Проект отвала вскрышных пород: расчёт устойчивости, надзор и типичные ошибки проектировщиков

Отвал вскрышных пород воспринимается на предприятии как второстепенный объект: туда просто возят породу. Между тем оползень отвала — одна из самых частых крупных аварий на открытых горных работах. Он уносит технику, перекрывает дороги и водотоки, выходит за горный отвод на чужие земли, а разбирательство упирается в один документ — проект отвалообразования и то, насколько фактическая отсыпка ему соответствовала.

Что вообще проектируется в отвале

Проект отвалообразования — это не схема «куда возить». Это инженерный документ, где каждое решение должно опираться на характеристики основания и отсыпаемых пород. Минимальный состав, который ожидает увидеть эксперт и надзор:

• Обоснование выбора площадки — вместимость на срок отработки, плечо возки, удалённость от жилой застройки, водотоков, коммуникаций, охраняемых территорий, отсутствие полезных ископаемых под отвалом.
• Оценка основания — инженерно-геологические изыскания на площадке, прочностные характеристики грунтов основания, уровень подземных вод, уклон рельефа, наличие слабых прослоев, торфов, суглинков текучей консистенции, старых выработок и просадочных грунтов.
• Характеристика отсыпаемых пород — гранулометрия, влажность, склонность к размоканию и выветриванию, наличие пород, способных к самовозгоранию, углы естественного откоса.
• Способ отвалообразования — автомобильный, бульдозерный, экскаваторный, конвейерный, гидроотвал; от него зависят и технология, и параметры.
• Параметры отвала — количество и высота ярусов, углы откосов ярусов и результирующий угол, ширина предохранительных берм и рабочих площадок, порядок наращивания.
• Расчёт устойчивости откосов ярусов и отвала в целом, включая устойчивость по основанию.
• Инженерная подготовка основания — снятие плодородного слоя, вырубка, осушение, удаление слабых грунтов или устройство упорной призмы.
• Дренаж и водоотвод — нагорные и водоотводные канавы, пропуск поверхностного стока, дренаж основания, водоперепускные сооружения.
• Контроль деформаций — схема наблюдений, реперы, периодичность, критические значения.
• Рекультивация — техническая и биологическая, с параметрами выполаживания откосов на завершающей стадии.

Основание решает больше, чем сам отвал

Разрушение отвала редко происходит по телу насыпи. В подавляющем большинстве случаев поверхность скольжения уходит в основание — по контакту насыпи с грунтом или по слабому прослою внутри него. Отсюда практический вывод: изыскания на площадке отвала важнее, чем детальная характеристика вскрышных пород.

Что смотрят в основании в первую очередь:

• слабые водонасыщенные грунты, торф, илы, глины текучепластичной консистенции — они выдавливаются под нагрузкой;
• уклон поверхности основания: чем круче склон, тем ниже допустимая высота и тем реальнее сдвиг всего массива по контакту;
• наличие водоносного горизонта и его реакция на пригрузку — нагрузка отвала повышает поровое давление, прочность основания временно падает;
• ручьи, мочажины, выходы родников под будущей подошвой отвала: если их не перехватить, вода уйдёт под насыпь и сработает как смазка по контакту;
• подработанные территории, старые выработки, карстовые проявления.

Отдельный расчётный случай — скорость отсыпки. Если породу подают быстрее, чем основание успевает уплотняться и отжимать воду, устойчивость снижается даже при формально правильных геометрических параметрах. Поэтому в проекте задаётся не только форма отвала, но и темп его наращивания.

Высота яруса и углы откосов

Высота яруса — главный параметр, на котором экономят в поле. Она определяется расчётом и зависит от прочности пород, прочности основания, обводнённости и способа отсыпки. Превышение проектной высоты даже на несколько метров непропорционально снижает коэффициент запаса, потому что растут и сдвигающие силы, и нагрузка на основание.

Угол откоса яруса при свободной отсыпке формируется естественным образом и близок к углу естественного откоса пород, но после увлажнения и размокания фактическая прочность падает, и откос, простоявший сухое лето, поплывёт весной. Результирующий угол отвала определяется высотой ярусов и шириной оставляемых берм; именно бермы чаще всего и съедают, отсыпая следующий ярус ближе к бровке нижнего.

Коэффициент запаса устойчивости принимается по нормативным требованиям с учётом ответственности объекта и срока его существования. Конкретные минимально допустимые значения и методики расчёта заданы действующими нормативными документами по горным работам — проверяйте актуальную редакцию на сайте Ростехнадзора и в справочно-правовых системах, эти документы обновлялись.

Ошибки, которые заканчиваются оползнем

Набор типовой и повторяется от объекта к объекту.

• Отсыпка на неподготовленное основание. Плодородный слой и растительность не сняты, слабые грунты не удалены, заболоченный участок не осушен. Расчёт в проекте при этом выполнен для чистого грунта основания.
• Превышение проектной высоты яруса. Возить выше дешевле и ближе, контроль ведётся глазомерно, маркшейдерская съёмка отвала делается раз в год.
• Сокращение берм. Верхний ярус подводится к бровке нижнего, результирующий угол растёт, проект превращается в бумагу.
• Нет водоотвода. Нагорные канавы не построены или заилены, поверхностный сток идёт на откос и под подошву, дренаж основания отсутствует.
• Смешивание пород без учёта свойств. Глинистые размокаемые породы укладываются в основание яруса или в зону, где они попадают под воду.
• Отсутствие поярусного контроля. Наращивание следующего яруса начинается до того, как нижний стабилизировался, а фактические деформации никто не измерял.
• Отвал вне утверждённых границ. Фактический контур выходит за площадку, согласованную проектом и землеотводом, иногда — за пределы горного отвода.
• Проект есть, но он на другой отвал. Площадку перенесли, объёмы вскрыши выросли вдвое, проект не актуализировали.

Каждый из этих пунктов фиксируется проверкой как нарушение требований промышленной безопасности и требований проектной документации, с последствиями по статье 9.1 КоАП РФ — от штрафов до административного приостановления деятельности; при грубых нарушениях диапазоны существенно выше, актуальные суммы смотрите в тексте кодекса.

Когда отвальное хозяйство становится гидротехническим сооружением

Это развилка, которую пропускают чаще всего, а она меняет весь комплект документов. Сухой породный отвал, отсыпаемый автотранспортом, гидротехническим сооружением не является. Но как только в схеме появляется удержание воды или гидравлическая укладка, объект может попасть под требования законодательства о безопасности гидротехнических сооружений — это Федеральный закон № 117-ФЗ со своим регулированием.

Признаки, при которых нужно разбираться отдельно:

• гидроотвал или намывной способ укладки пород;
• ограждающие дамбы и плотины в составе отвального хозяйства;
• пруды-отстойники, накопители осветлённой воды, водоперепускные и водосбросные сооружения;
• дамбы обвалования, удерживающие сток от отвала.

Если объект признаётся ГТС, к нему добавляются декларация безопасности, критерии безопасности, регистрация в Российском регистре гидротехнических сооружений, преддекларационная экспертиза, свой режим наблюдений и своя периодичность обследований. Хвостохранилища и золоотвалы живут по этой же логике, но у них своя специфика, и в этом материале мы их не разбираем.

Контроль за деформациями в период эксплуатации

Проект не заканчивается сдачей тома. Отвал живёт и меняется всё время, пока на него возят породу, и ещё долго после.

• маркшейдерская съёмка фактического контура и параметров ярусов с установленной периодичностью, а не по случаю;
• наблюдательные реперы по профильным линиям вкрест откоса, с фиксацией смещений и скоростей;
• регулярные осмотры с фиксацией трещин на поверхности яруса, просадок, выпора грунта у подошвы, выхода воды на откосе;
• контроль состояния водоотводных канав, особенно перед паводком и после ливней;
• контроль температурного режима, если в породах есть склонность к самовозгоранию;
• пересмотр параметров при изменении свойств отсыпаемых пород или темпа отсыпки.

Выпор грунта у подошвы отвала и трещины растяжения на поверхности яруса — это не косметика, а признаки развивающейся поверхности скольжения. Реакция на них должна быть описана заранее: кто останавливает отсыпку, кто выводит технику, кто вызывает специалистов.

Что даёт грамотный проект на практике

Хороший проект отвалообразования решает три задачи сразу: обеспечивает безопасность, даёт максимальную вместимость на выделенной площадке и снимает вопросы надзора на несколько лет вперёд. Плохой проект, сделанный по типовой схеме без изысканий на площадке, не даёт ни первого, ни второго и добавляет третью проблему — при первом же инциденте вся ответственность перекладывается на эксплуатирующую организацию, которая «отступила от решений».

Сопутствующий контур — техника и сооружения отвального хозяйства: бульдозеры и экскаваторы отвального участка, конвейерные линии и перегружатели, эстакады, подпорные стены, здания на площадке. Оборудование за пределами назначенного срока службы требует экспертизы промышленной безопасности. Если срок уже истёк, а объект стоит и теряет деньги, НПИ «Недра» закрывает это через сервис «Блиц-эксперт»: экспертиза промышленной безопасности онлайн от одного дня, заявку сразу видят все эксперты с нужной областью аттестации, цена берётся из тарифа института и видна до регистрации, оплата двумя частями, заключение приходит с электронной подписью, счёт и акт — в личном кабинете.

НПИ «Недра» разрабатывает проекты отвалообразования и выполняет сопутствующие работы: инженерно-геологические изыскания на площадке отвала, расчёты устойчивости откосов и основания, решения по дренажу и водоотводу, программы наблюдений за деформациями, проекты рекультивации нарушенных земель, а при необходимости — документацию по объектам, подпадающим под требования к гидротехническим сооружениям. Опишите объект в форме заявки: инженер скажет, какие изыскания нужны и что можно сделать на уже имеющихся материалах.

Фото: JingKe888, Flickr, CC BY 2.0