Устойчивость бортов карьера и уступов: геомеханический мониторинг и научное сопровождение

Оползень борта карьера почти никогда не случается внезапно. Ему предшествуют недели, а чаще месяцы измеримых признаков: нарастающие смещения реперов, трещины закола на берме, вывалы с откоса, выход воды в основании уступа. Проблема в том, что эти признаки кто-то должен фиксировать, сопоставлять и превращать в решение — остановить участок, разгрузить верхний горизонт, изменить порядок отработки. Если системы наблюдений нет, первым сигналом становится сам обрушившийся объём, а вместе с ним — техника, люди и остановка добычи на месяцы.

Что именно считают, когда говорят об устойчивости

Устойчивость откоса — это соотношение сил, удерживающих массив, и сил, сдвигающих его. Результат расчёта выражается коэффициентом запаса устойчивости: значение выше единицы означает, что удерживающие силы преобладают, значение около единицы — состояние предельного равновесия. Нормативные требования задают минимально допустимое значение коэффициента, и оно различается в зависимости от объекта расчёта и срока его службы.

Разделять нужно три уровня, их регулярно смешивают:

• Уступ — локальный элемент. Его устойчивость определяется прочностью пород, трещиноватостью, качеством отбойки и высотой. Обрушение уступа — это вывал объёмом от единиц до сотен кубометров, опасный для людей и техники на берме.
• Группа уступов и рабочая площадка — промежуточный уровень, на котором проверяется, не сложатся ли локальные неустойчивости в общую поверхность скольжения.
• Борт карьера в целом — генеральный угол откоса на всю глубину. Здесь счёт идёт на сотни тысяч и миллионы кубометров, и ошибка на один-два градуса в генеральном угле стоит либо безопасности, либо огромного объёма лишней вскрыши.

Экономика в этом расчёте участвует прямо. Каждый градус выполаживания борта — это дополнительные объёмы вскрыши, которые нужно вынуть и вывезти. Поэтому обоснование углов — это не про «сделать положе на всякий случай», а про то, чтобы найти доказуемо безопасный максимум.

Из чего складывается исходная информация

Расчёт устойчивости настолько же надёжен, насколько надёжны данные о массиве. Слабое место почти всегда здесь, а не в методике счёта.

• Инженерно-геологическое районирование массива — выделение участков, однородных по составу, прочности и структуре. Единая усреднённая модель на весь карьер обычно даёт красивый результат и не описывает ни один реальный участок.
• Прочностные характеристики — сцепление и угол внутреннего трения по породам и по поверхностям ослабления. Значения для массива не равны значениям для образца: трещиноватость снижает прочность в разы, и переход от образца к массиву должен быть обоснован, а не взят из справочника.
• Структурная модель — ориентировка систем трещин, сланцеватости, контактов слоёв, тектонических нарушений относительно откоса. Когда падение поверхности ослабления направлено в выработанное пространство и положе угла откоса, реализуется сдвиг по готовой плоскости, и общие расчёты по круглоцилиндрической поверхности этого не покажут.
• Гидрогеология — уровень подземных вод, положение депрессионной воронки, фильтрация из водоёмов и хвостохранилищ, обводнённость после снеготаяния и ливней. Вода снижает эффективные напряжения и одновременно нагружает массив.
• Техногенные воздействия — сейсмическое действие массовых взрывов, вибрация от транспорта, пригрузка бортов отвалами и складами, статические нагрузки от зданий и сооружений на прибортовом массиве.

Что входит в научно-техническое сопровождение

Научно-техническое сопровождение горных работ — это не разовый отчёт, а постоянная работа, которая идёт параллельно отработке. Типовой состав выглядит так.

• Сбор и ревизия исходных данных: архивные материалы разведки, результаты документации уступов, история деформаций, данные маркшейдерской службы.
• Дополнительные исследования при дефиците данных: заверочное бурение, определение прочностных характеристик, документирование структурных элементов в натуре.
• Инженерно-геологическое районирование прибортового массива и построение расчётной геомеханической модели.
• Расчёты устойчивости по расчётным профилям — с учётом обводнённости, сейсмики взрывов, пригрузок и наихудшего сочетания условий.
• Обоснование параметров: генеральных углов бортов, углов откосов уступов, высоты уступов, ширины берм безопасности и транспортных площадок, размеров предохранительных целиков.
• Проектирование системы наблюдений: схема реперных сетей, расстановка датчиков, зоны радарного контроля, периодичность съёмок, критические значения скоростей смещений.
• Регламент реагирования: кто и что делает при превышении критериев — от усиления наблюдений до вывода людей и техники из опасной зоны.
• Периодические заключения по фактическому состоянию массива и корректировка параметров по мере углубки.

Мониторинг деформаций: чем и как наблюдают

Система наблюдений строится слоями, и каждый слой закрывает то, что не видит предыдущий.

Реперные наблюдательные станции. Базовый и самый доказательный метод: профильные линии реперов закладываются вкрест борта, наблюдения ведутся маркшейдерской службой с фиксированной периодичностью. Дают абсолютные величины смещений с высокой точностью, но по дискретным точкам и с интервалом в дни или недели.

Спутниковые наблюдения. Постоянно действующие приёмники на реперах позволяют сократить интервал измерений и получать данные без выхода людей в опасную зону.

Наземный радарный интерферометрический мониторинг. Радар накрывает борт целиком и фиксирует смещения непрерывно, в режиме, близком к реальному времени. Это тот метод, который реально позволяет вывести технику до обрушения, поскольку показывает не отдельные точки, а поле смещений и его динамику.

Лазерное сканирование и фотограмметрия с БПЛА. Дают модель поверхности откосов, позволяют считать фактические углы и высоты, объёмы вывалов, документировать структурные элементы там, куда не подойти.

Скважинные методы. Инклинометры и экстензометры показывают глубину поверхности скольжения — то, чего поверхностные методы не дают в принципе. Пьезометры контролируют уровень подземных вод.

Визуальные осмотры. Самый дешёвый и недооценённый слой: обход с фиксацией трещин закола, вывалов, выхода воды, состояния берм и водоотводных канав. Работает только тогда, когда результаты попадают в журнал и сопоставляются с инструментальными данными, а не остаются устным докладом.

Ключевой критерий в мониторинге — не абсолютная величина смещения, а его скорость и характер изменения. Медленное равномерное смещение может длиться годами. Переход к прогрессирующему ускорению — сигнал к немедленным действиям. Поэтому пороговые значения скоростей и порядок реагирования должны быть заданы заранее и письменно, иначе решение об остановке участка придётся принимать в момент, когда думать уже некогда.

Когда сопровождение фактически становится обязательным

Формально требование о наличии обоснования устойчивости и системы наблюдений вытекает из правил безопасности при ведении горных работ и из требований к документации на разработку месторождения. Практически же есть ситуации, в которых без научного сопровождения работа не согласуется и не защищается:

• изменение генерального угла борта относительно принятого в техническом проекте — в любую сторону;
• углубка карьера ниже проектной отметки или продление срока отработки;
• отработка под водоёмом, вблизи хвостохранилища, водовода или реки, а также в зоне влияния подземных выработок;
• прибортовые сооружения: дробильный комплекс, конвейерный подъёмник, автодорога капитального съезда, ЛЭП, здания на борту;
• обнаружение деформаций — трещин закола, смещений по реперам, оползневых подвижек любого масштаба;
• работа в слабых, выветрелых, обводнённых породах и в зонах тектонических нарушений;
• любое отступление от параметров, заложенных в проектной документации, которое нужно обосновать перед надзором.

Во всех этих случаях надзор задаёт один и тот же вопрос: на основании чего приняты параметры и чем подтверждается, что массив ведёт себя так, как предполагалось. Ответ должен быть документом с расчётами и данными наблюдений, а не мнением главного инженера.

Что чаще всего выясняется на объекте

Разбор реальных ситуаций даёт повторяющийся набор проблем: расчёт выполнялся один раз при разработке проекта и с тех пор не пересматривался, хотя карьер углубился на два-три горизонта; реперная сеть заложена, но часть реперов утрачена при отработке и не восстановлена; наблюдения ведутся, а критические значения скоростей смещений нигде не зафиксированы; вода в расчёте учтена по данным десятилетней давности; фактические углы откосов не совпадают с проектными, и никто этого не измерял.

Отдельный блок — состояние оборудования и сооружений на бортах и в прибортовой зоне. Конвейерные галереи, эстакады, подпорные стены, здания подстанций, грузоподъёмные механизмы за пределами нормативного срока службы требуют экспертизы промышленной безопасности, и просроченное заключение при разборе деформаций читается как отдельное нарушение. Когда срок уже истёк, а очередь в экспертной организации растягивает историю на месяцы, помогает сервис «Блиц-эксперт» НПИ «Недра»: экспертиза промышленной безопасности онлайн от одного дня, заявку берёт в работу первый освободившийся эксперт с нужной областью аттестации, цена по тарифу видна до регистрации, а заключение приходит с электронной подписью.

Тема устойчивости отвалов вскрышных пород сюда не входит: у отвального хозяйства своя механика, своё основание и свои расчётные схемы — об этом отдельный материал. Актуальные требования к ведению горных работ и к геомеханическому обеспечению проверяйте по действующим редакциям на сайте Ростехнадзора и в справочно-правовых системах: документы этой области обновлялись, и ссылаться по памяти на номера пунктов здесь опасно.

НПИ «Недра» выполняет научно-техническое сопровождение горных работ: геомеханическое обоснование параметров бортов и уступов, расчёты устойчивости, проектирование и ведение систем наблюдений за деформациями, заключения по фактическому состоянию массива при отступлениях от проекта. Опишите объект в форме заявки — инженер скажет, какого объёма исходных данных не хватает и что можно защитить уже имеющимися материалами.

Фото: Tim Green aka atoach, Flickr, CC BY 2.0