АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВЫХ ОТКОСОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлен всесторонний анализ современных методов определения и оценки параметров устойчивых откосов, применяемых в горной промышленности. Рассмотрены основные подходы к расчету устойчивости уступов и бортов карьеров, включая методы, основанные на круглоцилиндрических поверхностях скольжения, динамическом программировании, методе конечных элементов, а также аналитические методы. Особое внимание уделено влиянию трещиноватости массива, сейсмических воздействий взрывов, механических характеристик пород и гидрогеологических условий на устойчивость откосов. Показано, что выбор метода зависит от геологических условий и требует комплексного учета природных и технологических факторов. В статье также обсуждаются ограничения существующих методик и предлагаются направления их совершенствования.

ABSTRACT

The article presents a comprehensive analysis of modern methods for determining and assessing the parameters of stable slopes used in the mining industry. The main approaches to calculating the stability of benches and quarry walls are examined, including methods based on circular cylindrical slip surfaces, dynamic programming, the finite element method, and analytical techniques. Special attention is given to the influence of rock mass fracturing, seismic effects of explosions, mechanical properties of rocks, and hydrogeological conditions on slope stability. It is shown that the choice of method depends on geological conditions and requires a comprehensive consideration of natural and technological factors. The article also discusses the limitations of existing methodologies and suggests directions for their improvement.

Ключевые слова: Устойчивость откосов, методы расчета, горная промышленность, круглоцилиндрические поверхности скольжения, метод конечных элементов, сейсмические воздействия, гидрогеологические условия.

Keywords: Slope stability, calculation methods, mining industry, circular cylindrical slip surfaces, finite element method, seismic effects, hydrogeological conditions.

Введение

Устойчивость откосов является ключевым фактором, определяющим безопасность и эффективность открытых горных работ. Нарушение устойчивости уступов и бортов карьеров может привести к серьезным деформациям, авариям и экономическим потерям. Современные методы оценки устойчивости откосов базируются на сочетании теоретических моделей, экспериментальных данных и численных расчетов.

В условиях сложного строения горных массивов, характеризующихся трещиноватостью, слоистостью и изменчивостью физико-механических свойств пород, задача оценки устойчивости становится особенно актуальной. Кроме того, значительное влияние на устойчивость оказывают технологические факторы, такие как массовые взрывы, которые создают дополнительные динамические нагрузки.

Цель данной работы – провести анализ существующих методик расчета устойчивости откосов, выявить их преимущества и ограничения, а также предложить рекомендации по их применению в различных горно-геологических условиях.

Материалы и методы

Исследование основано на анализе научных публикаций, нормативных документов и практических рекомендаций по расчету устойчивости откосов, что позволило выделить основные подходы и методы, применяемые для оценки параметров устойчивых откосов. Особое внимание уделялось методам, которые учитывают сложное строение горных массивов, трещиноватость, слоистость и изменчивость физико-механических свойств пород. Среди рассмотренных методов наиболее широкое распространение получили методы, основанные на расчете устойчивости относительно круглоцилиндрических поверхностей скольжения. Эти методы широко используются в инженерной практике благодаря своей простоте и достаточной точности для большинства случаев. В рамках данного подхода проверяется равновесие призмы обрушения, которая разбивается на элементарные блоки, и анализируются силы, действующие на каждый блок. Однако такие методы не всегда учитывают сложное строение массива, особенно в условиях трещиноватых и слоистых пород, где поверхности скольжения могут быть ломаными или неправильной формы.

Другим важным направлением является метод динамического программирования, который позволяет разбивать массив на элементарные блоки и анализировать их взаимодействие. Этот метод особенно полезен для оценки устойчивости в условиях сложной структуры массива, где традиционные методы могут быть недостаточно точными. Метод динамического программирования позволяет учитывать влияние соседних блоков, а также силы сцепления и реакции основания. Тем не менее, его применение требует значительных вычислительных ресурсов и сложной подготовки исходных данных, что ограничивает его использование в повседневной инженерной практике. Кроме того, метод конечных элементов (МКЭ) обеспечивает высокую точность моделирования напряженно-деформированного состояния массива, позволяя учитывать анизотропию, трещиноватость и другие особенности строения пород. МКЭ особенно эффективен для анализа напряжений и деформаций в условиях сложного геологического строения массива, однако его применение ограничено сложностью подготовки исходных данных и необходимостью использования специализированного программного обеспечения.

Аналитические методы расчета предельной высоты откосов также занимают важное место в современной практике. Эти методы позволяют определять предельную высоту откосов с учетом трещиноватости и слоистости пород, что особенно важно для условий, где поверхности скольжения совпадают с естественными плоскостями ослабления. В таких случаях расчеты проводятся на основе анализа равновесия призмы обрушения, ограниченной плоскостями ослабления и поверхностью откоса. Особое внимание уделяется углам наклона плоскостей ослабления и прочностным характеристикам пород, которые оказывают существенное влияние на устойчивость откосов. Кроме того, важным аспектом является учет сейсмических воздействий взрывов, которые создают дополнительные динамические нагрузки на массив. Авторами [1, с. 122; 2, с. 89; 3, с. 202; 4, с. 44; 5, с. 2] предложены методики учета динамических сил и коэффициентов сейсмичности, которые могут быть использованы для оценки дополнительных напряжений в массиве. Эти методики позволяют учитывать влияние массовых взрывов на деформационные характеристики горных пород и формирование дополнительных напряжений в откосах.

Также в исследовании рассматривались методы, основанные на использовании логарифмических спиралей для моделирования поверхностей скольжения. Эти методы позволяют более точно описывать криволинейные поверхности скольжения, которые часто встречаются в природных условиях
[6-7; 8, с. 51]. Важным аспектом является также учет гидрогеологических условий, которые могут значительно снижать устойчивость откосов. Например, наличие воды в трещинах и порах породы снижает их прочностные характеристики и увеличивает вероятность возникновения деформаций. Таким образом, комплексный анализ всех факторов, влияющих на устойчивость откосов, является ключевым условием для обеспечения безопасности горных работ.

Результаты и обсуждение

Анализ современных методов определения и оценки параметров устойчивых откосов показал, что каждый из них имеет свои преимущества и ограничения, которые определяются условиями их применения. Методы, основанные на расчете устойчивости относительно круглоцилиндрических поверхностей скольжения, остаются наиболее распространенными в инженерной практике благодаря своей простоте и достаточной точности для большинства случаев. Однако они не всегда учитывают сложное строение массива, особенно в условиях трещиноватых и слоистых пород, где поверхности скольжения могут быть ломаными или неправильной формы. Это ограничивает их применимость в условиях сложного геологического строения массива, где требуется более детальный учет механических характеристик пород и их структурных особенностей.

Метод динамического программирования позволяет разбивать массив на элементарные блоки и анализировать их взаимодействие, что особенно полезно для оценки устойчивости в условиях сложной структуры массива. Этот метод позволяет учитывать влияние соседних блоков, а также силы сцепления и реакции основания, что делает его более точным по сравнению с традиционными подходами. Тем не менее, его применение требует значительных вычислительных ресурсов и сложной подготовки исходных данных, что ограничивает его использование в повседневной инженерной практике. Кроме того, метод конечных элементов (МКЭ) обеспечивает высокую точность моделирования напряженно-деформированного состояния массива, позволяя учитывать анизотропию, трещиноватость и другие особенности строения пород. МКЭ особенно эффективен для анализа напряжений и деформаций в условиях сложного геологического строения массива, однако его применение ограничено сложностью подготовки исходных данных и необходимостью использования специализированного программного обеспечения (Таблица 1).

Таблица 1.

Сравнительный анализ методов расчета устойчивости откосов

Особое внимание уделялось методам учета сейсмических воздействий взрывов, которые создают дополнительные динамические нагрузки на массив. Авторами [1, с. 122; 2, с. 89; 3, с. 202; 4, с. 44; 5, с. 2] предложены методики учета динамических сил и коэффициентов сейсмичности, которые могут быть использованы для оценки дополнительных напряжений в массиве. Эти методики позволяют учитывать влияние массовых взрывов на деформационные характеристики горных пород и формирование дополнительных напряжений в откосах. Важным аспектом является также учет гидрогеологических условий, которые могут значительно снижать устойчивость откосов. Например, наличие воды в трещинах и порах породы снижает их прочностные характеристики и увеличивает вероятность возникновения деформаций. Таким образом, комплексный анализ всех факторов, влияющих на устойчивость откосов, является ключевым условием для обеспечения безопасности горных работ.

Практически для каждого месторождения характерно присутствие пород с различной прочностью, демонстрирующих значительные вариации в диапазоне (Рисунок 1). На месторождениях наиболее распространены породы с прочностью от 40 до 200 МПа и выше. Материалы с низкой прочностью составляют ограниченную долю, не превышающую 3% от общего количества породных типов. Полускальные породы, обладающие прочностью при одноосном сжатии от 20 до 50 МПа при насыщении водой (w ≤ 12%) [70], встречаются с относительно низкой частотой, составляя приблизительно 10% от общего числа породных типов.

Подавляющее большинство пород на карьерах относится к скальным, которые имеют предел прочности на одноосное сжатие (от 50 до 350 МПа) при насыщении их водой w ≤ 3 ÷ 5%. Они составляют около 85% всех пород. Самые распространенные на карьерах порода имеют коэффициент крепости f = 11 ÷ 14. w – частость

Рисунок 1. Гистограммы распределения горно-геологических показателей карьеров от: а – крепости пород; б – глубины карьеров Н_к; в – числа одновременно отрабатываемых уступов N_y; г – количество скважинных зарядов, взрываемых одновременно N_c 

Подчеркивается, что устойчивость горных массивов, содержащих указанные породы, значительно подвержена ослаблению в результате частых разрывов с различным происхождением. В каждом конкретном месторождении наблюдается неравномерное распределение нарушенности пород как в горизонтальной плоскости, так и в глубине. Для большинства месторождений характерны простые гидрогеологические условия.

Важным результатом исследования стало выявление необходимости сочетания различных методов для повышения надежности прогнозов. Например, комбинирование методов круглоцилиндрических поверхностей скольжения и метода конечных элементов позволяет учитывать как общие закономерности, так и локальные особенности строения массива. Кроме того, аналитические методы расчета предельной высоты откосов могут быть использованы для проверки результатов численных расчетов, что повышает достоверность получаемых данных.

Заключение

Проведенный анализ современных методов определения и оценки параметров устойчивых откосов показал, что выбор метода зависит от геологических условий, наличия данных о свойствах пород и требуемой точности расчетов. Методы, основанные на расчете устойчивости относительно круглоцилиндрических поверхностей скольжения, остаются наиболее распространенными в инженерной практике благодаря своей простоте и достаточной точности для большинства случаев. Однако для условий сложного геологического строения массива, характеризующегося трещиноватостью, слоистостью и изменчивостью физико-механических свойств пород, требуются более сложные методы, такие как метод динамического программирования и метод конечных элементов.

Для повышения надежности прогнозов необходимо сочетать различные методы и учитывать комплексное влияние природных и технологических факторов. Особое внимание следует уделять учету сейсмических воздействий взрывов, которые создают дополнительные динамические нагрузки на массив, а также гидрогеологическим условиям, которые могут значительно снижать устойчивость откосов. Перспективным направлением является развитие численных методов с учетом динамических воздействий и анизотропии массива.

Необходимо дальнейшее совершенствование методик учета сейсмических воздействий взрывов и гидрогеологических условий для повышения точности прогнозов. Также важно развивать аналитические методы расчета предельной высоты откосов, которые могут быть использованы для проверки результатов численных расчетов. Комплексный подход к оценке устойчивости откосов, учитывающий все значимые факторы, является ключевым условием для обеспечения безопасности горных работ и минимизации рисков аварийных ситуаций.

Список литературы:

1. Ruth Allington, David Jarvis. A QUARRY DESIGN HANDBOOK. – Leicestershire, UK, 2014. – p. 300.
2. Ulusay R. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014. – Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London, 2015. – p. 292.
3. Рыбин В.В. Развитие теории геомеханического обоснования рациональных конструкций бортов карьеров в скальных тектонически напряженных породах // Дисс. докт. техн. наук. – Апатиты, 2016 г. – 261 с.
4. Karimov Sh.V., Dushanov D.D., Malyushenko D.S., Alinazarov Sh.B. Trends in the development and application of heavy-duty dump trucks for the transportation of rock mass in deep quarries. // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2024. 2(119). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/
   16918.
5. Nomdorov R. Investigation of the influence of stratification and fracturing of rocks on the stability of slopes // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2023. 11(116). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/
   16264
6. Shokirjon Sh. Sunnatulloev, Shukurullo U. Buriev, Lazizjon O. Sharipov and Abdunor B. Zhiyanov. Influence of oligomeric surfactants on the strength of hard rock formations: Experimental Insights and implications. – E3S Web of Conferences 548, 01027 (2024). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202454801027.
7. Nazarov, Z.; Jiyanov, A.; Sharipov, L.; Buriyev, S.; Sunnatulloev, S. Application of professor D. Lobshire’s geomechanical classification for in-depth zoning of the board of the Amantaytau mine. – E3S Web of Conferences 417, 01001 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202341701001.
8. Sharafutdinov Ulugbek Z., Khalimov I.U., Khamidov S.B., Karimov N.M. Use of carbon adsorbents for rhenium sorption from uranium re-extracts. – Tsvetnye Metally, 2023. – №12. p. 51-56.