Scientia. Современная геомеханика

Основные виды обрушений на скальных откосах

2026-09-08T06:51:51.816Z

На скальных откосах по плоскостям структурных нарушений (система трещин, слоистость, контакт напластования) образуются кинематические блоки потенциального обрушения. Устойчивость таких блоков контролируется не прочностью породы, а ориентацией поверхностей ослабления относительно плоскости откоса и сдвиговой прочностью по этим плоскостям. Обрушение таких блоков происходит по типовым механизмам, которые определяют скорость развития деформаций откоса и методы анализа структурных обрушений.

Четыре механизма структурных обрушений:

Плоское — скольжение по одной плоскости. Работает, когда азимут падения плоскости близок к азимуту откоса, а угол падения — между углом трения и углом откоса.

Плоское обрушение

Плоское с трещиной отрыва — тот же механизм, но субвертикальная трещина в тыльной части сокращает площадь контакта и создаёт ёмкость для воды. При обводнении — двойной эффект: гидростатика добавляет сдвигающую силу и снижает нормальное напряжение.

Плоское обрушение с трещиной отрыва

Клиновидное — блок между двумя пересекающимися плоскостями, скольжение вдоль линии пересечения. Самый распространённый тип. Устойчивость зависит от трения по обеим граням — при разных свойствах поверхностей возможно скольжение по одной из плоскостей, а не по линии.

Клиновидное обрушение

Клиновидное с трещиной отрыва — тот же механизм, но дополнительная трещина срезает верхнюю часть клина, уменьшая поверхность сцепления блока с массивом. Для оценки устойчивости таких блоков и правильного вычисления объёма обрушения важно понимать в каком именно месте бермы сработает трещина отрыва.

Клиновидное обрушение с трещиной отрыва

Для всех механизмов принципиальная расчётная схема - движение твердотельного блока по плоскостям трещин. Кинематический анализ устойчивости блоков реализован в ПО Digger Slope.

При расчёте рассматриваются все комбинации трещин с плоскостью откоса (с учётом разброса ориентации трещин внутри систем при вероятностном анализе) и принимается, что трещина отрыва образуется не в произвольном направлении, а по существующей в породном массиве системе трещин. Расположение трещины отрыва на берме определяется в ПО автоматизированно методом поиска расстояния от бровки уступа, на котором коэффициент запаса устойчивости блока будет минимальным.

Для мониторинга: структурные обрушения развиваются быстро — часы или дни.
Ключевые признаки: раскрытие трещин по границам блока, следы сдвига на поверхностях (зеркала скольжения), боковые трещины, проявление трещины отрыва на берме. Размер блока оценивается по выходам ограничивающих поверхностей на откос.

В ПО Digger Slope реализован метод обратных расчётов для уточнения характеристик сдвиговой прочности по поверхностям ослабления на основе данных о фактических обрушениях на откосах карьера. Это позволяет на лету калибровать исходные данные и актуализировать карту риска на контуре карьера при появлении новых данных о деформациях откосов.

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Никита Солуянов

Подготовка и верификация исходных данных для блочного моделирования

2026-09-03T09:15:05.614Z

← к сайту

Подготовка и верификация исходных данных для блочного моделирования — это определяющий этап построения модели, именно на этом шаге закладывается качество всех последующих действий. Поэтому работу с данными следует начинать не с выбора метода интерполяции, а с анализа того, насколько сама выборка корректно описывает геологическое пространство.

Доменизация выборки

Общую совокупность исходных данных необходимо первоначально разделять как минимум на 3 геолого-структурных макродомена – регулярный массив, кора выветривания и зоны тектонических разломов.

Необходимость такого разделения обусловлена тем, что указанные геологические среды формировались в различных условиях и характеризуются собственными закономерностями изменчивости и статистическими характеристиками. Их совместный анализ в составе единой выборки приводит к искусственному смешению различных статистических популяций, искажению формы распределений, средних и медианных значений, показателей дисперсии и пространственной корреляции и, как следствие, к некорректной интерполяции параметров в блоки модели.

Последующее районирование регулярного массива выполняется с выделением геомеханических доменов по значениям рейтинговых классификаций и физико-механических характеристик.

Геомеханические домены выделяются для обособления участков массива с однородными инженерно-геологическими свойствами и назначения для них репрезентативных расчётных параметров.

Декластеризация и композитирование

Декластеризация применяется для снижения смещения статистических оценок, вызванного неравномерной плотностью бурения. На практике какая-либо часть месторождения часто оказывается изучена подробнее других, и тогда “интересующие” зоны начинают непропорционально сильно влиять на статистику. В результате представительность выборки снижается - статистические параметры могут и быть искусственно завышены или занижены.

Jv при различном распространении данных

Композитирование устраняет влияние различной длины исходных интервалов. При невзвешенном анализе короткие и длинные интервалы вносят одинаковый вклад в статистику, хотя характеризуют разные объёмы массива. Приведение данных к единой длине обеспечивает их сопоставимость и корректность последующей оценки. Альтернативой является анализ с взвешиванием значений по длине интервала.

Зависимость среднего Jv от длины интервала

Анализ сформированных выборок

На этом этапе в первую очередь необходимо выявить и оценить выбросы. Часть экстремальных значений действительно может отражать локальные зоны повышенной изменчивости массива, однако другая часть нередко связана с ошибками описания керна, картирования или последующей обработки данных. Поэтому выбросы нельзя автоматически удалять или, наоборот, безусловно сохранять: каждое такое значение требует проверки в геологическом и геомеханическом контексте.

Далее следует проанализировать форму распределения параметров. Если гистограмма какого-либо геомеханического показателя демонстрирует выраженную мультимодальность, а коэффициент вариации остаётся высоким, это часто указывает на внутреннюю неоднородность выборки. В такой ситуации необходимо проверить пространственное распределение значений и оценить, не объединены ли в одном домене участки с различными условиями. При подтверждении такой неоднородности домен целесообразно дополнительно разделить на более однородные участки.

Выборка и ее отдельные участки

Отдельное внимание следует уделить анализу ожидаемых корреляционных зависимостей между параметрами. Для геомеханических данных существуют пары показателей, связь между которыми обычно прослеживается достаточно устойчиво, например RQD и FF/m, GSI и JR/JA, Q и RMR и т.д. Если в исходной выборке такие зависимости отсутствуют или слабо выражены, это может служить признаком наличия грубых ошибок в исходных данных.

Отсутствие корреляции

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Иван Брусницын

🚀 Обновление ScientiaJoints 3.4.9: выделение трещин полигоном и другие новые инструменты

2026-09-03T06:56:20.105Z

Обновили практически весь рабочий процесс структурного картирования в Blender — от постановки измерений на модели до анализа и экспорта результатов.

Обновление ScientiaJoints 3.4.9

⛏️ Новые инструменты:

Линейка — линейные измерения и определение ориентации плоскости по трём точкам непосредственно в 3D-виде, аналогично стандартному инструменту Blender.
Полигон — построение плоскости по контуру трещины из трёх и более точек. Рассчитываются падение, азимут падения, площадь и ошибка аппроксимации.
След трещины — открытая линия вдоль видимого выхода трещины. Определяются общая протяжённость, число и длины сегментов, расстояние между концами и извилистость. Для следов добавлены отдельные статистика, гистограмма и CSV-экспорт.

Обновление ScientiaJoints 3.4.9

Точки измерений автоматически привязываются к граням, рёбрам и вершинам модели. Режим привязки можно временно переключать клавишей Ctrl, а созданные точки — выбирать и редактировать.

Добавлены слои и коды трещин, настройка цветов и видимости, подписи с выбираемыми параметрами, заливка плоскостей, толщина линий и размеры точек. Стереограммы можно окрашивать по кодам, а расширенный экспорт сохраняет параметры и метаданные измерений.

Ускорено отображение больших наборов измерений и исправлены ошибки установки, экспорта, стереограмм, редактирования полигонов и загрузки новых .blend-файлов.

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Иван Гузеев

Сравнение методов моделирования с ПО Prorock при оценке устойчивости подземных выработок

2026-09-01T06:04:37.503Z

← к сайту

В материалах Southeastern Europe Tunnelling Conference опубликована статья Нила Бара из Gecko Geotechnics. Работа представлена в рамках конференции SETC-2025, которая проходила 1–3 октября 2025 года в Белграде, Сербия. Статья посвящена выбору численного метода при оценке устойчивости подземных горных выработок.

Главная идея работы: если модель показывает завышенную зону смещений или неверный механизм разрушения, это может привести к завышенной оценке крепи, уменьшению пролётов и дополнительным затратам.

Автор сравнил несколько подходов:

континуальный подход с предположением однородного и изотропного массива;
гибридно-континуальный подход с учётом сети нарушений сплошности;
гибридно-дискретный подход FDEM в ПО Prorock;
дискретный подход DEM в ПО UDEC.

Разделение типов массивов горных пород по методам численного моделирования.
Около 90% скорее всего требуют применения дисконтинуального подхода (Barton, 2025).

В статье показано, что континуальные модели с использованием GSI и критерия Хука — Брауна удобны для быстрой оценки. Но такой подход предполагает, что массив можно представить как однородную и изотропную среду.

Для сравнения были рассмотрены три практических примера. В первых двух сравнивались континуальная и гибридно-континуальная модели. В третьем примере дополнительно использовались расчёты в Prorock и UDEC.

Отдельное внимание в статье уделено камере Гьёвик в Норвегии пролетом 62 м. Камера была пройдена в гнейсовом массиве, расположенном на глубине 55 м от поверхности. Массив описан как блочный, значения Q изменялись от 1 до 30, средневзвешенное значение составляло около 9. По имеющимся данным GSI находился в диапазоне 70–80. Ожидаемое поведение массива - выпадение блоков, контролируемое нарушениями сплошности.

Поперечное сечение выработки в Йёвике пролётом 62 м. Результаты двумерного упругого моделирования методами FEM, FDEM и DEM. На рисунке представлены поля полных смещений. Результаты CHI-модели (континуальной, однородной и изотропной) показывают значительно большую зону смещений по сравнению с моделями HC, FDEM и DEM.

Сравнение подходов и преимущества ПО Prorock

Континуальная однородная модель показала существенно более широкую зону смещений, чем гибридно-континуальная, FDEM и DEM модели. По абсолютным значениям смещений континуальная модель также дала завышенный результат.

В рассмотренных примерах континуальный подход предсказал более крупные зоны смещений, завышая глубину зоны текучести, занижая коэффициент запаса устойчивости и указывая на неподходящий механизм разрушения. Гибридные и дискретные подходы требуют больше времени на построение модели, но позволяют реалистичнее описывать инженерно-геологические условия: слоистость, сланцеватость, трещины, блоковое строение и локальные механизмы потери устойчивости.

Для таких условий преимущество Prorock заключается в возможности моделировать не только поле напряжений и смещений, но и структурно обусловленное поведение массива: локализацию деформаций, отделение блоков и развитие механизмов разрушения, связанных с нарушениями сплошности.

Авторы статьи:
Neil Bar - Gecko Geotechnics, Kingstown, Saint Vincent and the Grenadines, Hungary

Gjøvik Olympic Cavern Hall в городе Йёвик (Норвегия)

Схематичный план Gjøvik Olympic Cavern Hall

Источники:

🔗https://scindeks-zbornici.ceon.rs/article.aspx?artid=proc-00592503243B

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Александр Ткаченко

3D FDEM для оценки устойчивости уступов и бортов карьера: от расчётной программы к полной карте устойчивости

2026-07-09T09:29:05.220Z

← к сайту

26–30 мая 2026 года в Санкт-Петербурге прошёл XIII Международный научно-практический форум «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий: безопасное и эффективное освоение месторождений полезных ископаемых». На форуме был представлен доклад о выполненной нами разработке и тестировании трёхмерной FDEM-модели для оценки устойчивости уступов и бортов карьеров.

В докладе описана модель, которая учитывает большинство геомеханических факторов: неоднородность свойств пород, их трещиноватость, тектонические нарушения, природное поле напряжений, подземные воды и т.д. Модель воспроизводит самые различные типы потенциальных обрушений в карьере: контролируемые трещинами вывалы уступов, деформации слабых пород, сложные разрушения групп уступов (макроблоки) и бортов карьера.

Почему потребовалась трёхмерная FDEM-постановка

Оценка устойчивости уступов и бортов традиционно выполняется несколькими группами методов. Рейтинговые системы дают быструю инженерную классификацию, но не раскрывают механизм разрушения. Кинематический анализ показывает возможные типы вывалов по трещиноватости, однако остаётся локальным и заранее ограничен выбранным механизмом. Методы предельного равновесия рассчитывают коэффициент запаса устойчивости, но обычно требуют заданной поверхности скольжения и исходят из допущения жесткости среды.

3D FDEM решает другую задачу. Метод конечных-дискретных элементов объединяет расчёт деформаций и напряжений с возможностью развития разрушения. В одной модели можно получить несколько механизмов разного масштаба: локальный вывал уступа, разрушение группы уступов и даже всего борта. Кроме того благодаря эксплицитной постановке возможно определение запаса устойчивости для всего карьера с учетом потенциальных обрушений любого масштаба.

Особенности различных методов

Расчётная программа: FEM, DEM и ускорение на GPU

Разработанная программа использует идею FDEM: упругая работа породы описывается конечными элементами, а разрушение — интерфейсными элементами между ними. Объёмная часть модели представлена тетраэдрами, интерфейсы отвечают за раскрытие, сдвиг, разупрочнение и переход к остаточной прочности.

Ключевое упрощение связано с контактами. В классическом FDEM поиск контактов требует значительных вычислительных ресурсов. В предложенной реализации используется продолженное контактное взаимодействие: программа фиксирует факт и механизм обрушения, но не рассчитывает дальнейшее перемещение каждого обломка как самостоятельную задачу. Для оценки устойчивости карьера это рационально, потому что основная цель — определить положение, масштаб и критический уровень разрушения, а разлет обломков — второстепенная задача.

Расчёты выполняются на GPU с использованием CUDA. Целевой размер модели — более 1 млн элементов. Для диапазона 10⁴–10⁶ элементов GPU-расчёт может быть в десятки и сотни раз быстрее CPU. В программу включены модули импорта геомеханической модели, экскавации, принудительной стабилизации, порового давления и метода снижения прочности.

Схема вычислительной программы

Плавная экскавация

Для карьерной модели важно корректно удалить элементы внутри проектной чаши. Если карьер мгновенно «вырезать» из массива, расчёт получит неестественную динамическую нагрузку, а часть разрушений может стать следствием искусственного "удара", а не реального напряжённого состояния.

Поэтому элементы исключаются не одномоментно, а фронтом расширяющейся сферы. Задаётся начальный радиус R0, затем радиус увеличивается с шагом delta R и заданной частотой k. Исключение выполняется только в пределах чаши карьера. Такой алгоритм обеспечивает плавную выемку породы и позволяет анализировать проектный контур без обязательного задания полного календарного развития горных работ. При необходимости последовательность отработки может быть задана отдельно.

Моделирование экскавации

Поровое давление и метод снижения прочности

Поровое давление прикладывается к граням интерфейсных элементов и переводится в эквивалентные узловые силы. Давление действует по внешней нормали к поверхности трещинного элемента и раскрывает трещину. Такая постановка позволяет учитывать влияние подземных вод не только как фоновую нагрузку, но и как фактор, непосредственно влияющий на раскрытие структурных поверхностей.

Устойчивость оценивается методом снижения прочности SRM. Прочностные параметры массива уменьшаются пошагово коэффициентом SRF, начиная с 1,0. В отличие от ряда классических постановок снижается не только сдвиговая прочность, но и прочность на растяжение UTS. Коэффициент запаса устойчивости принимается равным критическому SRF в момент обрушения.

Преимущество трёхмерной FDEM-модели в том, что SRM можно выполнить по всей модели, а не только на заранее выбранных участках. Модель сама показывает, где возникнет критический механизм, когда будут превышены смещения и какие участки вовлекаются в разрушение. При этом возникновение разрушений на том или ином участке не мешает продолжить моделирование со снижением SRF далее, в отличие от имплицитного FEM. Благодаря этому в одной модели может быть выполнен расчёт устойчивости для любого множества участков.

Поровое давление и метод снижения прочности (SRM)

Верификация отдельных алгоритмов

Перед расчётом реального карьера были проверены отдельные алгоритмы вычислительной программы-солвера. Поровое давление верифицировалось на простейшей схеме: между двумя конечными элементами задан интерфейсный когезионный (трещинный) элемент, в котором задается давление. При давлении Pв = 1,001 mg раскрытие между элементами должно происходить, при Pв = 0,999 mg — нет. Такой тест контролирует знак нормали, площадь грани и перевод давления в узловые силы.

Верификация порового давления: Pв = 1,001 mg. Происходит разрыв

Верификация порового давления: Pв = 0,999 mg. Верхний элемент неподвижен

Из приведенных выше видео можно увидеть, что алгоритм работает корректно с точностью до 0,1%.

Отдельно проверялся алгоритм принудительной стабилизации модели. После запуска моделирования в эксплицитной постановке начальные и граничные условий вызывают колебания модели, затухающие вследствие демпфирования. При большой амплитуде колебаний, если разрушение разрешены в этот момент, могут происходить неестественные разрушения. Чтобы исключить данные явления используется алгоритм принудительной стабилизации, который ускоренно снижает колебания, базируясь на анализе динамики узлов в сетке.

На рисунке ниже визуализирована модель, использованная для проверки алгоритма - кубический целик со сжатием плитой. Также приведен полученный в тесте график колебаний. Средняя скорость узлов после работы алгоритма снизилась примерно в 50 раз.

Таким образом алгоритм отрабатывает эффективно и переводит расчёт в квазистатический режим, исключая разрушения от неестественных динамических нагрузок.

Алгоритм принудительной стабилизации модели

Контактная модель проверялась на раскрытие, сдвиг, нелинейное допредельное поведение, запредельное разупрочнение и остаточную прочность. Для сдвига использовалось условие tau = C + sigma_n · tg(phi), а после потери сцепления — tau = sigma_n · tg(phi_r). Также проверялось удаление интерфейса при достижении предельного смещения.

Верифиация расчёта контактов

Верификация алгоритма продолженного контактного взаимодействия показала, что на контакте действуют расчетные смещения и напряжения.

Далее выполнено сравнение расчётов устойчивости простого однородного откоса. 3D FDEM дал коэффициент запаса устойчивости 1,59, расчёт в 2D Prorock — 1,67. Значения и форма разрушения сопоставимы, что подтверждает корректность перехода от тестов отдельных элементов к геомеханической задаче откоса.

Сравнение расчётов устойчивости в 2D и 3D

Реальная 3D-модель карьера

Промышленный пример выполнен для проектного контура реального карьера на Дальнем Востоке РФ. Сетка сгущалась в областях, где ожидались потенциальные обрушения. Модель включала 329 211 объёмных элементов и 576 686 интерфейсных элементов. Средний размер элемента у контура составил около 5 м, минимальный показатель качества Scaled Jacobian — не ниже 0,20.

Геометрия строилась по STL-поверхностям: рельефу, разломам и границам литолого-структурной модели. Сетка была создана в Cubit. Габариты модели составили 1019 × 1013 × 327 м; высота бортов достигала 250 м, ширина карьера — до 725 м.

Элементная сетка

Свойства переносились из геомеханической блочной модели в конечные элементы по ближайшей ячейке, то есть по расстоянию между центроидами. В расчёт попадали код горной породы, GSI, UCS и производные параметры: сцепление, угол внутреннего трения, плотность, модуль деформации и другие показатели. Для зоны влияния буровзрывных работ использовалась глубина 50 м: параметр D равен 1,0 на поверхности карьера и убывает до 0 на глубине 50 м. Автоматизация переноса выполнена с применением PyVista, meshio и SciPy.

Перенос свойств из блочной модели

Структура массива, вода и напряжённое состояние

Системная трещиноватость задавалась по структурным доменам. Если грань интерфейсного элемента попадала в диапазон ориентации заданной системы трещин, ей назначались свойства трещины; в остальных случаях использовались свойства массива. Такой подход позволяет учесть не только прочностную неоднородность пород, но и пространственную ориентировку трещин.

В модели задано 5 разломов, визуализированных в модели на рисунке ниже как границы между структурными доменами. Вне детальной зоны массив оставался упругим, что снижало вычислительные затраты без потери точности в ключевых областях.

Данные о трещиноватости, заложенные в модель

В модели задано литостатическое поле напряжений и статическое поле порового давления. Поверхность воды принята как залегающая вдоль проектного контура карьера. По границам модели ограничены перемещения по нормали к грани, а верхняя граница, соответствующая земной поверхности, оставлена свободной.

Поровое давление и поле напряжений

Расчёт и последовательность разрушения

После экскавации при SRF = 1,0 все участки карьера оставались устойчивыми. Далее выполнялось снижение прочности, которое показало развитие разрушений нарастающего масштаба. Расчёт включал около 900 000 шагов и выполнялся на GPU RTX 4090. Базовый расчёт (стабилизация и экскавация) занял около 1 часа, этап снижения прочности — около 11 часов. Для трёхмерной модели такого размера это приемлемое время для практических задач, особенно с учётом того, что за раз анализируется весь карьер, а не один разрез.

Видео развития смещений с увеличением SRF

В одном расчёте были выявлены четыре типа обрушений разного масштаба и генезиса. При SRF = 1,30 проявлялись клиновидные вывалы уступов на восточном борту, связанные с системной трещиноватостью. С повышением SRF сформировались более сложные механизмы, включая обрушения из-за трещин и отжима под весом восточного борта, уступы в слабых породах на юго-востоке, а также разрушение сложной формы большей части южного борта, ограниченное двумя крутонаклонными нарушениями и трещинами снизу.

Четыре типа геомеханических разрушений, полученные в рамках одного расчета Prorock

Полученные результаты демонстрируют возможность прогнозирования самых различных форм обрушений, в т.ч. происходящих с разрушением цельной породы (rock bridges).

Полная карта устойчивости вместо набора отдельных профилей

Результаты расчёта можно представить как карту устойчивости всего карьера. Районирование выполнено с учетом превышения критического смещения, которое в данной постановке принято равным 0,5 м. При увеличении SRF фиксируются области, где развиваются критические смещения, и каждому участку назначается соответствующий коэффициент запаса устойчивости.

Карта показывает потенциальные обрушения любого типа и масштаба: уступов, групп уступов и борта. Такой результат отличается от классического FEM тем, что фиксируется не только участок с минимальным SRF, а коэффициент запаса определяется для любой точки на поверхности карьера.

Районирование карьера по КЗУ

Выводы

По итогам работы создана высокопроизводительная 3D FDEM-программа с импортом данных из геомеханической модели. Выполнены верификации новых алгоритмов: экскавации, стабилизации, порового давления, контактного взаимодействия и расчёта устойчивости на однородном откосе.

Для реального карьера выявлены потенциальные обрушения разных типов: структурные вывалы, обрушения ослабленных пород, обрушения, вызванные структурами и напряжениями. Коэффициент запаса устойчивости уступов оказался выше 1,3, а для участков борта — выше 3,9. На основе расчёта составляется полная карта устойчивости, пригодная для анализа всего карьерного пространства.

Дальнейшие направления развития включают многоустройственную параллелизацию, адаптивный SRM, явное задание трещин в виде DFN и интерпретацию данных деформационного мониторинга через критические смещения и направления деформаций. Главный практический вывод доклада: всесторонний анализ устойчивости уступов и бортов всего карьера выполним в трёхмерной FDEM-постановке.

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Авторы:
Булат Ильясов, Алмаз Ураимов, Дамир Усманов (Scientia)
Юрий Головченко (Институт Гипроникель) - подготовка сетки

Крупное обновление Prorock 2.3

2026-06-11T07:45:36.803Z

← к сайту

Мы рады сообщить, что выпустили очередное обновление Prorock. В новой версии мы добавили много новых возможностей, которые делают нашу программу более удобной и функциональной.

Наиболее важные улучшения

Добавлена возможность импортировать свойства из блочной геомеханической модели. Импортируются показатели критериев прочности Мора-Кулона и Хука-Брауна.
Добавлена возможность автоматического поочерёдного запуска вычислений для нескольких проектов.
Для видов стадий Excavation (Экскавация) и Change Properties (Замена свойств) добавлена возможность задания нескольких областей.
Продолжительность стадий отработки теперь заполняется полностью автоматически.

Также с обновлением добавлено много небольших улучшений, которые запрашивались пользователями. С полным списком можно ознакомиться по ссылке:

🔗 Prorock Updates

Посмотрите короткое видео об импорте свойств из блочной модели:

Импорт блочной модели в Prorock 2.3.0

🔗 YouTube

Сайт | Телеграм

Автор: Булат Ильясов

Моделирование водопроводящей зоны трещиноватости в Prorock

2026-06-08T10:46:37.896Z

← к сайту

В журнале Mining (MDPI) опубликована статья «Integrated Physical and Numerical Assessment of the Formation of Water-Conducting Fracture Zones in Deep Ore Mines with Structural Faults». Авторы статьи - Одинцов Егор и Гусев Владимир Николаевич, представляющие Кафедру маркшейдерского дела Санкт-Петербургского горного университета.

Работа посвящена оценке развития водопроводящей зоны в подработанном массиве при ведении очистных работ. Исследования выполнены на примере глубокого полиметаллического рудника, характеризующегося сложными гидрогеологическими условиями, наличием водоносных горизонтов и тектонических нарушений.

К водопроводящей зоне относятся раскрытые трещины, которые полностью пересекают отдельные слои и соединяют соседние стратиграфические единицы. Именно такие трещины могут формировать непрерывные пути миграции флюида через перекрывающую толщу.

Зависимость между высотой водопроводящей зоны трещиноватости и длиной выемки

В работе применён комплексный подход: физическое моделирование, моделирование расчёты в UDEC и Prorock. Такая схема позволила сопоставить наблюдаемое развитие трещин в физической модели с механизмом разрушения, полученным в численном расчёте.

Физическое моделирование показало поэтапное развитие трещиноватости: от локального обрушения непосредственной кровли и раскрытия отдельных трещин до их восходящего распространения, объединения и формирования связанной зоны трещиноватости.

В Prorock была построена двумерная конечно-дискретная модель массива. В модели задали граничные условия, физико-механические свойства пород и последовательность выемки. Калибровку выполнили по физическому эксперименту — по высоте зоны обрушения на шестом этапе выемки.

Графики оседаний после стабилизации модели:
(a) анализ перемещений в ПО Tema Motion 2D по линиям опорных точек: линия 1 расположена на 20 м выше кровли отрабатываемого слоя, линия 3 — на 60 м, линия 5 — на 100 м и линия 7 — на 140 м соответственно;
(b) анализ перемещений в ПО UDEC: линия 1 расположена на 20 м выше кровли отрабатываемого слоя;
(c) анализ перемещений методом цифровой корреляции изображений в ПО GOM Correlate.

После калибровки модель использовали для оценки того, как изменяется высота водопроводящей зоны трещиноватости при увеличении длины зоны выемки.

Численное моделирование в Prorock воспроизвело развитие этой зоны в перекрывающей толще и позволило построить зависимость высоты водопроводящей зоны трещиноватости от длины зоны выемки:

Hₜ = 0,001D² + 0,02D + 2

где Hₜ — высота водопроводящей зоны трещиноватости;

D — длина зоны выемки.

Оценка водопроводящей зоны трещиноватости в слоях перекрывающей толщи с помощью численного моделирования в ПО Prorock

Высокая согласованность между физическими наблюдениями, откалиброванными численными расчетами показывает, что предложенная схема моделирования достоверна для оценки развития водопроводящих зон трещиноватости в конкретных геологических и горнотехнических условиях, рассмотренных в данном примере.

Отдельный результат связан с влиянием тектонического нарушения. В рассмотренной модели деформации и интенсивное трещинообразование были локализованы по одну сторону разлома. Нарушение сплошности проявило себя как структурный экран, ограничивающий распространение деформаций через плоскость разлома.

При этом такой вывод нельзя автоматически переносить на все разломы. В других условиях разлом может, работать как водопроводящий канал. Его роль зависит от геометрии, раскрытости и положения относительно зоны выемки.

Таким образом была проведена оценка высоты водопроводящей зоны и прослеживание механизма её формирования: от локального обрушения кровли до объединения раскрытых трещин в связанную проводящую систему.

Моделирование в ПО Prorock позволило выявить потерю сплошности массива и формирование потенциальных путей фильтрации флюида в перекрывающей толще.

Авторы:
Egor Odintsov и Vladimir Gusev - Санкт-Петербургский горный университет;
Zidong Zhao, Kai Wang и Wenwei Wang - College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Китай.

Источники:

🔗 Integrated Physical and Numerical Assessment of the Formation of Water-Conducting Fracture Zones in Deep Ore Mines with Structural Faults

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Александр Ткаченко

Типы трещин и механизмы их формирования

2026-05-21T06:47:56.968Z

← к сайту

В структурной геологии и геомеханике картирование трещин — это не просто описание нарушений сплошности. Оно нужно для понимания того, каким образом эти нарушения сформировались и как они могут влиять на поведение массива, его проницаемость, устойчивость откосов, выработок и проектирование крепи.

Существует несколько классификаций трещин: геометрические, генетические и специальные. Эти классификации дополняют друг друга и описывают трещины с разных точек зрения.

Тектонические трещины

Эти трещины формируются под действием тектонических напряжений и движений земной коры. Они часто отличаются большой глубиной развития, значительной протяжённостью и образуют системы с устойчивой ориентировкой. Во многих случаях они структурно связаны со складками, разломами и региональными полями напряжений.

Для инженерной практики такие трещины особенно важны, поскольку именно они нередко определяют крупномасштабную анизотропию массива, формирование неустойчивых блоков и развитие потенциальных поверхностей разрушения в откосах и подземных выработках.

Нетектонические трещины

Эти трещины не связаны напрямую с региональной тектонической деформацией.

К ним относятся:

контракционные трещины, формирующиеся при остывании магматических пород; в интрузивах они часто образуют почти ортогональные системы, а в лавовых потоках могут развиваться в столбчатую структуру с шестиугольным сечением;
литогенетические (диагенетические) трещины, возникающие в процессе уплотнения осадков и диагенеза;
трещины выветривания, формирующиеся при разрушении пород в приповерхностной зоне;
трещины разгрузки, возникающие вследствие снятия напряжений, расширения, гидратации или упругой отдачи;
гравитационные трещины, связанные с оползнями, обвалами и локальным перераспределением напряжений.

Литогенетические, контракционные трещины и трещины разгрузки обычно являются наиболее протяженными, в связи с чем они могут вызывать наиболее крупные обрушения на откосах и в подземных выработках.

Кулисообразные и литогенетические трещины

Искусственные трещины

Это техногенные трещины, возникающие в результате взрывных работ, выемки, бурения и других горных операций.

С геомеханической точки зрения крайне важно отличать природные трещины от наведённых. Искусственные трещины могут искажать структурную интерпретацию, влиять на оценку качества массива и приводить к ошибкам при выборе крепления и расчётах устойчивости.

На практике понимание генезиса трещин помогает геомеханику делать обоснованные предположения об их длине и других важных показателях в условиях ограниченных данных, например когда трещины исследуются только по керну.

Именно поэтому классификацию трещин не следует рассматривать как сугубо геологическое описание. Это рабочий инженерный инструмент, необходимый для прогноза поведения массива и снижения неопределённости при проектировании.

Трещины классифицируют:

по степени открытости и проявленности (скрытые, закрытые, открытые);
по отношению к оруденению (дорудные, внутрирудные, послерудные);
по характеру действия сил выделяют трещины отрыва и трещины скалывания.

Трещины отрыва (раскола) формируются в плоскости, которая параллельна сжимающим силам и перпендикулярна растягивающим силам. Они возникают, когда растягивающие усилия превышают предел прочности породы на отрыв. В момент появления трещины остаются открытыми. Перемещения вдоль стенок трещин отрыва незначительны, так как они происходят перпендикулярно к стенкам.

Схема образования пластовых трещи

Трещины скалывания имеют прямолинейную форму, а их стенки ровные, притёртые и часто отполированные. Трещины скалывания обычно имеют большую протяжённость и образуют системы трещин. Они слабо водоносны или вовсе не водоносны и обладают низкой водопроницаемостью.

Кливаж — это особый тип трещиноватости в горных породах, который можно рассматривать и как морфологический элемент, и как процесс образования трещин, и как способность пород раскалываться на пластины. Морфологически кливаж представляет собой систему примерно параллельных трещин, которые разделяют горную породу на серию пластин без видимого смещения их друг относительно друга.

Кливаж и трещины в породах

Существуют различные типы кливажа, включая кливаж течения, кливаж разлома, кливаж скалывания, волнистый кливаж (кливаж скольжения) и кливаж осевой плоскости.

Из практики Scientia: почему генезис трещин важен для геомеханики

Для геомеханика важно не только определить тип трещины, но и понять, как её происхождение связано с формой поверхности, раскрытостью, протяжённостью, заполнителем, водопроницаемостью и сопротивлением сдвигу.

🔸Трещины отрыва обычно имеют извилистую или волнистую форму, неровные стенки и открытый характер. Они могут менять направление на границах пород с разными свойствами и огибать более прочные включения. Вследствие этого их поверхности зачастую характеризуются выраженной шероховатостью, которая увеличивает сопротивление сдвигу.

🔸Трещины скалывания чаще более прямолинейные и протяжённые. Их стенки могут быть ровными, притёртыми или отполированными вследствие смещения. Для них характерны зеркала и борозды скольжения, глинка трения и оперяющие трещины. Для трещин скалывания часто наблюдается зависимость «смещение — длина», которая может быть полезна для оценки протяженности трещин.

🔸Кливаж придаёт породе свойство анизотропии — механического свойства, при котором физические свойства породы различаются в разных направлениях. Вдоль плоскостей кливажа прочность массива на сдвиг и сдвиговая жёсткость обычно ниже, чем при деформировании поперёк кливажа.

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Данил Озорнин

Рейтинговые системы в геомеханике

2026-04-14T05:55:31.639Z

← к сайту

В геомеханике существует широкий набор эмпирических рейтинговых систем, созданных для быстрой оценки качества массива и опасности разрушения откосов.

Эти системы развивались параллельно и решают разные задачи:

одни ориентированы на структурно-контролируемые механизмы (плоскостное скольжение, клин, опрокидывание),
другие — на общую устойчивость в сильно нарушенных массивах.

Поэтому корректная практика заключается в выборе рейтинговой системы под ожидаемый механизм разрушения и доступные исходные данные. Современные рейтинговые системы, рассмотренные в статье: SMR, Q-slope, SSPC, SSR, HI.

SMR (Slope Mass Rating)

SMR (Slope Mass Rating), разработанная Manuel R. Romana и впервые представленная в 1985 году как развитие системы RMR специально для откосов.

Схема применения системы SMR

По набору учитываемых параметров SMR состоит из двух частей:

базовый рейтинг RMRb (прочность породы, RQD, шаг трещин, состояние трещин, водоприток);
поправки на кинематику и метод формирования откоса.

Область применения — оценка устойчивости скальных откосов при структурно-контролируемых механизмах разрушения.
Система позволяет получить класс устойчивости откоса и ориентировочные меры крепления или защиты.

Q-slope: развитие системы Q для откосов

Q-slope разработана Neil Bar и Nick Barton как расширение классической Q-system. Прикладная версия метода была представлена в 2015 году, а полноформатная журнальная статья опубликована в 2017 году.

Схема применения системы Q-slope

По набору учитываемых параметров Q-slope опирается на базовые компоненты Q-system, адаптированные под откосы:

RQD
Jn (число систем трещин)
Jr (шероховатость)
Ja (изменённость или заполнитель)
O-factor (ориентация трещин)

Дополнительно учитываются внешние факторы через

Jwice (климатические условия)
SRFslope (влияние выветривания, напряжений и разломов).

Метод применим практически к любым видам скальных массивов.
На основе полученного значения Q-slope можно определить рекомендованный угол откоса, а также оценить уровень риска и классифицировать состояние откоса.

SSPC (Slope Stability Probability Classification)

SSPC (Slope Stability Probability Classification) — вероятностная классификация устойчивости скальных откосов, предложена R. Hack, D. Price и N. Rengers в 2002 году.

Метод предполагает три этапа работы:

Фиксация параметров массива в обнажении
Корректировка с учётом выветривания и техногенной нарушенности, получение эталонного состояния
Введение поправок на метод разработки откоса и прогнозируемое выветривание в течение срока службы.

При расчёте учитываются:

ориентация разрывов относительно откоса
геометрия откоса
показатели состояния трещин (TC и CD)
прочность породы (IRS)
размер блока (SPA).

Система не применяется, если поведение массива определяется пластичностью или вязко-пластической деформацией нетронутого материала.

Результатом является вероятность возникновения различных механизмов разрушения и классификация устойчивости.

Схема расчета SSPC и параметры SSR

SSR (Slope Stability Rating)

SSR (Slope Stability Rating) — классификация для оценки устойчивости откосов в сильнотрещиноватых массивах, предложена A. Taheri и K. Tani в 2010 году.

Система ориентирована на крупномасштабную устойчивость откосов в сильнотрещиноватых массивах при неструктурно-контролируемых разрушениях.

В качестве базового показателя используется GSI, дополнительно вводятся корректирующие параметры:

прочность
тип породы
метод разработки
обводнённость
сейсмическое воздействие.

По результатам SSR определяется допустимый безопасный угол откоса при заданной высоте и коэффициенте запаса.

HI (Hazard Index)

HI (Hazard Index) предложен L. Pantelidis в 2010 году для количественной оценки опасности отказов скальных откосов с учётом климатических факторов.

Схема расчета HI и ограничения рейтинговых систем

Индекс HI рассчитывается как произведение двух составляющих:
состояния массива (fNC) и триггерного механизма (fTM) для семи типов разрушений.

В расчёте учитываются:
для fNC:

запас устойчивости
ориентация трещин
GSI
объём потенциально неустойчивой массы

для fTM:

среднегодовые осадки
их критическое значение
дренажный фактор.

Метод ориентирован на районы, где вода выступает основным триггером разрушения.

Ограничения рейтинговых систем

Следует учитывать, что все рассмотренные системы, кроме SSR, не рассчитаны на откосы высотой более 45 м. Для большинства разработаны модификации, расширяющие область применения.

Рейтинговые системы основаны на эмпирических наблюдениях и отражают средние условия и допущения авторов. Даже в пределах заявленной области применения их нельзя использовать механически.

Результаты требуют калибровки под конкретное месторождение и подтверждения дополнительными методами:

обратными расчётами
кинематическим анализом
расчётами предельного равновесия
численным моделированием.

Только в этом случае рейтинг становится рабочим инженерным инструментом.

Источники:

🔗 A Geomechanical Classification for Slopes Slope Mass Rating🔗 The Q-Slope Method for Rock Slope Engineering
🔗 A new approach to rock slope stability - a probability classification (SSPC)
🔗 Assessment of the Stability of Rock Slopes by the Slope Stability Rating Classification System
🔗 An alternative rock mass classification system for rock slopes

Сайт | Телеграм | Рассылка | Wiki

Автор: Иван Брусницын

Структурные и геомеханические домены: в чём разница?

2026-03-31T11:14:19.333Z

← к сайту

При построении геомеханической модели месторождения мы работаем с двумя типами доменов. Их часто путают, хотя они решают разные задачи.

Данные в геомеханические модели

Определения

Структурный домен — это область с однородной ориентацией трещин: системы имеют схожие азимуты и углы падения, а разброс значений остаётся постоянным. Структурные домены нужны для кинематического анализа. На карьерах один и тот же набор трещин может давать устойчивые уступы в одном направлении и неустойчивые — в другом. Мы анализируем сочетания направлений уступов и трещин, чтобы выявить потенциально неустойчивые блоки: плоскостной сдвиг, клин, опрокидывание.

Геомеханический домен — это область с однородными физико-механическими свойствами и характеристиками породного массива, используемая как расчётная единица модели. Строгого определения этого термина в нормативных документах нет — его содержание зависит от решаемой задачи.

На практике геомеханический домен чаще всего представляет собой совокупность усреднённых свойств, характерных для данной области:
🔸физико-механические свойства пород (прочность, объёмный вес)
🔸рейтинговые характеристики массива (RMR, GSI, MRMR)
🔸степень трещиноватости и выветрелости

В простейших моделях геомеханические домены совпадают с литологическими: физико-механические свойства задаются для каждого литотипа, и домен фактически определяется границами залегания породы.

В более сложных моделях геомеханические домены выделяются по совокупности свойств: литологии, степени выветрелости, трещиноватости, рейтинговых характеристик. При максимальном усложении — в блочной геомеханической модели, каждый блок фактически является отдельным доменом, поскольку несёт усреднённые свойства именно для своего объёма породы. Выделение укрупнённых доменов в таком случае — это осознанное упрощение, необходимое для практических расчётов.

Практическое применение

Объединение участков в домены решает и практическую задачу: упрощает модель, снижает вычислительную нагрузку и делает интерпретацию результатов более чёткой — вне зависимости от сложности самой модели.

Структурный домен определяет кинематику разрушения, геомеханический — описывает состояние и свойства породного массива.

Границы этих домены чаще всего не совпадают. Два участка с разной ориентацией трещин могут иметь одинаковые физико-механические свойства и войти в один геомеханический домен. И наоборот — в пределах одного структурного домена GSI может существенно меняться из-за выветривания или других изменений пород.

Как на практике определяются границы структурных доменов — расскажем в следующих публикациях.

Источник:
🔗 https://www.lopproject.com/guidelines-for-open-pit-slope-design-2009/

Сайт | Телеграм

Автор: Иван Гузеев