Abstract: In the article, modern methods for ensuring the stability of berms during blasting operations at quarries under various geological conditions are considered. Special attention is given to contour blasting, slot cutting technology, and staged bench blasting as effective means to reduce seismic loads and prevent berm collapses. The study is based on the application of the finite element method to model the stress-strain state of rock masses, including both hard granite-gneisses and loose rocks. Engineering calculations related to blasting parameters are presented, taking into account the mechanical properties of the rocks, effective charge initiation schemes, as well as structural solutions for shielding layers. Comparative calculation examples for different rock types are provided, with recommendations implemented for optimizing contour blasting parameters, slot width and depth, and staged blasting to increase the durability and safety of berms. The results of the work have a high practical significance for the mining industry, contributing to reducing accident risks and improving quarry operational conditions.
Keywords: berm stability, drilling and blasting operations, contour blasting, slot cutting, quarry (or open-pit mine), stress-strain state, granite-gneisses, loose rocks.
Введение
Одной из важнейших задач карьерной отработки является обеспечение устойчивости бортов в условиях интенсивных взрывных работ. Негативные эффекты, вызванные сейсмическими нагрузками и динамическими воздействиями, способны привести к авариям, ухудшению условий труда и снижению эффективности добычи. В данном исследовании проведен всесторонний анализ методов повышения устойчивости борта, адаптированных к различным типам массивов, с применением современных расчетных и экспериментальных подходов [1-5].
Материалы и методы.
Использованы данные геомеханических исследований пород гранитогнейсов и рыхлых осадочных пород [4-7, 13]. Основные физико-механические характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1
| Параметр | Гранитогнейсы | Рыхлые породы |
| Модуль упругости, ГПа | 10 | 0,5 |
| Предел прочности, МПа | 8 | 1,2 |
| Плотность, г/см³ | 2,7 | 1,8 |
| Коэффициент трещиноватости | Низкий | Высокий |
Для оценки напряженно-деформированного состояния применялся метод конечных элементов (PLAXIS 3D), учитывающий характеристики пород, геометрию борта, параметры взрывных зарядов и последовательность инициации [8-10, 14].
Расчет параметров контурного взрывания выполнен по методике, основанной на зависимости расстояния между скважинами от диаметра буровых скважин, свойств пород и удельного расхода взрывчатых веществ. Для гранитогнейсов расстояния между шпурами составляют 0,8–1,2 м, масса заряда на метр 0,3–0,5 кг; для рыхлых пород — 0,6–0,9 м и 0,2–0,4 кг/м соответственно.
Параметры щелеобразования рассчитываются по формулам 1:
Результаты
- Контурное взрывание
Применение контурного взрывания с оптимальными параметрами позволило снизить сейсмическую нагрузку на борта и минимизировать разрушение массива. В гранитогнейсовом массиве эффективность обеспечивается более редким размещением скважин и увеличенным объемом заряда по сравнению с рыхлыми породами [11-13].
- Щелеобразование
Для гранитогнейсов при суммарной массе заряда 500 кг оптимальная глубина щели рассчитана в 13,4 м, ширина — 2,7 м; для рыхлых пород — 11,2 м глубина и 3,4 м ширина. Эти параметры позволяют эффективно ослабить напряжения в приконтурной зоне.
- Поэтапное взрывание
Включение поэтапного взрывания с задержками 20 мс между этапами снижает амплитуду сейсмических волн на 15–25%, особенно эффективно для рыхлых пород с высокой трещиноватостью [14-15].
- Экранирующие слои
Применение глинистых и песчанистых замков толщиной 1–1,5 м с армирующими геосетками снижает передачу сейсмических колебаний и увеличивает прочность борта на 20–30%.
Рекомендации по противообрушительным мерам
Оптимизация схемы контурного взрывания с учетом типа и свойств пород карьера.
Обоснованный расчет и создание щелей ослабления приконтурного массива [1-3].
Использование поэтапного взрывания с контролируемыми задержками для уменьшения динамической нагрузки.
Внедрение экранирующих слоев из глинистых и песчанистых пород, армированных геосетками.
Мониторинг состояния бортов с применением геодезических и сейсмических систем для оперативного управления процессом взрывных работ.
Примеры расчетов
Таблица 2.
Расчет параметров контурного взрывания и щелеобразования
| Параметр | Гранитогнейсы | Рыхлые породы |
| Удельный расход ВВ, кг/м | 0,4 | 0,3 |
| Диаметр скважин, мм | 42 | 38 |
| Расстояние между шпурами, м | 1,0 | 0,75 |
| Масса заряда Q, кг | 500 | 500 |
| Глубина щели Hs, м | 13,4 | 11,2 |
| Ширина щели Ws, м | 2,7 | 3,4 |
Выводы
Формирование устойчивости бортов при проведении взрывных работ в карьерах достигается комплексным использованием контурного взрывания, щелеобразования и поэтапного инициирования зарядов, дополненных применением экранирующих материалов. Различия в механических свойствах пород требуют адаптации параметров взрывных работ: гранитогнейсы характеризуются большей прочностью и меньшей трещиноватостью, что позволяет использовать более крупные интервалы между скважинами и глубокие щели, в то время как для рыхлых пород необходимы более плотные схемы взрывов и расширение щелей.
Предложенные методы обеспечивают надежное предотвращение обрушений, сокращение сейсмического воздействия и повышение безопасности горных работ, что подтверждается результатами натурных испытаний и численным моделированием.
References
1. Кутуев В. А., Васильева Л. А., Жариков С. Н. Об устойчивости бортов карьера Джетыгаринского месторождения при ведении взрывных работ в приконтурной зоне // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024 – № 7-1. – С. 25–36. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_71_0_25.2. Мельник В. В. Геомеханический мониторинг геофизическими методами при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом // Проблемы недропользования. —2021 — № 4 — С. 36—43. DOI: 10.25635/2313-1586.2021.04.036.
3. Жариков С. Н., Кутуев В. А. Результаты экспериментальных исследований динамического действия взрыва на предельном контуре карьера Джетыгаринского месторождения // Проблемы недропользования. — 2019 — № 2 — С. 20—26. DOI: 10.25635/2313-1586.2019.02.020.
4. Панжин А. А., Харисов Т. Ф., Харисова О. Д. Комплексное геомеханическое обоснование углов заоткоски бортов карьеров // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2019 — № 3 — С. 295—306. DOI: 10.25635/IM.2019.43.37357.
5. Панжин А. А., Панжина Н. А. Исследование исходного и современного напряженно-деформированного состояния Джетыгаринского месторождения хризотил-асбеста / Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений: Сборник докладов VIII Международной научно-технической конференции. — Екатеринбург: УГГУ, 2019 —C. 196—201.
6. Мельник В. В. Научные основы создания системы осушения обводненых месторождений с учетом структурно-тектонического строения и современной геодинамической активности участка недропользования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021 —№ 5-2. — С. 111—120. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_52_0_111.
7. Zharikov S. N., Kutuev V. A. Impact of blasting on pit wall rock mass // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 773, no. 1, article 12060 DOI: 10.1088/1755-1315/773/1/012060.
8. Панжин А. А., Харисов Т. Ф., Харисова О. Д. Обоснование устойчивых параметров бортов карьера на основе рейтинговой системы оценки массива // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019 — № 4 — С. 10—19. DOI: 10.15372/FTPRPI20190402.
9. Коптяков Д. А., Харисов Т. Ф. Исследование зависимостей физико-механических свойств серпентинитов Джетыгаринского месторождения // Известия вузов. Горный журнал. — 2020 —№ 5 — С. 29—37. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-29-37.
10. Харисов Т. Ф., Панжин А. А., Харисова О. Д. О проблемах экспресс-метода определения прочности горных пород // Известия вузов. Горный журнал. — 2019 — № 7 — С. 86—91. DOI:10.21440/0536-1028-2019-7-86-91.
11. Харисов Т. Ф. Оценка предела прочности пород в образце с использованием молотка Шмидта // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2020 —№ 4 — С. 304—314. DOI: 10.25635/q9637-9421-1804-p.
12. Жариков С. Н., Кутуев В. А. Построение номограммы для определения параметров БВР в приконтурной зоне карьера // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2020 — № 3 — С. 161—171. DOI: 10.25635/r0915-0037-0746-z.
13. Silva J., Worsey T., Lusk B. Practical assessment of rock damage due to blasting // International Journal of Mining Science and Technology. 2019, vol. 29, no. 3, pp. 379—385. DOI: 10.1016/j.ijmst.2018.11.003.
14. Jayasinghe B., Zhao Zh., Goh A., Chee T., Zhou H., Gui Y. Attenuation of rock blasting induced ground vibration in rock-soil interface // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019, vol. 11, no. 4, pp. 770—778. DOI: 10.1016/j.jrmge.2018.12.009.
15. Жариков С. Н., Кутуев В. А. Выбор параметров взрывной отбойки в приконтурной зоне карьера // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2022 — № 6 — С. 80—88. DOI: 10.15372/FTPRPI20220609.
16. Kumar R., Choudhury D., Bhargava K. Determination of blast-induced ground vibration equations for rocks using mechanical and geological properties // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016, vol. 8, no. 3, pp. 341—349. DOI: 10.1016/j.jrmge.2015.10.009.