutul National de Cercetare Dezvoltare Geoecologie Marina (GeoEcoMar)
Responsabil proiect: drd. ing. geof. Vlad Radulescu
Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti � Facultatea de Hidrotehnica (UTCB)
Responsabil proiect: Conf. univ. dr. ing. Vlad Paunescu
Majoritatea iazurilor de decantare si a haldelor din industria extractiv? sunt amplasate ?i organizate pe vaste suprafe?e de teren. Acest lucru aduce cu sine imobilizarea pentru o perioada nedefinit? de timp in cadrul unei suprafe?e de teren a unui depozit generat de activitatea de exploatare ?i de procesare a minereului. Depozitele de steril din iazurile de decantare trebuie sa prezinte siguran?? �mpotriva poten?ialelor avarii fizice datorate unor posibile rev?rsari de ?lam peste coronament sau al unui ?oc seismic ?i nu trebuie s? induc? o poten?ial? poluare zonelor �nconjur?toare, cursurilor hidrografice, apei subterane ?i nici atmosferei.
Scopul acestui proiect este acela de a dezvolta o metodologie complex? de investigare cu ajutorul unor tehnici geofizice nedistructive, respectiv tomografie geoelectric?, seismic?, georadar, termografie �n scopul identific?rii, evalu?rii ?i �mbun?t??irii st?rii de siguran?? a iazurilor de decantare ?i a haldelor. Algoritmii utiliza?i de programele software de interpretare ?i modelare a datelor vor permite descrierea anizotropiei materialelor ?i al principalilor parametrii geotehnici (densitate, permeabilitate, umiditate, distribu?ia granulometric?, rezisten?e la forfecare) care sunt folosi?i pentru a defini starea de siguran?? a acestor construc?ii.
Rezultatele practice ale acestui proiect vor putea fi materializate prin realizarea unei metodologii moderne de investigare, monitorizare ?i prelucrare a datelor reprezentate prin parametrii achizi?iona?i pe teren de c?tre metodele geofizice corespunz?toare scopului propus. Aceste metode nedistructive vor putea fi utilizate �mpreun? cu metodele clasice � acest ansamblu put�nd reprezenta un �aparat� de investiga?ie. Propunerea de proiect va fi realizat? pe dou? direc?ii:
- ?tiin?ific?, care are drept scop stabilirea modelelor conceptuale referitoare la fenomenele implicate �n fiecare metod? de investigare, cu referire la acei parametrii care trebuiesc determina?i pe teren;
- tehnic?, care descrie metodologia ?i etapele necesare fiec?rei investiga?ii, modul de achizi?ie al datelor, procedurile de prelucrare ?i �n final corela?iile dintre parametrii fizici ai metodei ?i parametrii geotehnici ce cuantizeaz? starea de siguran??;
Orient?ri, priorit??i, direc?ii, obiective cunoscute, stadiul existent
Problemele legate de instabilitatea marilor baraje ?i a posibilit??ii ca acestea s? cedeze, au adus prejudicii siguran?ei comunit??ii, prejudicii de ordin economic ?i asupra factorilor de mediu. �n ultimii ani au avut loc mai multe accidente. Avariile existente, alunec?rile structurale, ruperea barajelor au loc �ntr-un ritm destul de ridicat.
Multe din aceste eveniment au dus la pierderi de vie?i omene?ti, distrugerea propriet??ilor, poluari masive ale mediului, pierderi economice la nivelul industriei miniere.
�n ultimii 10 ani, au fost raportate la nivel interna?ional 21 de avarii grave ale iazurilor de decantare, inclusiv avaria de la barajul iazului de decantare al societ??ii Aurul S.A. Baia Mare (30 Iunie 2000).
Avariile iazurilor de decantare ?i evacuarea necontrolat? de ?lam pot avea consecin?e foarte grave asupra oamenilor ?i mediului.
Principalele consecin?e ce pot apare sunt clasificate pe trei puncte:
< Consecin?e economice: includ costul repara?iilor sau reconstruc?iei barajului ?i al compartimentului de stocare, efecte asupra unit??ii ce are �n administrare ?i exploatare acest obiectiv, datorit? �ntreruperii activit??ii de stocare a de?eului.
< Siguran?a public?: Aten?ia publicului a crescut foarte mult asupra fenomenelor de hazard ce afecteaz? �ntr-un singur eveniment un mare num?r de persoane, chiar dac? probabilitatea de apari?ie al acestora este redus? spre deosebire de fenomenele pericloase ce au o ritmicitate mult mai mare de apari?ie dar afecteaz? doar c�?iva indivizi. De asemenea, o expunere impus? ?i involuntar? �n apropierea unui posibil fenomen de hazard este mult mai pu?in acceptat dec�t o expunere voluntar? la o activitate cu grad de risc foarte ridicat.
< Dezastre ecologice: evacuarea unei cantit??i mari de material steril, care este apoi transportat pe un areal vast poate cauza un dezastru ecologic cu impact deosebit dac? sterilul este toxic. Exist? de asemenea riscuri asociate unor evenimente naturale cu ritmicitate pe un interval mare de timp cum ar fi: disperia pulberilor �n atmosfer?, contaminarea acviferelor subterane, alunec?ri de teren.
�n prezent, �n Rom�nia exist? un sistem legislativ coerent care impune respectarea unor norme metodologice cu privire la controlul ?i monitorizarea st?rii de siguran?? a iazurilor de decantare (prin comparatie, haldele de steril considerate surse de hazard mult mai redus), implic? respectarea unor condi?ii de execu?ie ?i de �ntre?inere a acestor construc?ii hidrotehnice ?i definesc metodologiile de expertizarea ?i evaluare a st?rii de siguran??.
Expertizele tehnice sunt bazate pe observa?ii de teren, pe date istorice cu privire la activitatea obiectivului investigat de la punerea �n exploatare pina la momentul actual, cu toate avariile sau evenimentele deosebite din cursul vie?ii acestui obiectiv. Aceste documenta?ii sunt completate cu studii hidrogeotehnice, analize de stabilitate si studii de infiltra?ii. In ultima perioada exista si obligativitatea prevederii in cadrul acestor studii si a unui capitol ce face o estimare mai mult calitativ? a scenariilor probabile de tipul hazardelor naturale sau antropice cu o estimare a consecin?elor.
Investiga?iile cuprinse �n cadrul studiilor geotehnice aferente expertiz?rii st?rii de siguran?? se rezum? la monitorizarea nivelului hidrostatic cu retele piezometrice, calcule cu metode clasice de stabilitate (metoda echilibrului limit?) ?i unele estim?ri a regimului de infiltra?ii. �n mod curent, investiga?iile cu metode geofizice coroborate cu prelev?ri de probe ?i test?ri insitu a parametrilor de forfecare, nu fac obiectul acestor studii.
Rezultate semnificative ob?inute ?i modalit??i de aplicare
Utilizarea metodelor de investiga?ie geofizic? a depozitelor de de?euri se tipul iazurilor ?i haldelor este citat? �n literatura de specialitate din Rom�nia, exist�nd ?i aplica?ii cu rezultate edificatoare, dar aplicabilitatea acestora �n cadrul metodelor de evaluare a starii de siguran?? este aproape inexistent?.
Pe plan interna?ional exist? preocup?ri privind aplicabilitatea metodelor de investiga?ie nedistructiv? la cunoa?terea structural? a elementelor de rezisten?? ale depozitelor de de?euri miniere, put�nd cita:
- Ganesh Mainali, Monitoring of tailings dams with geophyzical methods, Lulea University of Technology,Sweden, 2006-02-02
- Carlsten, S., Johansson S. and W�rman A. Radar Techiques for indication of internal erosion in
Embankment dams, 1995, Journal of Applied Geophysics 33, p 43-156.
- Panthulu, T.V., Krishnaiah, C. and Shirke, J.M. 2001. Detection of seepage paths inearth dams
using self-potential and electrical resistivity methods. Engineering Geology 59, p281�295.
- Sj�dahl P., Dahlin T. and Johansson S. 2004. Using resistivity measurements for dam safety
evaluation at Enemossen tailings dam, proceeding. 9th Meeting Environmental and Engineering Geophysics, Utrecht, The Netherlands, 6-9 September 2004, A017, 4p
- Thunehed, H., and Triumf, C., A.1999. Seepage Monitoring on an Embankment Dam with Geophysical Methods . Journal of Conference Abstracts, Vol. 4, No.1, Symposium J05. Environmental Geophysics.�
- ICOLD International Committee of Large Dams: Tailings Dams Risk of Dangerous Occurrences. Lessons Learnt from Practical Experiences. Bulletin Nr. 121, 144 p., Paris, 2001.
Unul dintre programele de cercetare aplicativ? care a inclus ?i testarea unor metode geofizice de investiga?ie pentru iazurile de decantare, a fost TailSafe, care a reunit �ntr-un consortiu mai multe institute de profil.
Problemele propuse spre rezolvare legate de situa?ia actual? a domeniului ?i a tematicii proiectului
< Implementarea unei metodologii moderne de investiga?ie complex? a depozitelor de de?euri sterile din industria extractiv? �n vederea implement?rii acesteia �n cadrul studiilor ?i expertizelor de specialitate cu privire la starea de siguran??
< Eliminarea situa?iilor de risc indus de necunoa?terea condi?iilor tehnice ?i a st?rii poten?iale de instabilitate a elementelor de reten?ia din cadrul iazurilor de decantare ?i a halzilor de steril
Obiective m?surabile :
< Determinarea parametrilor fizici specifici fiec?rei metode de investigare nedistructiv?
< Corela?iile dintre parametrii fizici m?sura?i ?i parametrii geotehnici caracteristici ai materialului din depozit
< Rezultatele modelarilor numerice, analizelor de stabilitate ?i de infiltra?ii, interpretarea complex? a datelor geofizice comparativ cu celelalte metode.
Programului CEEX - Modulul 1
- 2008 -
Studii:
Studiu de caz: Investigatii geoelectrice, seismice si georadar pe amplasamentul barajului Cetatuia 2, Feldioara, jud. Brasov.
Studiu de caz: Investigatii termografice in infrarosu pe amplasamentul barajului iazului Herepeia, Deva pentru punerea in evidenta a fenomenelor de sufoziune;
Studiu de caz: Investigatii geoelectrice prin metoda sondajului electric vertical pe o halda din zona Certejul de Sus, Hunedoare;
Evaluarea starii de siguranta a barajului Cetatuia 2 prin metode analitice si numerice, tinind cont de rezultatele investigatiilor nedistructive.
Proiecte:
Corespunzator celor 5 etape de derulare a cercetarii
Tehnologii:
- Metode noi de investigare a depozitelor de de?euri prin utilizarea georadarului, tomografiei geoelectrice de inalta rezolutie ?i a termografiei industriale
- Tehnici si metodologii de investigare geofizica necesare activitatilor de monitorizare in perioada de exploatare, inchidere si postinchidere a depozitelor de deseuri din industria extractiva
- Modalitati de stabilire a corelatiilor dintre parametrii geofizici si cei geotehnici
- Tehnici de determinare a aplicabilitatii metodelor nedistructive in studiul proceselor ce afecteaza stabilitatea digurilor si barajelor de decantare si a halzilor de steril
- Noi modele matematice utilizate in cadrul metodelor numerice de prelucrare a datelor geofizice
- Metode si tehnici moderne de prelucrare si de interpretare a datelor geofizice
- Tehnici de realizarea a modelelor geofizice 3D si corelarea parametrilor geotehnici cu cei geofizici in vederea imbunatatirii metodelor de simulare analitica si numerica a stabilitatii digurilor si barajelor
Produse informatice:
In cadrul cercetarii au fost utilizate produse software dedicate (cu licenta) pentru achizitia, procesarea si reprezentarea datelor geofizice, pentru modelarea numerica si analitica a fenomenelor geomecanice periculoase si pentru construirea modelelor 3D: RES2DINV, RES3DINV, WinSISM, SEISIMAGER, GEOTOMGC, WIN-Tomo, EarthImager3D, Phase2, RockWorks 2008, AutoCad 2008.
Articole publicate in tara:
Aplicarea metodelor numerice de calcul pentru solu?ii reale �n industria minier? ?i protec?ia mediului �nconjur?tor, De�k, Gy., De�k, ?t. , Buletin Resurse Minerale, ISSN 1842-290X, 2006, nr. 1, pag. 37-48.
Improvement the compressible tailings settlement by vertical drainage, Mihai S. , Proceedings of the Second International Seminar ECOMINING EUROPE IN 21st Century, Sovata oct. 24-26, 2007, Romania, ISBN 978-973-741-071-9 pag. 113-124
Stress state monitoring using geophysical tomography techniques, Oancea I., A. Petrescu, Proceedings of the Second International Seminar ECOMINING � EUROPE IN 21st Century, Sovata oct. 24-26, 2007, Romania, ISBN 978-973-741-071-9 pag.141-146
European technology platforms, Gy. De�k, ?t. De�k, M. Ioni??, P. Marinescu, Proceedings of the Second International Seminar ECOMINING � EUROPE IN 21st Century, Sovata oct. 24-26, 2007, Romania, ISBN 978-973-741-071-9 pag. 423-429
The risk zone identification by surface waters penetration using the electrical rezistivity and decisional analysis, De�k, Gy., Oancea, I., Mihai S.O, Revista Buletin RESURSE MINERALE, nr. 2, 2007, pag. 21-26, cod ISSN 1842-290X / Editura Universitas, Petro?ani.
Evidentierea structurii geologice prin cercetari Geoelectrice, Vlad Radulescu, Salonul Cercetarii 2007, Bucuresti
Geoelectrical Study for Delineating Underground Cavities in Karst Areas, Vlad R?dulescu, Florian R?dulescu, Constantin Diacopolos, Marian Popescu, Revista Geo-Eco-Marina nr.13/2007, pag 89 � 97, Bucuresti 2007
Use of Geoelectrical Methods in Archeological Studies. Case Study: The Saint Nicholas Church of Densu?, Vlad R?dulescu, Mihaela Carmen Melinte, Florian R?dulescu, Geo-Eco-Marina nr.13/2007, pag 101 -111, Bucuresti 2007
Cetatuia 2 Tailings Dam�s Safety Assessment using numerical Modeling of Geotechnical and Geophysical Data, Mihai S., I. Oancea, A. Petrescu, Geo 2008 Scientific Meeting, Abstract Volume, Ed. Vergiliu, pag. 113 � 119, Bucuresti 2008
Articole publicate in strainatate:
The ECOMINING platform accomplishment for the promotion of Romanian research and innovation potential, De�k, Gy., De�k, ?t, Georgescu, D.P., Zl?gnean, M., G?man, M., Sepr�di, Z., Book of Proceedings 3rd International Conference on Sustainable Development Indicators in the Minerals Industry SDIMI 2007, 17-20 June, 2007, Milos island, Greece, Publisher: Heliotopos Publications, ISBN: 978-960-674600-0, pag.99-103
Surface water intrusion risk of the old Romanian salt mines, De�k Gy., Mihai S., De�k ?t., Oancea I. Journal of the International Mine Water Association (IMWA), ISSN 1025-9112, December 2007, Ed. Springer
A procedure for rating the dam safety improvement works, Stematiu Dan, Proceedings of Int. Symposium on Dam Safety Management, Sankt Petersburg, June,2007
Siguran?a barajelor de p?m�nt ?i din anrocamente, Stematiu Dan, Proceedings of ROCOLD - Building Research Institute (BRI), Tsukuba, Japonia, februarie,2007
Tailings dams and waste-rock dumps safety assessment using 3D numerical modelling of geotechnical and geophysical data, Mihai S., St. Deak, Gy. Deak, Oancea I, Petrescu D., Proceedings Congresul International de Analiza Numerica � India, Goa, Octombrie 2008, Ed. Springer � in curs de aparitie
Carti publicate in tara:
CAPACITY BUILDING ON THE ECOMINING PRINCIPLE, Proceedings of the Second International Seminar ECOMINING � EUROPE IN 21st Century, Sovata oct. 24-26, Romania, De�k, ?t.E., De�k, Gy. ISBN 978-973-741-071-9 (622:504 063)., Ed. Universitas Petrosani
Propuneri de proiecte transmise la programe internationale
cu tematica rezultata din proiectul derulat:
DEVELOPMENT OF GEOSPATIAL TECHNOLOGIES TO ASSESS SOIL DEGRADATION RISK IN WIDER MINING AND WASTE DISPOSAL SITES/ FP7- ENV-2007-102/05/2007
- iazurile de decantare de la Uzinele Sodice Govora (168 ha)
- halda de zgura/cenusa de la Sidex Galati (100 ha)
- iazurile de decantare de la Upsom Ocna Mures (92 ha)
- depozitul industrial Turnu Tr. Magurele (62,3 ha)
- iazurile de decantare de la Doljchim Craiova (15,8 ha)
Potrivit Planului de Implementare pentru Directiva 1999/31/CE privind depozitarea de?eurilor, industria extractiv? a minereurilor a avut �n exploatare la data �ncheierii negocierilor cu UE 21 de iazuri de decantare.
Din cele 21 de iazuri de decantare, 16 �?i vor sista depozitarea p�n? la 31 decembrie 2006, iar pentru 5 iazuri s-a solicitat perioad? de tranzi?ie p�n? cel t�rziu la 31 decembrie 2011.
Mecansimele de cedare �n raport cu care trebuie evaluat? stabilitatea sunt:
- alunecarea local? a taluzului aval, cu afectarea g?rzii;
- alunecarea pe suprafe?e de alunecare profunde, care trec prin zona de steril fin neconsolidat;
- instabilitatea unor prisme decupate pe limita amonte a plajei sau pe limita amonte a digurilor de �n?l?are;
- alunecarea pe suprafe?e de alunecare ce trec prin terenul de fundare, atunci c�nd condi?iile de fundare sunt dificile;
- antrenarea hidrodinamic? (denumit? uneori ?i sufozie) �n cazul emergen?ei curbei de depresie la paramentul aval;
- eroziunea intern?, pe c?i preferen?iale de infiltra?ie;
- tas?ri ?i deplas?ri excesive, care conduc la apari?ia de cr?p?turi ?i instabilit??i.
si modul de rezistivimetrie electrica
1. Citirea unui fisier de date primare;
2. Modificarea setarilor de inversare si a modelului de start;
3. Inversarea datelor SEV;
4. Modificarea modelului de start pe baza rezultatelor inversarii;
5. Rularea din nou a procedurii de inversare (acesti ultimi 2 pasi pot fi reluati de mai multe ori);
6. Vizualizarea rezultatelor inversarii;
7. Salvarea si printarea datelor primare si a rezultatelor inversarii.
Profilarea fundamentului (roca de baza)
Determinarea secventelor de sedimentare sau depunere in iazuri si haldele de steril
Evaluarea variatiei spatiale a proprietatilor fizico-mecanice in corpul haldelor si a iazurilor de decantare (in faza experimentala)
In general se recomanda utilizarea in paralel si a metodelor electrometrice
la formatul specific aplicatiei � SU (Seismic UNIX).
2. Citirea timpilor primilor sosiri.
3. Transferul timpilor primelor sosiri intr-un fisier text.
4. Citirea din fisiere text, in care au fost introduse in prealabil, a datelor geometrice ce definesc experimentul
(coordonatele 2D ale surselor si ale receptorilor).
5. Introducerea parametrilor necesari prelucrarii tomografice: dimensiunea celulelor retelei de interpolare,
viteze initiale la nivelul celulelor, numar de iteratii, limite de viteze admise.
6. Prelucrarea propriu-zisa, ale carei rezultate vor fi plotate, existand posibilitatea printarii, a salvarii de fisiere grafice in mai multe formate, sau a salvarii de fisiere text sau fisiere SURFER.
- Considera structura barajului neomogena, folosind datele cu privire la distributia parametrilor indirecti si corelatia lor cu tipul materialelor existente
- Parametrii geotehnici sunt atribuiti modelului dupa calibrarea acestuia cu valori determinate din foraje geotehnice si de laborator
- Permite efectuarea unor simulari repetate pe acelasi profil la intervale de timp si utilizarea rezultatelor la monitorizarea starii de siguranta
Metoda elementului finit abordat? pentru modelarea stabilitatii utilizeaza conceptul reducerii parametrilor de forfecare (Shear Strength Reduction � SSR).
Modelul conceptual utilizat in metoda SSR, se bazeaza pe:
- Descrierea proprietatilor materialelor din model se face prin modelul constitutiv Mohr-Coulmb
- Factorul de reducere a rezistentelor de forfecare reprezinta factorul de siguranta
- Declansarea fenomenului de alunecare si neconvergenta solutiei sistemului de ecuatii au loc in acelasi timp si sunt insotite de o crestere brusca a deplasarilor totale.
Static --> pentru determinari la o anumita perioada de timp
Dinamic --> determinari la diferite perioade de timp (serii de timp) in scopul monitorizarii unor procese periculoase (infiltratii, sufoziune, etc.)
Tehnicile si metodologiile prezentate permit descrierea starii de anizotropie a barajelor sau haldelor spre deosebire de metodele clasice (foraje, galerii) care permit doar o reprezentare punctuala.
Datele geofizice sunt calibrate relativ usor cu datele geotehnice necesare parametrizarii modelelor numerice de calcul.
Aceste metode nedistructive sunt mult mai rentabile din punct de vedere economic fata de metodele clasice care necesita un consum mare de energie (foraje), accesul in zone accidentate fiind limitat iar timpul de investigatie foarte lung.
Metodele nedistructive se preteaza ca metode fiabile de monitorizare a parametrilor cheie.