Scientia | Геомеханика и Геотехника

Для Scientia ⭐️ построение сетки всегда было одним из самых сложных этапов трехмерного численного моделирования. Построить качественную сетку для карьера с большим количеством разломов и литотипов могут лишь единицы по всей стране. Поэтому вместо того, чтобы строить сетку вручную, мы автоматизировали процесс с помощью ChatGPT (Codex) и стандартных инструментов для генерации сеток.

Codex выполнил 480 итераций разработки алгоритма построения сетки. Алгоритм который дал наилучший результат, следующий:

1️⃣ Исходные данные - файлы STEP, содержащие поверхность рельефа, геометрию карьера и поверхности четырех тектонических нарушений.
Алгоритм строил линии пересечения поверхностей, удалял короткие сегменты по заданному пороговому значению и подготавливал геометрию к построению сетки.

2️⃣ Затем Codex выполнял перестроение поверхностной сетки.
Основная задача заключалась в улучшении качества элементов поверхности, особенно вблизи линий пересечения, где обычно в первую очередь появляются элементы плохого качества.

3️⃣ Объемная сетка строится ИИ методом Делоне с применением открытого программного пакета Gmsh.
Gmsh хорошо подходит для такого процесса, поскольку имеет командную строку, хорошую документацию и позволяет управлять построением сетки с помощью скриптов.

4️⃣ После этого проводилась проверка качества сетки и локальное исправление проблемных участков. Поскольку целевой расчетный метод основан на явной схеме конечно-дискретных элементов (FDEM), одним из основных критериев качества была выбрана минимальная высота элемента.

5️⃣ Визуализация осуществлялась Codex-ом в ParaView. Он автоматически создавал сцену ParaView, открывал модель и отображал итоговую сетку с выделением худших 10 элементов. Также ИИ готовил статистическую информацию о сетке.

Как итог, получена качественная сетка без вырожденных тетраэдров, которая будет оптимальна для трёхмерных расчётов методом конечно-дискретных элементов (FDEM).

➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка  📞 Telegram  📱 LinkedIn  📱 Youtube  📱 VK  💬 Блог  📚 Wiki

💬 КЗУ vs КЗП: В чем разница и почему их нельзя путать?

🔸 КЗУ (Коэффициент запаса устойчивости)

1️⃣ Что это?
Глобальный показатель характеризующий равновесие всей системы (откоса, борта карьера, отвала, склада).
2️⃣ Суть
Это отношение сил, удерживающих массив, к силам, стремящимся сдвинуть его по определенной поверхности ослабления (скольжения).
3️⃣ Применение
Расчет устойчивости уступов, бортов карьеров, отвалов, складов.
4️⃣ Методы
Чаще всего это методы предельного равновесия (МПР) — Спенсер, Бишоп, Моргенштерн-Прайс, Сарма.
5️⃣ Результат
Если КЗУ ≥ 1.0, массив теоретически неподвижен, иначе говоря находится в состоянии предельного равновесия. Но на практике норматив всегда выше (например, 1.2–1.5) для учета рисков.

🔸 КЗП (Коэффициент запаса прочности)

1️⃣ Что это?
Локальный показатель оценивает состояние материала в конкретной точке (в ячейке численной модели).
2️⃣ Суть
Это отношение предела прочности породы к фактически действующему в этой точке напряжению.
3️⃣ Применение
Проектирование крепи подземных выработок, анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) массива вокруг выработок или целиков.
4️⃣ Методы
Численное моделирование (МКЭ, МКДЭ).
В практике чаще всего используются критерии прочности Кулона-Мора или Хука-Брауна.
5️⃣ Результат
Показывает зоны пластических деформаций. Если в точке КЗП < 1, там начинается разрушение породы.

📚 Практический пример
Возможна ситуация:
КЗУ = 1.35 (устойчиво)
КЗП = 0.9 (прочности не хватает)

Глобального оползания откоса нет, но в массиве возникают зоны разрушения, которые могут:
🔸привести к вывалам, появлениям локальных деформаций;
🔸снизить долговечность устойчивости борта;
🔸вызвать прогрессирующую потерю устойчивости.

💡 Главный инсайт
Вы можете иметь КЗП < 1 в нескольких точках (локальные вывалы или зоны трещиноватости), но при этом общий КЗУ системы останется в норме. И наоборот: порода может быть сверхпрочной, но из-за неудачной геометрии откоса, неблагоприятных систем трещин весь блок целиком съедет по слабой прослойке (поверхности скольжения).

📌 Вывод
КЗУ и КЗП — это не взаимозаменяемые показатели.
Для корректной оценки состояния массива важно анализировать оба параметра, поскольку КЗУ контролирует устойчивость геометрии, а КЗП — состояние и разрушение пород.

➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

🚀 Обновление ScientiaJoints 3.4.9

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

⛏️ 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.

🔸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.

Есть два варианта установки. Extension выбирайте в большинстве случаев — он устанавливается проще и уже содержит всё необходимое; обычную версию используйте только если Extension не подходит вашей версии Blender. Одновременно устанавливать оба варианта не нужно.

🔗 Файлы расширения доступны на GitHub и прикреплены к сообщению ниже.


➖➖➖➖➖➖➖➖➖➖
📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

🧈 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.

1️⃣ 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.

2️⃣ 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.

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.

3️⃣ 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.

👩‍💻 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.

➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

📡 Классификация трещин и механизм их формирования. Часть 2

⭐️ В этом посте мы продолжаем трещиноватость не только как элемент геологического описания, но и как практический фактор, который влияет на геомеханические свойства массива, документацию керна, картирование бортов карьера и последующие расчёты устойчивости.

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.

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.

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.

➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

📚 Типы трещин и механизмы их формирования. Часть 1

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.

1️⃣ 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.

2️⃣ 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.

3️⃣ 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.

➖➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

⭐️ Вот и завершающая часть нашей серии постов про геомеханические рейтинги для откосов

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

✍️ 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:
🔗 https://disk.yandex.ru/i/_Gsn2Jckh6klTQ

➖➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

Продолжаем нашу серию постов о рейтинговых системах для откосов.

⭐️ SSPC и SSR: вероятностный и крупномасштабный подход

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

Метод включает три этапа:
🔸 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.

📚 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 применения SSR определяется допустимый безопасный угол откоса при заданной высоте и коэффициенте запаса.

Источники:
🔗 https://disk.360.yandex.ru/i/JgqEwkRIawwnWQ
🔗https://disk.yandex.ru/i/SfmS1mrBsyqgsQ

➖➖➖➖➖➖➖➖➖➖

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

💬 Структурные и геомеханические домены: в чём разница?

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

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.

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.

➖➖➖➖➖➖➖➖➖➖

🔔 Напоминаем, что вы можете подписаться на нашу новую Email-рассылку по ссылке ниже:

📧 Рассылка 📞 Telegram 📱 LinkedIn 📱 Youtube 📱 VK 💬 Блог 📚 Wiki

🚀 Коллеги, информируем вас о запуске email-рассылки от нашей компании.

В ней будет две рубрики.

В первой мы будем делиться нашим опытом, знаниями и полезными материалами по геомеханике.
Во второй — рассказывать о новых продуктах Scientia, обновлениях программ, практических кейсах и услугах компании.

Это удобный способ получать важную и полезную информацию прямо на рабочую почту — даже если вы не заходите в соцсети каждый день.

✨ Подпишитесь: https://scientia.ru/subscribe