Wyznaczanie stref jednorodnych pod względem właściwości mechanicznych ściany spękań skalnych w odsłoniętej skarpie kopalni odkrywkowej w oparciu o model uogólnienia warstwowego z wieloma wskaźnikami

Dlaczego ma znaczenie wytrzymałość ukrytych spękań

Wysoko nad ciężarówkami i koparkami w kopalni odkrywkowej to stabilność stopniowanych ścian skalnych decyduje, czy dzień pracy będzie rutynowy, czy katastrofalny. Te ściany nie są monolitycznymi blokami, lecz przecięte niezliczonymi naturalnymi pęknięciami i spoinami, nazywanymi stawami (joints). Stan cienkich powierzchni skalnych wzdłuż tych stawów silnie wpływa na to, czy skarpa pozostanie stabilna, czy ulegnie osunięciu. Niniejsze badanie pokazuje, jak współczesne, oparte na danych podejście może zmapować obszary o podobnej jakości ścian stawów na ścianie kopalni, dostarczając jaśniejszego, bardziej obiektywnego obrazu miejsc, gdzie skarpy są najbezpieczniejsze i gdzie są najbardziej narażone.

Spękana skala nie jest wszędzie taka sama

W kopalni odkrywkowej inżynierowie często dzielą masyw skalny na „strefy jednorodne” — obszary, w których skała zachowuje się w przybliżeniu w podobny sposób. Tradycyjne systemy, takie jak długo stosowane oceny jakości skały, agregują wiele obserwacji do pojedynczych wskaźników. Choć przydatne dla decyzji ogólnych, mogą zacierać różnice w drobnej skali, które naprawdę mają znaczenie wzdłuż powierzchni stawów. Stawy różnią się wytrzymałością, tym, jak łatwo rozpadają się przy cyklicznym zwilżaniu i wysychaniu, stopniem wietrzenia oraz gęstością występowania. Traktowanie całej skarpy jako jednorodnego bloku niesie ryzyko przeoczenia słabszych podstref, w których awaria najprawdopodobniej się zacznie.

Pomiary tego, co naprawdę steruje bezpieczeństwem skarp

Autorzy skupili się bezpośrednio na właściwościach mechanicznych ścian stawów w dużej odkrywkowej kopalni ołowiu i cynku w Yunnan, południowo-zachodnich Chinach. Pracując w ramach jednej formacji piaskowcowej, zebrali 153 próbki skalne i dokładnie zmierzyli pięć kluczowych wskaźników. Należą do nich: wytrzymałość powierzchni stawu na ściskanie (mierzoną młotkiem odbojowym na odsłoniętych stawach), odporność skały na kruszenie przy powtarzającym się zwilżaniu i wysychaniu, dwa wskaźniki odzwierciedlające stopień wietrzenia oraz liczba stawów przecinających skałę na jednostkę długości. Razem te pomiary oddają prawdopodobieństwo osłabienia, rozszerzenia i poślizgu stawów pod ciężarem skarpy kopalni.

Od danych polowych do inteligentnej zonacji

Zamiast polegać na jednym systemie ocen lub pojedynczym typie modelu, badacze zastosowali strategię uczenia maszynowego zwaną uogólnieniem warstwowym (stacked generalization). W prostych słowach: kilka różnych algorytmów najpierw uczy się wzorców w danych i daje własne przewidywania, do której podstrefy należy każda próbka. Końcowy model „meta” uczy się następnie, jak najlepiej połączyć te opinie w jedno, bardziej wiarygodne rozstrzygnięcie. Aby pomóc systemowi rozpoznać subtelne, krzywoliniowe zależności między pięcioma wskaźnikami a zachowaniem skały, autorzy rozszerzyli surowe pomiary o dodatkowe wyrazy kwadratowe i krzyżowe, a następnie użyli filtra opartego na informacji, by zachować tylko te najbardziej informatywne.

Cztery strefy, jedna skarpa

Wykorzystując 53 próbki, których podstrefy zidentyfikowano w terenie, zespół wytrenował i wyregulował sześć powszechnych modeli uczenia maszynowego, a następnie zbudował model warstwowy z trzech najsilniejszych algorytmów. To złożenie osiągnęło zrównoważoną dokładność na poziomie około 94 procent w klasyfikacji próbek skalnych do czterech podstref, co znacząco przewyższało wyniki pojedynczego modelu. Pozostałe 100 próbek, zebranych z obszarów wizualnie niejednoznacznych, przypisano następnie do stref przy pomocy modelu warstwowego. Naniesienie wszystkich 153 sklasyfikowanych punktów na mapę geologiczną wyrobiska ujawniło cztery wyraźne strefy jednorodne obejmujące skarpę, z których każda charakteryzuje się odmienną wytrzymałością stawów, stanem wietrzenia i gęstością stawów.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych kopalni

Dla planistów kopalni i inżynierów bezpieczeństwa korzyść to bardziej realistyczna mapa miejsc, gdzie skarpy są z natury silniejsze lub słabsze. Zamiast zakładać, że jeden zestaw właściwości skały obowiązuje wszędzie, można przypisać różne parametry mechaniczne do każdej strefy w obliczeniach stabilności i symulacjach numerycznych. Pomaga to zawęzić obszary, gdzie wzmocnienia, odwadnianie lub zmiany projektu są pilnie potrzebne, przy jednoczesnym uniknięciu nadmiernej konserwatywności w innych miejscach. Choć obecne badanie opiera się na jednej kopalni piaskowcowej, podejście bazuje na pomiarach, które można wykonać w większości typów skał. Z dodatkowymi danymi z innych miejsc ta struktura modelowania warstwowego mogłaby stać się standardowym sposobem przekładania szczegółowych pomiarów ścian stawów na praktyczne, oparte na strefach wytyczne, które pomogą utrzymać stabilność skarp odkrywkowych w długim okresie.

Cytowanie: Yu, X., Zheng, A., Ye, J. et al. Delineating homogeneous zones for rock joint wall mechanical properties in open-pit mine slope based on a multi-indicator stacked generalization model. Sci Rep 16, 5117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35547-w

Słowa kluczowe: stabilność skarp, górnictwo odkrywkowe, spękania skalne, uczenie maszynowe, zonacja geotechniczna