Обеспечение устойчивости объектов открытых горных работ – проблема комплексная, требующая контроля и учета геологических, гидрогеологических, климатических и горнотехнических факторов. В настоящее время существует целый ряд инструментов эффективного и качественного проектирования откосов и бортов карьеров, отвалов, которые успешно применяются на практике.

В настоящее время при неизменном наращивании объемов ведения открытых горных работ (увеличение глубины карьеров и сроков их службы) вопросы повышения безопасности, экономичности и экологичности производства неразрывно связаны с обеспечением устойчивости открытых горных выработок и отвалов в течение срока всей эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Это обусловлено не только оптимальным выбором способа вскрытия, системы разработки и системы комплексной механизации горных работ, но и учетом тенденции ухудшения и усложнения геолого-горнотехнических условий разработки. Необходимо учитывать все факторы, влияющие на устойчивость: геологические, гидрогеологические и климатические условия, а также горно-технические.

Геологические факторы: прочность, крепость горных пород, ее анизотропность, так как реальные горные породы представляют собой более сложную структуру, обладающую неравномерностью свойств, а также механические свойства, которые в массиве отличаются от свойств, полученных при испытаниях образцов. Устойчивость откосов уменьшается с понижением характеристик сопротивления сдвигу (сцепления и внутреннего трения), увеличением трещиноватости пород и количества разрывных геологических нарушений. Образование поверхностей скольжения и их положение в массиве в значительной степени зависит от ориентировки поверхностей ослабления, в том числе слоистости, сланцеватости, тектонической нарушенности; эти факторы зачастую являются решающими при оценке устойчивости откосов.

Гидрогеологические факторы: подток грунтовых вод, гидростатическое и гидродинамическое давление, суффозия, выщелачивание, внезапные прорывы воды, оплывание. Существенное влияние на устойчивость откосов также могут оказать водоносные слои пород (горизонты), водоемы, открытые и подземные водотоки вблизи карьера. Следует иметь в виду, что гидростатическое давление, действующее на поверхность скольжения, уменьшает нормальную составляющую веса пород, что ведет к уменьшению сил трения и, в конечном счете, к снижению степени устойчивости откосов.

Климатические факторы: количество атмосферных осадков, температурный режим района, микрорельеф, ветры. Климатические условия района месторождения влияют на выветривание пород, уменьшение их прочности и устойчивости в откосах.

Горнотехнические факторы: способ производства взрывных работ, так как массовые взрывы отрицательно влияют на окружающий горный массив, в некоторых зонах прочность пород изменяется на 20-25% от естественной. В пределах ближайшей зоны происходит нарушение структуры массива: плотно сомкнутые естественные трещины раскрываются, различного рода поверхности ослабления, имевшие первоначально некоторую связность, утрачивают ее; происходит смещение структурных блоков относительно друг друга.

В результате этих явлений прочность скального массива и устойчивость откосов в нем существенно снижаются. На устойчивость бортов карьеров и отвалов влияют их конструктивные параметры. А также, стоит учитывать, что с повышением производственной мощности карьеров возрастает и количество используемой техники на горизонтах, что в свою очередь, увеличивает вес, и, как следствие нагрузку на уступы, приводящую к увеличению деформаций. На устойчивость отвалов также существенно влияет угол наклона площадки основания отвала, обводненность пород основания и отвальных масс, технология формирования отвалов.

Поэтому уже на стадии проектирования на первый план выходят вопросы геофизического и инженерного обеспечения горных работ. В связи с этим, важной становится проблема обоснования и разработки рациональных конструктивных параметров уступов и бортов и методов их расчета, обеспечивающих минимизацию объемов вскрышных пород, вынимаемых в карьере, при сохранении максимально возможных объемов запасов полезных ископаемых. Внедряются новые подходы к проектированию горнотехнических систем. К их числу относят: формирование высоких вскрышных уступов, искусственные бермы, а также использование интеллектуального горнотранспортного оборудования. Последнее исключает необходимость присутствия человека в рабочей зоне карьера, что позволяет вовлечь в отработку запасы полезного ископаемого при пониженном коэффициенте запаса устойчивости уступов и бортов карьеров, в зонах интенсивных деформаций горного массива, на участках с повышенной загазованностью и др. Немалую роль в решении этих вопросов также играет использование автоматизированных систем расчета устойчивости бортов карьеров и использование высокотехнологичных способов проведения взрывных работ на месторождении.

Все существующие способы формирования устойчивых бортов карьеров можно разделить на две основные группы. В первую группу входят способы, использование которых позволяет создать дополнительное удерживающее усилие на поверхности обрушения или снизить сдвигающее усилие, действующее по этой поверхности, и тем самым повысить устойчивость откосов уступов и бортов (увеличить коэффициент запаса устойчивости ослабленных откосов). Ко второй группе относятся способы, предотвращающие частично или полностью ухудшение прочностных характеристик массива горных пород в приконтурной зоне, что позволяет не допустить снижения устойчивости уступов со временем (сохранить их фактический коэффициент запаса устойчивости). Следует отметить, что наряду с использованием контурного взрывания для формирования устойчивых карьерных откосов достаточно широкое применение находят способы укрепления пород уступов и бортов. Опыт применения обоих способов на ряде месторождений позволяет сделать вывод о том, что использование технологии контурного взрывания и укрепления дает возможность отстраивать откосы уступов и бортов более крутыми, не снижая их устойчивости, при этом достигается значительный экономический эффект. Таким образом, возможно сохранение устойчивости откосов с увеличением или сохранением коэффициента запаса.

Рассмотрим одно из направлений повышения эффективности открытых горных работ – отработка наклонных и крутопадающих месторождений руд и углей с формированием высоких вскрышных уступов. Увеличение высоты вскрышного уступа обеспечивает значительное повышение производительности горнотранспортного оборудования. Это положительно сказывается на качестве добываемого полезного ископаемого, скорости подвигания фронта горных работ, темпах углубки и росте производственной мощности карьера, увеличением глубины открытых горных работ, и, в свою очередь, сопровождается сокращением общей протяженности фронта горных работ, уменьшением объемов вскрышных пород в пределах карьерного поля. Таким образом, обеспечивается полнота выемки запасов полезного ископаемого на месторождении, снижается экологическая нагрузка на окружающую природную среду.

Разнообразные природные условия развития деформаций, локальные и региональные особенности массивов горных пород привели к разработке большого числа расчетных методов (методик), которые отличаются способами и точностью решения, условиями применения, учетом разного количества факторов, неодинаковыми техническими предпосылками. Следует отметить, что методы по расчету устойчивости откосов применяются повсеместно в черной, цветной, угольной и урановой промышленностях. Наибольшее распространение получили методы ВНИМИ, по которым были выпущены методические документы, утвержденные Госгортехнадзором в 1972 году и уточненные в последующие годы в других методических указаниях (1985–1987). В черной, цветной металлургии и промышленности строительных материалов были также выпущены отраслевые нормативные документы по расчету устойчивости откосов. В настоящее время методы расчета устойчивости бортов развиваются и совершенствуются.

Рассмотрим одну из важных задач определения оптимальных параметров откосов карьеров, отвалов и т.п., для расчета которой используют методику определения минимального коэффициента запаса устойчивости, равного отношению удерживающих сил к сдвигающим, которые возникают в приоткосном массиве. По нормативному значению коэффициента запаса устойчивости, а также исходя из физико-механических свойств пород, слагающих массив, возможно нахождение оптимальной высоты или угла откоса горной выработки. Традиционный способ решения обозначенной задачи предполагает трудоемкий графоаналитический расчет, требующий большого количества времени даже для получения ориентировочны данных. В силу своей специфики эти расчеты не всегда точно формализуются, так как на устойчивость влияет достаточно большое количество возмущающих факторов, связанных в первую очередь с горно-геологическими условиями эксплуатации и во вторую – с особенностями технологии отработки и выполнения мероприятий. В связи с этим ручные расчеты трудоемки и занимают значительное время. Поэтому автоматизация процессов расчета устойчивости является актуальной. Для ускорения и облегчения решения задач по устойчивости в АО "Иргиредмет" используется специальное программное обеспечение "K-MINE: Расчет устойчивости уступов, бортов карьеров и отвалов".

Этот программный комплекс предназначен для выполнения работ по определению коэффициента запаса устойчивости бортов карьеров и отвалов. Исходными данными для расчета являются трехмерные интегрированные модели, включающие в себя актуализированное состояние исследуемого объекта (карьер, отвал) или его участка, а также трехмерная модель геологической среды, описывающая геолого-структурные и прочностные свойства горного массива. В алгоритмах работы программного обеспечения "K-MINE: Расчет устойчивости…" заложены общепринятые положения теории предельного равновесия "сыпучей среды", в которой наибольшее применение нашло решение предельного равновесия откоса по внутренней границе (по поверхности скольжения). В основу математического аппарата модуля положены инженерные методы алгебраического сложения сил по круглоцилиндрической поверхности скольжения и метод многоугольника сил (векторного сложения). Поверхность скольжения строится по методу проф. Г.Л. Фисенко. С помощью предложенных алгоритмов реализованы три основных метода расчета устойчивости:

1. метод алгебраического сложения сил: для условий плоского борта при отсутствии неблагоприятно ориентированных поверхностей ослабления для однородного изотропного массива с горизонтальным залеганием слоев при отсутствии ослабленных контактов;
2. метод многоугольника сил: для расчета устойчивости откосов, сложенных трещиноватыми горными породами и поверхностями ослабления большой протяженности;
3. метод многоугольника сил: для прочных, трещиноватых пород.