Устойчивость бортов карьеров при последовательной подземно-открытой разработке месторождений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

 
 
Б.В. Несмеянов  
Ю.Б. Несмеянова 

Устойчивость бортов 
карьеров при последовательной  
подземно-открытой разработке 
месторождений 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской 
Федерации по образованию в области горного дела в качестве  
учебного пособия для студентов-магистрантов, обучающихся  
по магистерской программе 550609 «Маркшейдерия» направления 
подготовки магистров техники и технологии 130400 «Горное дело», 
и аспирантов, обучающихся по специальностям 25.00.16  
«Горно-промышленная и нефтегазопромысловая геология,  
геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»  
и 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород,  
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» 

Москва  2014 

УДК 622.1:528; 622.234 
Н55

Р е ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ М.А. Иофис (ИПКОН РАН);
д-р техн. наук, проф. А.Б. Макаров (РГГРУ)

Несмеянов Б.В.
Н55  
Устойчивость бортов карьеров при последовательной подземно-открытой разработке месторождений : моногр. / Б.В. Несмеянов, Ю.Б. Несмеянова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 230 с. : 
ил. 73, табл. 32. 
ISBN 978-5-87623-826-9 

Показана актуальность вопроса, приведены классификация и примеры
использования различных разновидностей комбинированной разработки месторождений в стране и за рубежом. Изложены современные тенденции развития проблемы обеспечения устойчивости карьерных откосов. На примере
эксплуатации Жезказганского месторождения рассмотрен комплекс вопросов
по управлению устойчивостью бортов карьеров, подработанных подземными
горными выработками.
Для подготовки магистров, обучающихся по магистерской программе
550609 «Маркшейдерия», закончивших бакалавриат в РФ и странах ближнего и дальнего зарубежья, аспирантов, обучающихся по специальностям
25.00.16 «Горно-промышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр» и 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»,
и студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Горное дело». Может быть полезна работникам учебных, научно-исследовательских, проектных и производственных организаций горного профиля.

УДК 622.1:528; 622.234 

ISBN 978-5-87623-826-9 
© Несмеянов Б.В.,
Несмеянова Ю.Б, 2014 

ВВЕДЕНИЕ

На долю минерально-сырьевого сектора экономики России приходится

около 33 % валового внутреннего продукта страны. Значимость данного

сектора экономики становится еще более ощутимой, если
учесть, что он

является
поставщиком
сырья,
необходимого
для
эффективного

функционирования целого ряда других отраслей промышленности.

В то же время на современном этапе развития горного производства

добыча практически всех видов твердых полезных ископаемых сопровождается

существенным
усложнением
горно-геологических
условий
отработки

месторождений, снижением содержания полезных ископаемых в руде и

характеризуется неуклонным ростом мощности предприятий и применяемого

горнотранспортного
оборудования,
интенсификацией
производственных

процессов, увеличением глубины горных выработок. В этих условиях, как

справедливо считает проф. А.Б. Макаров, «одним из эффективных путей

преодоления данных негативных тенденций является переход к повторной

разработке месторождений» с извлечением ранее потерянных запасов руд, что

позволит повысить обеспеченность предприятий запасами, увеличить полноту

их извлечения и улучшить качество использования недр.

Здесь следует заметить, что при повторной разработке месторождений

большое количество запасов руды в целиках, как правило, расположено под

бортами карьеров, которые ими поддерживаются в устойчивом состоянии, и,

следовательно, переход к повторной разработке месторождений открытым

способом в первую очередь ставит вопрос об устойчивости бортов карьеров,

параметры которых в значительной мере определяют безопасность и общую

экономическую, экологическую и технологическую эффективность разработки

месторождений [41].

Поэтому решение вопросов обеспечения
устойчивости бортов карьеров,
особенно подработанных подземными горными выработками, имеет важное
народнохозяйственное и социальное значение.

Глава 1 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМБИНИРОВАННОЙ

РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Современное горное производство, как уже было отмечено выше,

характеризуется неуклонным ростом мощности предприятий и применяемого

горнотранспортного
оборудования,
интенсификацией
производственных

процессов, увеличением глубины и сроков службы горных выработок и

сопровождается существенным усложнением горно-геологических условий

отработки месторождений и снижением содержания полезных ископаемых в

руде.

Так, если в 1955 г. на 115 основных месторождениях меди в мире среднее

содержание металла составляло 1,3-1,5%, то к 1990 г. оно снизилось до 0,5
0,6%  [93]. Увеличение глубины горных работ выражается в ежегодном росте

себестоимости добычи руды на 5-7%. В этих условиях, как справедливо считает

проф. А.Б. Макаров, «одним из эффективных путей преодоления данных

негативных
тенденций
является
переход
к
повторной
разработке

месторождений» [27], являющейся, согласно классификации (рис.1.1) проф.

Казикаева Д.М. [20], разновидностью комбинированной разработки.

Комбинированная разработка месторождений
полезных ископаемых,

зародившись в древние времена «как системное явление, стала формироваться с

50-х
годов
прошлого
века» [20], когда
усилиями
таких
ученых,
как

Б.П. Боголюбов, Б.П. Юматов, В.В. Куликов, Д.М.
Казикаев, П.Э. Зурков,

В.А. Щелканов и др., были заложены ее научные основы.

Большой вклад в развитие этого направления внесли Ю.В. Демидов,

В.И. Борщ-Компониец, А.Б. Макаров, Ю.И. Чабдарова, А.А. Вовк, Г.И. Черный,

С.Л. Шашурин и др. Известны в этом направлении работы Л.И. Барона,

Г.Л. Фисенко, Д.Р. Каплунова, К.Н. Трубецкого, С.А. Никитина, А.М., Сиразут

Разновидности комбинированной
разработки

По совмещению горных работ в
пространстве

В вертикальном направлении

В горизонтальном направлении

Смешанное совмещение

По совмещению горных работ во
времени

Одновременная (совместная)
разработка открытым и
подземным способами

Последовательная
подземно-открытая разработка

Последовательная
открыто-подземная разработка

Рис.1.1. Классификация разновидностей комбинированной разработки рудных
месторождений по Д.М. Казикаеву

динова, Г.Н. Попова, В.А. Юкова, А.Б. Юна, М.В. Рыльниковой, В.И. Попова,

М.А. Иофиса,
В.Н. Попова, И.В. Баклашова, Б.В. Несмеянова, А.Д. Черных,

Э.В. Файделя, О.С. Брюховецкого, А.П. Логинского, М.Ф. Шнайдера, В.И.

Вороненко, В.К. Бызеева, В.И.Зобнина, Г.Н. Городничева, В.П. Клюшина, Ю.Б.

Несмеяновой, И.А. Мальцевой и др.

В 60-х годах прошлого века Б.П. Боголюбов и Б.П. Юматов предложили

разделить месторождения, разрабатываемые комбинированным способом, на 3 

группы:

• разрабатываются одновременно открытым и подземным способами

(Тырныаузское, Алтын - Топканское, Высокогорное, Гайское, Медвежий ручей

- Норильск - 1, Тишинский рудник, Заряновский карьер, рудники “Северный” и

“Каула” ПО “Печенганикель”, рудник "Магнезит", “Эрцеберг” – Австрия и др.);

• вначале отрабатываются открытым, а затем подземным способом

(Бакальское, Дегтярское, Чулуктау, кимберлитовые трубки Якутии, рудники

“Принс-Лайэлл” и “Броекен-Хилл” (Австралия),  “Финш” (ЮАР),”Чамбиши”

(Замбия) и др.;

• вначале отрабатываются подземным, а затем открытым способом

(Жезказганское, Шелеинское, Блявинское, Угольный ручей - Норильск - 1, 

Никитовский
ртутный
рудник,
рудники
Криворожского
бассейна,

месторождения солей бора "Барон", меднорудные месторождения "Пимм",

"Юнайтед Верде", вольфрамовый рудник "Гетчел" в США, месторождение

каолина “Обербрис” в ЧССР, рудники “Джефри-Майн” и  "Крестмор" в Канаде,

медное месторождение "Нчанга" в Танзании и др.).

Здесь
следует
отметить,
что
ими
не
была
отражена
еще
одна

разновидность повторной разработки месторождений, а именно когда и

первичная
и
повторная
разработка
месторождений
ведется
подземным

способом. Большой опыт такой разработки крутопадающих залежей накоплен

на рудниках Криворожского бассейна, Лениногорского ПМК и Никитовского

ртутного месторождения.

Повторная разработка пологопадающих рудных залежей ведется на

рудниках Ачисайского ПМК, Ингичкинского рудоуправления, рудниках ТОО

«Корпорации Казахмыс», ГМК “Печенганикель”, а за рубежом - на рудниках

США (Сан-Джазеф, Сно-Лейк, Бодас, Джозев, Бонанзо-Джокер), Канады

(Cулливан, Иряингброуч), ФРГ (Витенгебирге, Альтерберг), ЮАР (Ван-Рин
Дип, Ист-Рин-Дип, Рондо).

Повторная разработка месторождений с извлечением ранее потерянных

запасов руд дает большой народнохозяйственный эффект, т. к. исключаются

затраты на геологоразведочные и горно-капитальные работы, продлеваются

сроки
эксплуатации
действующих
рудников
на
освоенных
площадях
с

использованием имеющихся основных фондов в виде зданий, сооружений и

инженерной
инфраструктуры,
промплощадок,
капитальных
выработок,

подземных мастерских, складов, общешахтного оборудования и стационарных

установок дробления и подъема руды, вентиляции, водоотлива. По данным

В.А. Шестакова [93], в настоящее время в цветной металлургии затраты по

таким статьям, как амортизация, горно-подготовительные работы, погашение

геологоразведочных работ, достигают 50% от себестоимости добычи. Поэтому

повторная разработка ранее потерянных руд может вестись с существенно

меньшими затратами, а качество извлекаемой из потерь руды может быть

значительно
выше,
чем
в
оставшихся
балансовых
запасах.
Применение

повторной разработки позволяет снизить темпы понижения горных работ,

увеличить
обеспеченность
предприятий
запасами,
улучшить
полноту
и

качество использования недр.

Наиболее полно все аспекты одной из разновидностей повторной

разработки месторождений, а именно последовательной подземно-открытой

разработки, можно рассмотреть на примере эксплуатации Жезказганского

месторождения,
которое
отрабатывается
карьерами “Златоуст-Беловский”,

“Акчий-Спасский”, “Средне-Спасский”, “Итауз”, рядом малых карьеров и

четырьмя подземными рудниками.

За
почти
вековую
промышленную
эксплуатацию
Жезказганского

месторождения камерно-столбовой системой разработки по состоянию на

01.01.2001 в недрах было оставлено в виде потерь 145,1 млн. т руды со средним

содержанием меди 1,55 % (более 2,2 млн. т меди) [27].

Данные объемы потерь сопоставимы с балансовыми запасами средних

месторождений, для освоения которых требуются инвестиции объемами во

многие сотни миллионов долларов. При этом около 70% всех потерь

сосредоточены в целиках различного назначения (рис. 1.2), в том числе до 50% 

из них в междукамерных (МКЦ) и до 20% в барьерных (БЦ) целиках.

В потерянной руде кроме меди содержатся также свинец, цинк, рений,

сера, серебро, золото, кадмий, селен, осмий, висмут.

При повторной подземно-открытой разработке месторождений запасы

руды в целиках, как правило, расположены под бортами карьеров, которые ими

поддерживаются в устойчивом состоянии. Поэтому переход к повторной разра

49%

20%

31%

МКЦ

БЦ

Прочие

Рис.1.2. Удельный вес потерь руды Жезказганского месторождения в целиках
различного назначения

ботке месторождений открытым способом в первую очередь ставит вопрос об

устойчивости бортов карьеров, параметры которых в значительной мере

определяют эффективность и безопасность ведения горных работ.

Глава 2 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ

КАРЬЕРНЫХ ОТКОСОВ

Изучение вопросов, связанных с обеспечением устойчивости породных

массивов, имеет почти двухсотлетнюю историю [31, 63]. Первоначально

расчеты стабильности откосов очень близко примыкали к расчету подпорных

стенок и обе эти задачи решались одинаковыми методами. Первый такой метод

был предложен в 1773 году Кулоном и широко использовался и развивался в

течение всего XVIII века. Кулон ввел понятие о линии скольжения и разработал

метод, основанный на предположении о прямолинейности линии скольжения.

На этом
же предложении основывались методы, предложенные де Сазийи

(1851), Винклером  (1872) и Кульманом (1886). 

Все
упомянутые
методы,
не
имея
глубокого
математического

обоснования, давали вполне приемлемые, по тем временам, результаты.

Вторая
половина XIX века
ознаменовалась
началом
разработки

математических основ теории устойчивости откосов и давления грунтов на

подпорные стенки. Первые работы в этом направлении принадлежат Ренкину

(1857). Делая допущения о том, что в каждой точке массива выполняются

условия
прочности
Кулона,
ему
удалось
решить
задачу
о
предельном

равновесии бесконечного массива, ограниченного наклонной плоскостью. В

1903 году
Кеттером была выведена
система уравнений предельного

равновесия грунтовых масс. Однако общее решение этой системы ему найти не

удалось.

Большой шаг в развитии расчетных методов устойчивости откосов был

сделан в 1916 году, когда Петтерсон и Хольтин на основании данных Шведской

геотехнической
комиссии
впервые
высказали
предположение
о

круглоцилиндрической поверхности скольжения.

Первой
значительной
работой
по
расчету
устойчивости
откосов,

имеющей в основе круглоцилиндрическую поверхность скольжения, явилась

работа В. Феллениуса [87], в которой автор дает удобный график для

определения углов откосов при заданной их высоте, а также указывает пути

нахождения линии возможного скольжения. Для грунтов без трения (только со

сцеплением) она находится из условия минимума коэффициента запаса.

Аналогичную задачу для грунтов с трением В. Феллениусу решить не удалось,

и он предложил в подобном случае искать положение линии скольжения

методом подбора.

Следует отметить, что указанная задача была решена в 1954 году Б.М.

Ломизе [26]. 

Начало систематического изучения устойчивости карьерных откосов у

нас в стране связано по времени с интенсивным развитием открытых

разработок в послевоенный период. Именно в это время
был заложен

фундамент отечественной школы исследования устойчивости откосов на

карьерах, которую создал
и возглавил Г.Л. Фисенко. Им впервые были

сформулированы задачи, стоящие перед исследователями устойчивости бортов

карьеров и отвалов,
расклассифицированы
горно-геологические условия и

нарушения
стабильности откосов на карьерах,
обобщены методы расчета

устойчивости карьерных откосов, рекомендованы области их применения.

В различных регионах страны, где открытые разработки приобрели

особенно большой размах, при институтах горного дела и ведущих вузах

(ВНИМИ, Екатеринбургский филиал ВНИМИ, «Унипрмедь»,  ИГД МЧМ,

«ВНИПИгорцветмет» (с 1988 г. «Гипроцветмет»), «ВИОГЕМ»,
ГИГХС,

«ВНИИцветмет», «Средазнипроцветмет», «Якутнипроалмаз», МГГУ, РГГРУ,

КарПТИ,
УГГГУ,
МГМИ
др.)
создаются
специализированные
отделы,

лаборатории, секторы и группы, к работе в которых привлекаются уже