ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ВЫСОТЫ ОТВАЛОВ НА КАРЬЕРАХ СО СЛОЖНЫМИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается проблема увеличения высоты отвалов в условиях сложного геологического строения. На примере карьера Мурунтау (НГМК) проведён анализ устойчивости отвалов с использованием методов численного моделирования в программных пакетах Plaxis 2D и Rocscience Slide. Приведены геологическая модель отвала, параметры лабораторных образцов, статистические данные и результаты моделирования. Обоснованы инженерные решения, а также кратко рассмотрены экономические аспекты применения дренажной системы и уменьшения угла откоса. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации проектирования и эксплуатации высоких отвалов на карьерах Кyкпатас и Маржaнбулaк.

ABSTRACT

The article addresses the problem of increasing the height of waste dumps under complex geological conditions. Using the example of the Muruntau open-pit (NGMK), an analysis of dump stability was conducted employing numerical modeling methods in the software packages Plaxis 2D and Rocscience Slide. The geological model of the dump, laboratory sample parameters, statistical data, and modeling results are presented. Engineering solutions are substantiated, and the economic aspects of implementing drainage systems and reducing the slope angle are briefly considered. The obtained results can be used to optimize the design and operation of high waste dumps at the Kokpatas and Marjanbulak open-pits.

Ключевые слова: устойчивость отвалов, открытые горные работы, геомеханика, математическое моделирование, дренаж, критическая высота, угол откоса, горно-геологические условия.

Keywords: dump stability, open-pit mining, geomechanics, numerical modeling, drainage, critical height, slope angle, geological conditions.

Введение. В условиях развития горных работ в открытых карьерах со сложными геологическими и геомеханическими условиями остро стоит задача обеспечения устойчивой эксплуатации отвалов. С учетом ограниченности территорий, прироста объемов отвальных пород и вопросов экологической безопасности возникает необходимость выяснить предельные параметры высоты отвалов при сохранении их безопасной эксплуатации.

Цель и задачи исследования

Цель работы заключается в научном обосновании возможности увеличения высоты отвалов в условиях сложного строения горных пород без потери устойчивости и риска аварий.

Задачи исследования:

1. Провести анализ инженерно-геологических и гидрогеологических условий местности;
2. Определить основные физико-механические параметры пород, формирующих тело отвала;
3. Выполнить моделирование устойчивости отвалов с учетом изменения их геометрических параметров;
4. Выявить допустимые пределы высоты и углов откосов для обеспечения устойчивости;
5. Разработать рекомендации по проектированию и эксплуатации отвалов в сложных условиях.

Материалы и методы

Объектом исследования являются отвалы, формируемые в условиях сложного геологического строения, включающего слоистые, неоднородные и водонасыщенные породы. В рамках исследования были использованы геотехнические данные, полученные при инженерных изысканиях на действующих карьерах.

Для анализа устойчивости использовались методы математического моделирования, основанные на принципах предельного равновесия и численного моделирования методом конечных элементов (МКЭ). В качестве расчетных инструментов применялись программные комплексы Plaxis 2D и RocScience Slide, позволяющие проводить оценку устойчивости склонов при различных конфигурациях отвалов.

Физико-механические свойства пород определялись на основе лабораторных испытаний, включая определение плотности, угла внутреннего трения, сцепления и модуля деформации. Также были учтены данные о гидрогеологических условиях, в том числе уровень грунтовых вод и фильтрационные свойства массива.

Кроме того, проводились сравнительные расчёты при различных параметрах высоты и угла откоса, с целью выявления критических значений, при которых коэффициент устойчивости остаётся в допустимых пределах (не менее 1,3).

Результаты исследования

Проведённые расчёты устойчивости показали, что при увеличении высоты отвала выше 30 м без изменения угла откоса коэффициент устойчивости снижается ниже критического уровня. Однако при одновременном уменьшении угла откоса на 5–10 градусов удаётся сохранить коэффициент устойчивости на уровне 1,3–1,4.

Результаты моделирования показали, что наиболее безопасная конфигурация для отвалов высотой до 40 м достигается при угле откоса не более 27° и при наличии дренажной системы. При отсутствии дренажа в водонасыщенных слоях наблюдается значительное снижение устойчивости и увеличение деформаций в основании отвала.

Также были установлены зависимости между высотой отвала, углом откоса и физико-механическими параметрами пород. Например, при сцеплении не менее 20 кПа и угле внутреннего трения 28° допустимая высота отвала составляет 35–38 м при угле откоса 30°.

Полученные результаты подтверждают необходимость комплексного подхода к проектированию отвалов в сложных условиях с учётом водонасыщенности, стратификации пород и режима нагружения основания.

Обсуждение результатов

Анализ полученных данных показывает, что устойчивость отвалов при увеличении их высоты является многофакторной задачей, зависящей не только от геометрических параметров, но и от гидрогеологических и инженерно-геологических характеристик массива. Наибольшее влияние на снижение устойчивости оказывают наличие водонасыщенных слоев и слабосцементированные породы в основании.

Сравнение результатов моделирования с данными литературы подтверждает, что для обеспечения устойчивости высоких отвалов требуется реализация комплекса инженерных решений: снижение угла откоса, устройство дренажной системы, террасирование склонов и армирование откосов геосинтетическими материалами.

Также установлено, что применение трёхмерного моделирования даёт более точную оценку распределения напряжений и зон потенциального разрушения, особенно в условиях сложной морфологии и анизотропии массива. Это подтверждает необходимость перехода от упрощённых двумерных моделей к комплексным пространственным расчётам при проектировании отвалов на ответственных участках.

Таким образом, разработка технически и экономически обоснованных рекомендаций по увеличению высоты отвалов требует учёта широкого спектра факторов, включая не только параметры пород и геометрию, но и эксплуатационные особенности карьера.

Выводы. Увеличение высоты отвалов на карьерах со сложными горно-геологическими условиями возможно при соблюдении определённых геотехнических и конструктивных условий.

Снижение угла откоса приводит к увеличению площади отвала, что увеличивает затраты на рекультивацию и эксплуатацию (на 7-14% при снижении угла с 30° до 25°). Введение дренажных систем требует дополнительных инвестиций (примерно 8-10 USD/м²), однако существенно снижает риск аварий и расходов на восстановительные работы.

1. Увеличение высоты отвалов свыше 35 м возможно только при снижении угла откоса и обязательном дренировании основания, а также строгом контроле гидрогеологических условий.
2. Статистическая обработка лабораторных данных и численное моделирование позволяют обосновать критические параметры устойчивости.
3. Применение комплекса инженерных решений, включающих террасирование, дренаж и армирование склонов, значительно повышает надежность эксплуатации.
4. Экономическая целесообразность должна оцениваться с учетом баланса капитальных затрат и рисков возникновения аварий.

Список литературы:

1. Анистратов Ю.И. Отвалообразование/Главный ред. Е.А. Козловский. — Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — Т. 4. — 623 с.
2. А.К. Порцевский, Ю.И. Анистратов. Открытые горные работы/Москва. 1999. 74 стр.
3. Умаров Ф.Я., Насыров У.Ф., Умирзаков А.А. Pасчет определения линии скольжения прибортового горного массива. Горный вестеник 2016 г. №64,11с.
4. Hayitov O.G‘.Foydali qazilma konlarni ochiq usulda qazib olish jarayonlari. Metodist nashriyoti, darslik. 2023 y.
5. Шешко, Е. Е. (2008). Проблемы крутонаклонных ленточных конвейеров с прижимной лентой на карьерах. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), (9).