Тема 1. Геомеханическая модель массива

Современные геомеханические модели представляют собой цифровые аналоги горных массивов, объединяющие в себе разнородные данные о структуре, свойствах и состоянии горных пород. Их цель — достоверное воспроизведение напряженно-деформированного состояния (НДС) массива для обеспечения безопасности и эффективности горных работ.

Понятие геомеханической модели введено ФНиП "Правила обеспечения устойчивости бортов карьеров..." (Приказ РТН №439). Данным документом требуется наличие модели месторождения, отрабатываемого объектом ОГР II класса опасности либо комбинированным способом. Согласно ФНиП 439 модель может составляться в 2D или 3D.

Трёхмерная геомеханическая модель обычно разрабатывается в ГГИС системах (Micromine, Leapfrog и т.п.) в виде каркасной геологической модели руды и вмещающих пород, и блочной модели, содержащей геомеханические показатели горных пород месторождения. Последнюю могут также называть геомеханической моделью или моделью породного массива.

Двухмерная геомеханическая модель может представлять собой планы и разрезы, которые должны содержать информацию о геологических, инженерно-геологических, структурно-геологических и гидрогеологических особенностях. Пополнение геомеханической модели согласно п. 20 должно производиться не реже одного раза в год.

Ключевые компоненты геомеханической модели:

1. Геолого-структурная модель. Включает пространственное распределение литотипов, тектонических нарушений (разломов, трещин), складчатых структур. Используется как основа для построения расчетной сетки и идентификации слабых зон;
2. Качество массива. Оценивается по классификациям Q, RMR, GSI и другим. Эти параметры важны как для калибровки расчетной модели, так и для первичной интерпретации данных, полученных из скважин или каротажа;
3. Механические свойства пород. Включают модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел прочности на сжатие/растяжение/сдвиг и параметры разрушения (например, критерий Мора-Кулона или Хук–Брауна).
4. Гидрогеологические данные (при наличии водоносных горизонтов). Давление поровой воды, проницаемость и насыщенность могут существенно влиять на устойчивость массива;

Геомеханические модели становятся основным инструментом для:

• Выявления потенциально опасных зон;
• 3D-расчетов напряженно-деформированного состояния;
• Обеспечения устойчивости горных выработок.

Тема 2. Создание геомеханической модели

Цель построения геомеханической модели — получение объемного цифрового представления массива горных пород с привязкой к реальному распределению его физико-механических характеристик и рейтингов качества. Такая модель служит основой для дальнейшего анализа напряженно-деформированного состояния, прогнозов устойчивости выработок, а также проектирования технологических решений в подземной добыче.

Сбор исходных данных
Первый этап — тщательный сбор и анализ всех доступных данных о строении и состоянии массива. На этом этапе используются:

• Геологические карты, разрезы и сечения — для определения формы, протяженности и положения рудных тел, литологических контактов, тектонических нарушений;
• Результаты бурения — информация по литологии, трещиноватости, показателям RQD, глубинам разломов;
• Картирование массива — визуальные наблюдения в выработках, структурное картирование, съёмка трещиноватости с использованием цифровых планшетов или фотограмметрии;
• Лабораторные испытания — определение прочностных и деформационных характеристик пород (σc, σt, E, ν, φ, c и др.);
• Геофизические исследования — акустическая теледиагностика, георадар, сейсморазведка, методы электротомографии.

Чем более детализированы и пространственно привязаны эти данные, тем выше точность построенной модели.

Построение каркасной модели
На основании геологических и структурных данных формируются:

1. Каркасная модель разломов — определяет геометрию и пространственное положение главных тектонических нарушений, которые могут контролировать устойчивость массива и влиять на распределение напряжений;
2. Литологическая модель — показывает границы между различными породными типами;
3. Модель структурных доменов — выделяет области массива с однородной трещиноватостью и механическим поведением.

Эти модели, как правило, строятся в виде полигонизированных поверхностей (каркасов), которые впоследствии используются для создания блочной модели.

Формирование блочной геомеханической модели
Блочная модель — это регулярная сетка (обычно кубы или параллелепипеды), каждая ячейка которой ассоциирована с уникальным набором свойств. В геомеханической модели блоки получают следующие параметры:

• Литотип (тип породы)
• Механические свойства: модуль Юнга (E), коэффициент Пуассона (ν), предел прочности на сжатие (σc), сдвиг (τ), растяжение (σt)
• Показатели трещиноватости (например, плотность трещин, ориентировка)
• Геомеханические рейтинги: Q, RMR, GSI и др.

Распределение этих параметров по блочной модели отражает пространственную изменчивость массива и позволяет проводить численные расчёты или анализ риска на конкретных участках рудника.

Программное обеспечение        
Для построения и интерпретации геомеханических моделей используются следующие программные комплексы:

• Micromine;
• Leapfrog;
• Datamine;
• Surpac;
• Rocscience, FLAC3D, RS3 — используются на следующем этапе для проведения механического моделирования на основе созданной блочной модели.

Тема 3. Применение геомеханической модели

Геомеханическая модель — это ключевой инструмент инженерного анализа, проектирования и адаптивного управления горными работами. Она используется как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации месторождений, позволяя учитывать реальное состояние массива и прогнозировать его поведение под нагрузкой.

Основные направления применения модели:

1. Выбор метода и технологии отработки. Геомеханическая модель позволяет определить рациональный метод добычи в зависимости от структуры массива, наличия зон ослабления, глубины разработки и напряжённого состояния. Например, при высокой степени трещиноватости предпочтение может быть отдано камерным или подэтажно-камерным системам, тогда как в устойчивых массивах возможно применение более экономичных систем с обрушением.
2. Оптимизация размещения выработок. С учётом литологии, трещиноватости и тектоники обеспечивается заложение выработок вне зон разломов или под неблагоприятными углами к ним, что снижает риски аварий и повышает долговечность крепи.
3. Оценка рисков обрушений и удароопасности. Модель позволяет выявить зоны потенциального обрушения, выполнить анализ факторов безопасности, смоделировать сейсмическую активность, а также рассчитать уровни напряжений, приводящих к разрушению. Используется при мониторинге и управлении рисками.
4. Адаптация проектных решений по мере накопления данных. Геомеханические модели являются динамическими: по мере получения новых буровых данных, результатов мониторинга, или изменения геометрии выработок, модель обновляется, и решения по крепи, технологии или последовательности отработки уточняются.

Тема 4. Специализированное применение моделей

Модель структурных доменов
Незаменима для следующих типов анализа:

• Кинематический анализ. Выполняется на основе трёхмерных ориентировок трещин. Позволяет определить углы устойчивых откосов в карьерах, особенно при расчётах возможных механизмов обрушения: отслоения, клинья, сдвиги по плоскости.
• Численное моделирование с DFN. DFN (Discrete Fracture Network) позволяет моделировать трещиноватость как совокупность дискретных трещин и учитывать её влияние на прочность и деформационные характеристики массива. Особенно важно для пород с выраженной анизотропией.
• Расчёты устойчивости с учётом направленности трещин. Обеспечивают более точную оценку реального поведения откоса или подземной выработки, особенно при наличии склонности к направленному сдвигу или раскалыванию массива.

Структурно-геологическая модель (макроструктурная)
Используется в проектировании для:

• Закладки выработок вне тектонических нарушений или по нормали к разломам, что снижает вероятность разуплотнения массива;
• Оценки устойчивости бортов карьеров, особенно в макроблочных породах;
• Прогноза НДС, с учётом контактов, зон ослабления и разломов при сложной геометрии выработок.

3D геомеханическая модель
Требуется для трёхмерного численного моделирования в средах типа RS3, FLAC3D, 3DEC, где учитываются:

• многослойность и анизотропия;
• стадии строительства выработок;
• текущее и прогнозируемое НДС;
• взаимодействие блоков, трещин, крепи и пластичных зон.

Применение геомеханических моделей позволяет перейти от эмпирических или изолированных инженерных решений к системному, научно обоснованному подходу, в котором проектирование и эксплуатация рудника опираются на объективные данные и численные прогнозы поведения массива.