CC BY
30
http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-3-139-95-98
УДК 622.271:624.131.537
РАЗВИТИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ В ОБЛАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ * И УСТУПОВ КАРЬЕРОВ, РАЗРЕЗОВ И ОТВАЛОВ
М.В. Рыльникова, д-р техн. наук, проф., зав. отделом, ИПКОН РАН О.В. Зотеев, гл. науч. сотр., Институт «Якутнипроалмаз» АК АЛРОСА (ПАО)
И.Л. Никифорова, науч. сотр. ИПКОН РАН_
В условиях постоянного усложнения горно-геологических, горнотехнических, природно-климатических и социальных факторов повышение экономической эффективности и безопасности разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом требует не только новых принципов проектирования горнотехнических систем на основе внедрения инновационных открытых геотехнологий, но и вызывает необходимость совершенствования нормативной базы, регламентирующей безопасное и эффективное освоение недр. Решением Ростехнадзора координация работ по подготовке Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов» поручена Институту проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук.
Введение
В условиях непрерывного расширения масштабов открытых горных работ, увеличения глубины карьеров и сроков их службы вопросы повышения экономической эффективности, промышленной безопасности и экологичности горных работ закономерно связаны с обеспечением долговременной устойчивости бортов и уступов карьеров и отвалов в течение всего жизненного цикла освоения месторождений твердых полезных ископаемых.
Особое значение решение проблемы обеспечения устойчивости откосов имеет при проектировании комбинированных геотехнологий в связи с необходимостью совершенствования схем взаимодействия открытых, открыто-подземных и подземных горных работ в существенно изменяющихся горно-геологических, горнотехнических и экологических условиях [1, 2].
Несовершенство, а в ряде случаев отсутствие действующей в России нормативно-правовой базы в области обоснования устойчивости откосов бортов карьеров, расхождение ее с мировой практикой проектирования и эксплуатации месторождений открытым способом создают неоправданные сложности при разработке и утверждении проектной документации, проведении ее экспертизы, привлечении инвесторов. Так, для большинства эксплуатируемых крупных отечественных карьеров проектная документация выполнена на основе норм технологического проектирования горных предприятий, регламентирующих порядок оценки устойчивости бортов и уступов карьеров при их постановке на предельный контур, разработанных во второй половине прошлого века [3-7]. Принятые по этим нормам параметры разработки месторождений часто входят в противоречие между эффективностью и безопасностью горных работ: недропользователям вменяются многочисленные требования и ограничения, преследующие цель обеспечения высокого
* Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 14-37-00050-П
коэффициента запаса устойчивости горнотехнических конструкций в принимаемых решениях, которые влекут повышение затрат по всем процессам и операциям технологического цикла.
Рядом горнодобывающих компаний, проектных и научных организаций, представителями Ростехнадзора признано, что к настоящему моменту назрела объективная необходимость разработки современного нормативного документа по геомеханическому обоснованию устойчивости бортов и уступов карьеров, в котором не только будет структурирован накопившийся российский и зарубежный опыт такого обоснования, расширен узаконенный аппарат расчетных методов, но и будут определены методические подходы к внедрению инновационных геотехнологий, обеспечивающих возможности их своевременного введения и облегчающих взаимодействие производственных, научных работников, проектировщиков и экспертов [8, 9].
Совершенствование открытых геотехнологий в рамках комплексного освоения недр
Повышение экономической эффективности и безопасности разработки месторождений открытым способом в современных условиях требует новых принципов проектирования горнотехнических систем на основе внедрения инновационных открытых геотехнологий. К их числу относятся геотехнологии с высокими вскрышными уступами, искусственными бермами, интеллектуальным горнотранспортным оборудованием, исключающим необходимость присутствия оператора в рабочей зоне карьера. Закономерно проявляющиеся тенденции ухудшения горно-геологических и горнотехнических условий и требования роста эффективности и экологической безопасности открытой разработки месторождений только повышают актуальность создания современной нормативно-правовой базы для внедрения эффективных инновационных геотехнологий.
При освоении месторождений полезных ископаемых в особо сложных условиях приоритетным направлением обеспечения экологической и промышленной безопасности, а также повышения эффективности открытых горных работ является развитие роботизированного горнотранспортного оборудования в совокупности с автоматизированными системами управления [10-12]. Данные системы, в частности, за счет автономного выполнения в интеллектуальном режиме ключевых технологических процессов горного производства, исключения или минимизации присутствия человека в опасной зоне ведения горных работ позволяют вовлечь в отработку запасы полезных ископаемых при пониженном коэффициенте запаса устойчивости уступов и бортов карьеров, в зонах интенсивного деформирования массива, с повышенной загазованностью атмосферы и других «экстремальных условиях».
Исключение роли человека при выполнении операционных процессов позволяет устранить инциденты и аварии, связанные с человеческим фактором, управлять техникой в оптимальных режимах, автоматически оптимизировать грузопотоки в карьере и другие показатели производственных процессов.
При этом качественно изменяются значения конструктивных и технологических параметров открытых горных работ. Горнотехническая система, которая ранее проектировалась исходя из условий и ограничений, связанных с обеспечением безопасности условий труда человека, с развитием дистанционных и интелектуальных геотехнологий предполагает обоснование изменения условий основных конструктивных параметров открытых горных работ, прежде всего высоты и угла откоса рабочих уступов. Благодаря оснащению автономного горнотранспортного оборудования, работающего в интеллектуальном режиме, соответствующими комплексами мониторинговых систем для контроля пространственного положения рабочих органов и самой техники, имеется возможность сокращения ширины рабочей площадки и транспортных берм, которые определяются исключительно исходя из минимальных габаритов и технических зазоров, обеспечивающих безопасную работу применяемого технологического оборудования. Существенное уменьшение ширины транспортной бермы достигается за счет исключения из конструкции карьерной автодороги предохранительного вала, а также сокращения до минимальных значений ширины проезжей части, обочины и полосы безопасности при применении систем позиционирования мобильного объекта и отсутствии людей в зоне ведения горных работ. Отсутствие персонала в рабочей зоне существенно изменяет требования к уровню риска при реализации геотехнологий освоения недр, позволяет увеличить глубину карьера при доработке запасов, расположенных ниже его проектного контура, существенно повысить экономическую и экологическую эффективность открытых горных работ.
Еще одним перспективным направлением повышения эффективности открытых горных работ, которое будет учтено при разработке нормативного документа, является отработка наклонных и крутопадающих месторождений руд и углей с применением высоких вскрышных уступов [13].
Увеличение высоты вскрышного уступа обеспечивает значительное повышение производительности горнотранспортного комплекса. Кроме того, это положительно сказывается на качестве добываемых полезных ископаемых, скорости подвигания фронта горных работ, темпах углубки и росте производственной мощности карьера, сопровождается сокращением общей протяженности фронта горных работ, увеличением эффективной глубины открытых горных работ. Все это в целом обеспечивает рост полноты освоения запасов месторождения и снижает экологическую нагрузку на окружающую природную среду.
Одновременно с совершенствованием открытой геотехнологии на современном этапе развития горной науки получены принципиально новые практические и научно-теоретические данные о закономерностях техногенного преобразования недр, новые знания о свойствах массивов горных пород, разработаны качественно новые методы получения достоверной исходной геомеханической и геодинамической информации, анализа процессов деформирования и разрушения массивов, внедрены новые информационные технологии и оборудование для мониторинга состояния массива, появилось множество программных комплексов и компьютерных разработок и, следовательно, методы оценки рисков и способы управления ими при выборе рациональных па-
раметров бортов карьеров стали более надежными и совершенными.
В настоящее время применительно к каждому рассматриваемому участку горного массива (уступу, блоку, заходке, целику) уже на стадии проектирования необходим дифференцированный подход к обоснованию рациональных параметров с учетом выбора наиболее перспективных способов управления состоянием массива горных пород как в целях добычи полезных ископаемых, так и на период использования сформированных горнотехнических конструкций после отработки балансовых запасов. Это становится возможным в современных условиях обработки исходных данных, многомасштабного моделирования, установления обратных связей между характеристиками техногенно изменяемых недр и параметрами инновационных геотехнологий [14].
Основанием для выбора устойчивых параметров горнотехнических конструкций является описание геомеханических характеристик массива горных пород с выделением характерных доменов с указанием их физико-механических характеристик, показателей структуры массива, интенсивности трещинообразования и специфики условий формирования трения и сцепления по поверхностям структурного ослабления (рис. 1).
Прогнозная оценка состояния массива горных пород, выполненная с необходимой степенью детальности на различных стадиях проектирования с учетом детальной изученности природных особенностей участка недр, вещественного состава руд и пород, структуры, гидрогеологического режима подземных вод и газодинамического состояния массива горных пород, изменяющегося во времени в ходе комплексного освоения участка недр, позволяет выбрать при проектировании горнотехнической системы приоритетные варианты ее развития [15].
Многообразие вариантов развития горнотехнической системы при открытой разработке месторождений предполагает учет при обосновании устойчивости горнотехнических конструкций совокупности действия гравитационных, тектонических и техногенных сил в неоднородном массиве с отличающимися деформационными и прочностными характеристиками и анизотропией свойств.
В настоящее время в соответствии с существующими нормативными и методическими документами расчеты устойчивости бортов карьеров рекомендуется производить исключительно методами предельного равновесия, основанными на алгебраическом и векторном сложении действующих на элемент массива сил. Причем в качестве критерия разрушения принят критерий Кулона-Мора. Очевидно, что,
Рис. 1
Выделение геомеханических доменов в массиве горных пород с характерными физико-механическими свойствами и интенсивностью трещиноватости и свойств по поверхностям структурного ослабления
несмотря на положительный опыт применения данного метода в практике проектирования открытых горных работ, ограничения возможностей использования метода не позволяют учесть специфику всех действующих факторов, которые особенно проявляются при большой глубине карьера. В частности, это присутствие в массиве горных пород горизонтальных тектонических сил, дополнительной годрологической нагрузки, карстовых полостей, подземных выработок и др.
Вместе с тем широко используемые на практике численные методы (методы конечных и дискретных элементов, дискретных разностей и др.) с положенными в основу оценки устойчивости новыми критериями разрушения массива горных пород позволяют в полной мере учесть все вышео-бозначенные факторы.
Для повышения достоверности этих методов все чаще используется трехмерное физическое и математическое моделирование, обеспечивающее возможность перехода от плоского представления инженерно-геологической и геомеханической информации к описанию состояния массива в формате 3Б с учетом специфики структурных особенностей массива горных пород, отражением роли тектонических напряжений и субгоризонтальных тектонических и динамических сил при расчете устойчивости уступов и бортов карьеров в целом с проведением кинематического анализа устойчивости и оценкой риска ее нарушения не по заранее заданным гипотетическим плоскостям скольжения, а по наиболее вероятным поверхностям, характеризующимся минимальным соотношением удерживающих и сдвигающих сил в техногенно нарушенном массиве горных пород (рис. 2) [16].
Выбор коэффициента запаса устойчивости откосов уступов и бортов карьера должен прежде всего исходить из требуемой надежности сохранности инженерных сооружений, которая оценивается исходя из материального ущерба или степени опасности для обслуживающего персонала. В расчетах необходимо оценивать, что риск аварии при потере устойчивости откосов возникает в виде быстрых обрушений, а риск материальных потерь следует учитывать как при условии быстрых обрушений, так и при вероятности возникновения медленных оползневых явлений.
В этой связи на глубоких горизонтах карьера приоритетным направлением обеспечения безопасности и повышения надежности достижения показателей открытых геотехнологий является развитие методов геомеханического мониторинга состояния горного массива вблизи выработанного карьерного пространства [17]. Мировая практика горного дела как зарубежная, так и отечественная, свидетельствует, что наблюдения за состоянием прибортового массива далеко не всегда дают возможность предотвратить возникновение обрушений или оползней, но позволяют снизить воз-
Рис. 2 Сопоставление линий скольжения: а) полученных методом предельного равновесия, б) полученных методом конечных элементов
можный ущерб от их проявления и, особенно, исключить риск воздействия на жизнь и здоровье людей, находящихся в опасной зоне. Наиболее перспективным решением в этой области является применение георадаров, которые позволяют заблаговременно (по данным практики за срок до 3 ч) надежно прогнозировать развитие критических деформаций бортов и откосов и управлять рисками, связанными с потенциально неустойчивыми участками, с целью минимизации технологических потерь. Это в целом обеспечивает безопасность при разработке глубоких горизонтов карьера и позволяет проектировать борта карьеров с более крутыми углами откосов уступов.
Разработаны специальные мероприятия для обеспечения безопасности горных работ при формировании уступов с вертикальными и крутонаклонными откосами, в состав которых входит осуществление непрерывного визуального и инструментального мониторинга состояния массива горных пород в автоматическом режиме с возможностью идентификации и анализа параметров деформирования с помощью системы предупреждения возникновения критических значений.
Очевидно, что появление описанных инновационных и иных технических решений, новых горнотранспортных средств, исключающих необходимость присутствия оператора в тяжелых условиях рабочей зоны карьера, изменяет требования к уровню риска, вызывает необходимость совершенствования нормативно-правовой базы проектирования, регламентирующей эффективное и безопасное освоение месторождений полезных ископаемых. Важно отметить, что с ростом глубины карьеров, масштабов горных работ повышается влияние принятых проектных параметров горнотехнических конструкций на показатели экономической эффективности отработки месторождений. При этом все чаще возникает необходимость выполнения проектов, удовлетворяющих международным стандартам.
Пути совершенствования нормативной базы открытых геотехнологий
В соответствии с запросами крупных горнодобывающих компаний, понимая необходимость обновления нормативных документов с учетом современных методических достижений и технологий, ИПКОН РАН при поддержке Ростехнадзора принял на себя роль инициатора проекта по разработке Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов» (далее -ФНП), способствующих повышению экономической эффективности и безопасности разработки месторождений открытым способом в современных условиях [18].
Для подготовки ФНП организован мегапроект «Обеспечение устойчивости откосов при открытых горных
работах». Основной целью этого проекта является разработка нормативно-правовой документации, закрепляющей регламентированные в установленном порядке правила по обеспечению устойчивости откосов бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов, учитывающие накопленный российский и международный опыт, адаптированные к российским условиям и рискам и ориентированные на возможность применения перспективных развивающихся и находящихся только в разработке инновационных открытых геотехнологий.
Задачами проекта являются:
- адаптация норм по обеспечению устойчивости откосов к современным условиям открытых горных работ, методам оценки и управления состоянием массива;
- синхронизация действующих в России норм по обеспечению устойчивости откосов к мировой практике;
- наиболее полное использование возможностей современных средств, методов и технологий обеспечения устойчивости откосов для повышения эффективности горных работ;
- снятие барьеров и обеспечение возможности внедрения инновационных технологий в проекты горных работ;
- повышение эффективности функционирования предприятий с открытым способом добычи в правовой сфере недропользования в России;
- учет интересов недропользователя в повышении эффективности и безопасности горных работ.
Разработка утвержденного в соответствии с действующим законодательством нормативного документа, соответствующего вышеуказанным требованиям, необходима как недропользователям, специализированным проектным организациям, специалистам в области открытых горных работ, так и экспертным органам. Реализация проекта возможна только при объединении усилий всех заинтересованных сторон и финансовой поддержке горной общественности. Девиз проекта - «Open & Stability» - открытость и устойчивость. Открытость - это ориентация на открытые горные работы с возможностью участия всех заинтересованных компаний в реализации проекта и привлечение ведущих специалистов в области устойчивости массива горных пород при открытой разработке месторождений, открытость всей информации, включая финансовую, в реализации самого проекта. Устойчивость - это обеспечение устойчивости и управляемого состояния откосов уступов, бортов карьеров, разрезов и отвалов, надежность и гарантии в реализации проекта в течение обозначенного периода времени, устойчивость функционирования компаний, участвующих в реализации проекта в результате комплексного учета их интересов при разработке ФНП.
В настоящий момент определены структура, основное содержание и ответственные исполнители по разделам ФНП. Разрабатываемый документ будет состоять из основной части и приложений, состоящих из блоков общих положений, методов инженерно-геологического изучения массива горных пород, методов, порядка оценки и способов управления устойчивостью откосов, методических положений по мониторингу состояния бортов и оценке рисков развития деформаций и нарушений устойчивости бортов карьеров, разрезов и отвалов. При подготовке ФНП будут дифференцированы требования и рекомендации по видам добываемого минерального сырья, учтена специфика горнотехнических и региональных климатических условий, включая особенности криолитозоны, подготовлены методические рекомендации для практического обеспечения требований ФНП, обеспечена возможность развития и корректировки приложений к ФНП в динамике.
Выполнение столь сложных в научно-методическом, прикладном правовом плане задач стало возможным только при поддержке таких крупных горнодобывающих компаний России, как АК «АЛРОСА», ПАО «ГМК «Норильский никель», АО «МХК «ЕвроХим», АО «СУЭК», ПАО «Металлоинвест», ПАО «ФосАгро» и др.
Заключение
Существенно изменившиеся условия разработки месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом, обострение проблемы обеспечения промышленной и экологической безопасности горных работ при сохранении их экономической эффективности в усложняющихся условиях, появление новых геотехнологий и знаний о свойствах массивов горных пород предопределили необходимость корректировки нормативно-правовой базы, регламентирующей порядок расчетов устойчивости бортов и уступов карьеров при их постановке на предельный контур. Для этого по инициативе ИПКОН РАН и поддержке Ростехнадзора сформирована группа специалистов по подготовке Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов», способствующих повышению экономической эффективности и безопасности разработки месторождений открытым способом, а также конкурентоспособности российских предприятий на мировом уровне, что в современных условиях является весьма актуальным.
Реализация требований новых ФНП на горных предприятиях РФ позволит расширить область применения открытых геотехнологий, оптимизировать параметры бортов карьера, увеличить глубину карьеров и полноту освоения месторождений твердых полезных ископаемых открытым и комбинированным способами при обеспечении требуемого уровня безопасности ведения горных работ, повысить экономичность и экологичность освоения недр.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_
I. Каплунов ДР., Рыльникова М.В. Комбинированная разработка рудных месторождений. - М. : Горная книга, 2012. - 344 с.
2 Трубецкой К. Н. Наука и горнаяпромышленность // Горный журнал. -2015. - № 7.-С. 19-23.
3. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л.: ВННМН - 1972. - 166 с.
4. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. - СПб.: ВННМН.
- 1998. - 208 с.
5. Временные методические указания по управлению устойчивостью бортов карьеров цветной металлургии. - М.: Унипромедь. -1989. - 128 с.
6. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости / Под ред. Г.Л. Фисенко. -Л.: ВННМН, 1987. - 116 с.
7. ВНТП 35-86. Нормы технологического проектирования горнорудных предприятий цветной металлургии с открытым способом разработки.
8. Зотеев В.Г., Зотеев О.В. О необходимости совершенствования нормативно-методической базы по геомеханическому обеспечению открытых горных работ // Горный журнал.
- 2010. - № 1. - С. 66-68.
9. Мочалов А.М., МорозовК.В., Норватов Ю.А., Нльин М.Д., Гуин К., Огородников С., Браун М., Маккракен А. Сопоставление российских и международных практик анализа устойчивости откосов бортов карьера // Матер. Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Глубокие карьеры». - Апатиты : ГоН КНЦ РАН, 2012. - С. 340-352.
10. РыльниковаМ.В., ВладимировД.Я., ПыталевН.А., Попова Т.М. Роботизированные геотехнологии как путь повышения эффективности и экологизации освоения недр // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 1. - С. 92-101.
II. Трубецкой К.Н., Рыльникова М.В., Владимиров Д.Я., Пыталев Н.А. Условия и перспективы внедрения роботизированных геотехнологий при открытой разработке месторождений // Горный журнал. - 2017. - № 11. - С. 60-64.
12. Плакиткин Ю.А., Плакиткина Л.С. Программы «Нндустрия-4.0» и «Цифровая экономика Российской Федерации» - возможности и перспективы в угольной промышленности // Горная промышленность. - 2018. - № 1. - С. 22-28.
13. Рыльникова М.В., Владимиров Д.Я., Федотенко В.С., Есина Е.Н. Применение интеллектуальных систем и технологий при открытой разработке угольных месторождений с высокими вскрышными уступами // Горный журнал. - 2018. - № 1. - С. 32-36.
14. Ливинский Н.С., Митрофанов А.Ф., Макаров А.Б. Комплексное геомеханическое моделирование: структура, геология, разумная достаточность // Горный журнал. - 2017.
- № 8. - С. 51-55.
15. Рыбин В.В., Жиров Д.В., Мелихова Г.С., Климов С.А. Комплексная методика инженерно-структурных исследований и мониторинга геомеханического состояния массива пород в целях проектирования и эксплуатации глубоких карьеров // Современная текто-нофизика. Методы и результаты. - М. : НФЗ, - 2011. - С. 100-109.
16. Цирель С.В., Павлович А.А. Проблемы и пути развития методов геомеханического обоснования параметров бортов карьеров// Горный журнал. - 2017. - № 7. - С. 39-45.
17. Резниченко С.С., Сытенков В.Н., Наимова Р.Ш. Организация комплексной системы мониторинга устойчивости бортов и уступов глубоких карьеров с использованием современного геодезического оборудования // Рациональное освоение недр. - 2017. - № 2. - С. 56-67.
18. Захаров В.Н., Рыльникова М.В., Никифорова Н.Л. Развитие научно-методических основ проектирования горнотехнических систем при открытой разработке месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. - Специальный выпуск № 38. - С.13-26.
