Оценка устойчивости бортов карьеров на основе иерархично-блочной модели скальных массивов и разработки метода расчета коэффициента структурного ослабления

С увеличением глубины разработки месторождений открытым способом возрастает риск возникновения техногенной угрозы в виде обрушений или оползней. К настоящему времени известно достаточно большое количество крупных деформаций бортов карьеров и отвалов (оползней и обрушений), которые привели к значительному ущербу, не только экономическому, но и экологическому. К таким примерам следует отнести аварии, произошедшие в течение нескольких последних лет на руднике «Восточный», Красноярский край (заблокированы 150 чел. на глубоких горизонтах, остановлены горные работы), на отвале разреза Заречный (ущерб порядка 2-4 млрд. руб.), на карьере Бингем-Каньон (на данный карьер приходилось до четверти добычи меди в США, но в результате оползня были остановлены горные работы; полные затраты на ликвидацию деформации составляют сотни миллионов долларов) и др.В то же время в некоторых случаях увеличение углов наклона откосов является единственным способом продлить срок отработки месторождения, а, соответственно, продлить жизнь моногородам. Одним из таких примеров является рудник «Железный» Ковдорский ГОК. Карьер развивается, дает работу населению города, но при достижении проектной глубины карьера (около 850 м) в зону деформации может попасть большая часть города, что чревато значительным экономическим ущербом, существенными экологическими последствиями и даже человеческими жертвами. Возможность повышения углов наклона бортов карьера важна не только в условиях моногородов, она также позволяет повысить экономическую эффективность разработки месторождения в сложных горно-геологических и труднодоступных условиях при отсутствии какой-либо инфраструктуры.В связи с этим весьма важно проводить надежное геомеханическое обоснование параметров бортов карьеров и уступов. Однако точность расчетов в значительной мере зависит от оценки величины коэффициента структурного ослабления и правильности принятой геомеханической модели.В соответствии с нормативными документами при расчетах устойчивости бортов глубоких карьеров, формируемых в скальных и полускальных породах, прочность горных пород в массиве составляет всего 1-2 % от прочности образца. В то же время при разработке месторождений подземным способом прочность участка массива (несколько меньшего масштаба) составляет не менее 10-20% и даже 50% от прочности образца. При этом применение зарубежных рейтинговых показателей для оценки прочности прибортовых массивов карьеров приводят к оценкам, близким к используемым при расчетах подземных сооружений. Таким образом, сложилась ситуация, что при рассмотрении одного и того же объекта, но с использованием различных методик выбора величины структурного ослабления прочность массива может отличаться на порядок и более. Данный вопрос особенно актуален при разработке месторождений комбинированным способом.Оценкой влияния масштабного фактора на прочность горных пород в массиве занимались многие ученые, которыми было разработано большое количество различных формул и методик. При этом едва ли не каждый исследователь пытался разработать методику самостоятельно, ставя многочисленные эксперименты для получения детерминированной величины коэффициента структурного ослабления для конкретных условий. Однако сам разброс оценок ясно указывает на вероятностный характер данной величины и существенную вариацию ее значений. Поэтому необходимо выполнить обобщение проведенных исследований и создать единую базу.С другой стороны, необходимо рассмотреть вопрос и о базовых значениях, получаемых в лабораторных и полигонных условиях, от которых потом различными методами переходят к натурным величинам. Кроме того, особую роль играет влияние контактных условий блоков на их прочность в массиве. С этой целью планируется выполнить ряд лабораторных испытаний и разработать проект стандартизированного подхода для определения сдвиговой прочности по контактам пород, которая в настоящий момент в России отсутствует.Изменение величин исходных данных приведет к изменению методики расчетов устойчивости скальных откосов. В качестве базовой модели выступает не изотропная модель, а иерархично-блочная. Причем размер блока определяется, исходя из его влияния на деформационный процесс, с учетом качества имеющихся исходных данных и расчетных возможностей.Данный вопрос особенно важен при оценке устойчивости откосов с обратной слоистостью (направленной в массив относительно выработки), для которого как в России, так и за рубежом имеются лишь косвенные методы.Научная новизна проекта заключается в разработке нового подхода, основанного на использовании в расчетах устойчивости бортов карьеров иерархично-блочной модели, причем прочностные свойства минимального блока определяются с помощью коэффициента структурного ослабления, полученного путем статистической обработки базы данных прочностных свойств горных пород в массиве.Таким образом, определение масштабного фактора и использование более сложных моделей позволит повысить достоверность оценки устойчивости бортов карьеров, формируемых в скальных массивах.