Управление устойчивостью карьерных откосов

0 - л е т и ю 

М
Г
А
М
Г
И
М
Г
Г
У 

п о с в я щ а е т с я 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

СОВЕТ 

Председатель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 
президент 
МГГУ, 

чл.-корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсовета 

И. В. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

АЛ. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

А.В. 
КОРЧАК 
академик 
МАН 
ВШ 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

В.Л. 
ПЕТРОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И 
ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

В.Н. Попов 
П.С. Шпаков 
Ю.Л. Юнаков 

УПРАВЛЕНИЕ 
У С Т О Й Ч И В О С Т Ь Ю 
К А Р Ь Е Р Н Ы Х 
ОТКОСОВ 

Допущено 
Учебно-методическим 
объединением 
вузов 
Российской 
Федерации 
по 
образованию 
в области 
горного 
дела 
в качестве 
учебника 
для 
студентов 
вузов, 
обучающихся 
по специальности 
«Маркшейдерское 
дело» 
направления 
подготовки 
«Горное 
дело» 

А 

Горное 
образование 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА» 
2008 

УДК 622.271.3.001 
ББК 
22.251 
Ш58 

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым 
коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура 
России» 

Книга соответствует 
«Гигиеническим 
требованиям 
к издания» 
книжным для 
взрослых. СанПиН 1.2.1253—03», 
утвержденным 
Главны.» государственным 
санитарным 
врачом 
России 
30 марта 
2003 г. (ОСТ. 29.124—94). 
Санитарноэпидемиологическое 
заключение Федеральной службы по надзору в сфере заи1иты 
прав потребителей № 
77.99.60.953.Д.008501.07.07 

Экспертиза проведена Учебно-методическим 
объединением высших учебных 
заведений Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо №51¬
110/6 от 25.10.2006 г.) 
Рецензенты: 
• кафедра «Проектирование, организация и технология природоохранных работ» 
Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Е.П. Гимофеенко); 
• д-р техн. наук, проф. Ю.И. Кутепов (ВНИМИ) 

Попов В.Н., Шпаков П.С., Юнаков ЮЛ. 

Ш 58 
Управление устойчивостью карьерных откосов: Учебник для 
вузов. — М.: Издательство Московского государственного горного 
университета, издательство «Горная книга», 2008. — 683 с: ил. 

ISBN 978-5-7418-0506-0 (в пер.) 
ISBN 978-5-98672-080-7 
Рассмотрено инженерно-геологическое обеспечение работ по расчету 
максимальных параметров и управлению устойчивостью бортов карьеров и отвалов. Приведены методы лабораторного, натурного определения характеристик прочности и деформируемости глинистых и скальных пород, метод обратных расчетов оползней. Даны инструкции пользования программами по 
расчету устойчивости карьерных откосов с численными примерами для всех 
расчетных схем и противодеформационными мероприятиями по обеспечению 
устойчивости карьерных откосов, а также инструментальным контролем за состоянием устойчивости прибортовых массивов карьеров. 

В.Н. Попов — д-р техн. наук, проф. кафедры «Маркшейдерское дело и 
геодезия» Московского государственного горного университета. 

П.С. Шпаков — д-р техн. наук, проф. Муромского института (филиала) 
Владимирского государственного университета. 

Ю.Л. Юнаков — канд. техн. наук, доц. кафедры «Маркшейдерское дело» 
Государственного университета цветных металлов и золота. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Маркшейдерское 
дело» направления подготовки «Горное дело». 

УДК 622.271.3.001 
ББК 22.251 

ISBN 978-5-7418-0506-0 
©В.Н. Попов, П.С. Шпаков, Ю.Л. Юна
ISBN 978-5-98672-080-7 
ков, 2008 
© Издательство МГГУ, 2008 
© Издательство «Горная книга», 2008 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2008 

1. О Б Щ И Е 
П О Л О Ж Е Н И Я 

Учебник разработан на основе большого объема фактического материала по изучению характера проявлений деформаций прибортовых массивов и отвалов в различных 
горногеологических условиях на карьерах России и Казахстана, лабораторных и аналитических исследований процессов деформирования откосов. Алгоритмы и программы расчета устойчивости 
карьерных откосов апробированы многими научно-исследовательскими, учебными и проектными институтами. Большинство 
предлагаемых методов расчета устойчивости карьерных откосов 
включены в нормативные документы [22, 23]. 

Некоторые материалы, связанные с устойчивостью карьерных откосов, имеющие специфические особенности и выходящие за рамки учебной программы, не рассматриваются или приведены в ограниченном объеме, только с ознакомительной целью. Для более детального ознакомления с ними необходимо 
изучение дополнительной литературы: 

• 
«Методическое пособие по изучению инженерно-геологических условий угольных месторождений, подлежащих 
разработке открытым способом» (Л.: Недра, 1986. — 112 с); 
• 
«Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости» (Л.: ВНИМИ, 1987. — 118 с); 
• вопросы, связанные с мерами по предупреждению оползневых явлений и борьбы с ними, обеспечивающие безопасность, экономическую и экологическую целесообразность 
разработки полезных ископаемых открытым способом, достаточно хорошо изложены в работах [2, 3, 8—10]. 

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ 
ОБ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ 

Все определения и применяемая терминология даны в работах [10—17, 70]. 

Горные работы, производимые непосредственно с земной 
поверхности, с целью добывания горных пород и создания различных выемок и котлованов, называются открытыми горными 
работами (ОГР). 

Способ разработки месторождений полезных ископаемых с 
применением ОГР называется открытым. 

Горное предприятие, ведущее разработку открытым способом, называется карьером. В практике открытой разработки 
угольных и россыпных месторождений вместо термина карьер 
применяют названия разрез и прииск. 

При открытой разработке горные работы разделяются на 
вскрышные (выемка, перемещение и размещение вскрышных 
горных пород) и добычные (выемка, перемещение и складирование или разгрузка полезного ископаемого). 

Месторождение или часть его, разрабатываемую одним 
карьером, называют карьерным полем. Карьерное поле является объемной геометрической фигурой, характеризуемой размерами в плане и глубиной; оно входит в состав земельного отвода 
карьера, в пределах которого размещаются также удаленные из 
карьера вскрышные породы, промышленная площадка и другие 
производственные сооружения. 

Уступ — это отдельно разрабатываемая часть слоя горных 
пород, имеющая форму ступени. Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка вскрышных пород или полезного ископаемого. Если на площадке располагается оборудование, необходимое для разработки уступа, 
она называется рабочей площадкой. 

Горизонтальные или наклонные поверхности уступа, ограничивающие его по высоте, называют нижней и верхней площадками, а наклонную поверхность, ограничивающую уступ со 
стороны выработанного пространства, — откосом уступа. Уг
6 

лом откоса уступа называется угол, образованный поверхностью откоса уступа и горизонтальной плоскостью, а линии пересечения откоса с верхней и нижней площадками — соответственно верхней и нижней бровками. 

Часть уступа по его длине, подготовленная для разработки, 
называется фронтом работ уступа, который измеряется его 
протяженностью. 

Ступенчатые боковые поверхности, образованные откосами 
и площадками уступов и ограничивающие выработанное пространство, называются бортами карьера. 

Борт, представленный рабочими уступами, называют рабочим бортом карьера. Линия, ограничивающая карьер на уровне 
земной поверхности, является верхним контуром карьера, а линия, ограничивающая дно (подошву) карьера, — его нижним 
контуром. При производстве горных работ положение рабочего 
борта, верхнего и нижнего контуров карьера меняется в пространстве. Постепенно отдельные уступы, начиная сверху, достигают конечных контуров (границ) карьера. К моменту погашения (окончания) открытых работ им соответствуют конечная 
глубина и конечные размеры карьера в плане. Откосы уступа 
нерабочих бортов карьера, на которых горные работы не проводятся, разделяются бермами (площадками): транспортными и 
предохранительными. 

Угол между линией, нормальной к простиранию борта и соединяющей верхний и нижний контуры, и горизонталью называется углом откоса борта карьера (рабочего или нерабочего). Величина его зависит от высоты уступов и ширины их площадок. 

Для расположения транспортных коммуникаций, по которым будет осуществляться транспортирование горной массы 
нового уступа на поверхность или вышележащие уступы, необходимо вскрыть уступ, то есть провести с поверхности или вышележащего уступа специальные (вскрывающие) горные выработки. Эти выработки в большинстве случаев соединяют пункты, 
расположенные 
на 
разных 
высотных 
отметках 
(если 
вскрывают один уступ, то разница высотных отметок равна высоте уступа), и поэтому имеют определенный уклон. При со
7 

оружении вскрывающие выработки обычно имеют близкое к 
трапециедальному или треугольному сечение и называются соответственно капитальными траншеями и полутраншеями. 

Для создания начального фронта работ на вскрытом уступе 
необходимо провести от вскрывающей выработки горизонтальную горную выработку значительной протяженности по сравнению с размерами поперечного сечения — разрезную траншею, 
полутраншею или котлован. 

Главные 
параметры 
карьера 

Конечная глубина при разработке наклонных и крутых залежей 
определяет 
возможную 
производственную 
мощность 
карьера, размеры его по поверхности, общий объём извлекаемой 
горной массы. Для горизонтальных и пологих залежей конечная 
глубина определяется природными условиями и изменяется незначительно за весь период разработки. Конечная глубина устанавливается при проектировании карьера. Проектами предусматривается возможность открытой разработки до глубины 
700—900 м. 

Размеры карьера на поверхности по простиранию и вкрест 
простирания определяются размерами залежи, дна карьера, глубины и углов откосов его бортов. Они устанавливаются графически или аналитически. Форма дна карьера в плане обычно 
близка к овальной. Длина карьера изменяется от сотен метров 
до 8 км, а ширина — до 4 км. 

Размеры дна карьера устанавливаются 
оконтуриванием 
разрабатываемой части залежи на отметке конечной глубины 
карьера. Минимальные размеры дна карьера определяются условиями безопасной выемки и погрузки пород на нижнем уступе (ширина не менее 20 м, длина не менее 50—100 м.) 

Углы откосов бортов карьера определяются условиями устойчивости пород прибортового массива и размещения транспортных коммуникаций. Их принимают более крутыми для 
уменьшения объема вскрышных работ. 

8 

Общий объём горной массы в контурах карьера является 
важнейшим 
показателем, 
определяющим 
производственную 
мощность предприятия, срок его существования и др. 

Площадь, форма контура и периметр дна карьера в первую очередь зависят от размеров и конфигурации залежи. Дну 
карьера придается по возможности округленная форма с целью 
повышения устойчивости бортов и уменьшения объема извлекаемых вскрышных горных пород. 

Запасы полезного ископаемого в контурах карьера — важнейший показатель, определяющий возможный масштаб добычи, 
срок существования карьера и экономические результаты разработки. Запасы в пределах каждого уступа (горизонта) и карьерного поля в целом устанавливаются при разведке месторождения, а 
затем уточняются и пересчитываются в контурах карьера при 
проектировании и эксплуатации его в соответствии с установленными и периодически изменяющимися кондициями на полезное 
ископаемое. 

1.2. ЭЛЕМЕНТЫ И ТЕРМИНОЛОГИЯ 

Анизотропная горная порода — горная порода, свойства 
которой в различных направлениях неодинаковы; ярко выраженной механической анизотропией обладают многие осадочные породы (сланцы, глины), прочность которых вкрест наслоения в несколько раз выше, чем по наслоению. 

Борт разреза (карьера) — боковая поверхность, ограничивающая разрез. Профиль борта разреза в вертикальной плоскости может быть плоским, выпуклым, вогнутым и ломаным; в 
плане — прямолинейным и криволинейным. Различают рабочие 
и постоянные (нерабочие); характеризуется борт разреза высотой и углом наклона. 

Бровка уступа — линия пересечения поверхности откоса 
уступа (яруса отвала) с поверхностью верхней или нижней площадки, ограничивающей уступ по высоте, соответственно называемая верхней и нижней бровкой. 

Вероятность — числовая характеристика степени возможности появления какого-либо определенного события в тех или иных 

9 

определенных 
условиях, которые могут повторяться 
неограниченное число раз, выражается в долях единицы или процентах. 

Вероятности, с которыми характеристики грунтов, трактуемые как случайные величины, принимают те или иные значения, образуют распределение вероятностей, для установления 
которого по выборочным данным оценивают один или несколько параметров распределения. 

Гидродинамическая сила — объемная сила, направление 
которой совпадает с направлением потока, а величина равна 
градиенту потока, умноженному на объем потока в пределах 
рассматриваемого массива. 

График (паспорт) прочности горной породы — график зависимости разрушающих касательных напряжений от нормальных, характеризующий сопротивление сдвигу, сцепление, угол 
внутреннего трения и сопротивление отрыву горной породы. 

Деформация горных пород — изменение формы и объема 
горных пород под действием различных сил. 

Доверительный интервал — интервал, вычисленный по 
выборочным данным, который с заданной вероятностью (доверительной) накрывает неизвестное истинное значение оцениваемого параметра распределения. 

Доверительная вероятность — вероятность того, что доверительный интервал накроет неизвестное истинное значение 
параметра, оцениваемого по выборочным данным. 

Закол — визуально прослеживаемая трещина в откосе, на 
верхней площадке уступа или земной поверхности, образовавшаяся в результате развития деформаций откоса. 

Инженерно-геологический элемент (ИГЭ) — основная 
грунтовая единица при инженерно-геологической схематизации 
грунтового объекта. 

Изотропная горная порода — горная порода, механические свойства которой в различных направлениях одинаковы. 

Интенсивность трещиноватости — величина, обратная среднему размеру (в метрах) элементарного блока породы, ограниченного смежными трещинами трех наиболее интенсивных систем. 

10