Выделение однородных зон по механическим свойствам поверхности трещин в откосе карьера на основе многопоказательной модели стекинга

Почему важна прочность скрытых трещин

Высоко над грузовиками и экскаваторами в карьере устойчивость террасированных стен из скальной породы определяет, будет ли рабочий день рутинным или обернётся катастрофой. Эти стены — не цельные блоки, а рассечены бесчисленными природными трещинами и швами, называемыми сочленениями. Состояние тонких поверхностей породы вдоль этих сочленений сильно влияет на то, удержит ли откос или потерпит разрушение. В этом исследовании показано, как современный, ориентированный на данные подход может картировать участки с похожим качеством сочленений по стене карьера, предоставляя более ясную и объективную картину того, где откосы наиболее безопасны, а где находятся в зоне повышенного риска.

Трещиноватая порода — не однородна

В карьере инженеры часто делят массив породы на «однородные зоны» — участки, где порода ведёт себя примерно одинаково. Традиционные системы, такие как давно используемые рейтинги качества горных пород, сводят множество наблюдений к единым баллам. Хотя это полезно для общих решений, такие подходы могут сглаживать мелкомасштабные различия, которые действительно имеют значение вдоль поверхностей сочленений. Сочленения различаются по прочности, по тому, как легко они разрушаются при чередовании увлажнения и высыхания, по степени выветривания и по плотности распределения. Рассматривать весь откос как однородный блок означает рисковать пропустить более слабые подсекции, где вероятность начала обрушения выше.

Измерение того, что действительно контролирует безопасность откосов

Авторы сосредоточились напрямую на механических свойствах стенок сочленений в большом карьере по добыче свинцово-цинковых руд в Юньнани, юго-западный Китай. Работая в пределах одного песчаникового пласта, они собрали 153 образца породы и тщательно измерили пять ключевых показателей. Сюда вошли: прочность поверхности сочленения на сжатие (через отскоковый молоток по обнажённым сочленениям), стойкость породы к крошению при повторном увлажнении и высыхании, два показателя, отражающие степень выветривания, и число сочленений на единицу длины. В совокупности эти измерения описывают вероятность того, что сочленения будут ослабевать, раскрываться и сдвигаться под весом откоса.

От полевых данных к интеллектуальному зонированию

Вместо того чтобы полагаться на одну шкалу оценки или один тип модели, исследователи использовали стратегию машинного обучения, называемую стекированной генерализацией. Проще говоря, несколько разных алгоритмов сначала изучают закономерности в данных и делают собственные прогнозы о том, к какой подсекции принадлежит каждый образец. Финальная «мета»-модель затем учится лучшим образом объединять эти мнения в единое, более надёжное решение. Чтобы система могла распознавать тонкие, искривлённые зависимости между пятью показателями и поведением породы, авторы расширили исходные измерения дополнительными квадратичными и попарными перемножениями, а затем использовали фильтр на основе информации, чтобы оставить только наиболее информативные признаки.

Четыре зоны — один откос

Используя 53 образца, подсекции которых были идентифицированы в поле, команда обучила и настроила шесть распространённых моделей машинного обучения, а затем построила стекинг-модель из трёх лучших исполнителей. Этот ансамбль достиг сбалансированной точности примерно 94 процента при классификации образцов на четыре подсекции, что заметно лучше любой отдельной модели. Оставшиеся 100 образцов, собранных в визуально неоднозначных участках, затем были отнесены к зонам с помощью стекинг-модели. Нанесение всех 153 классифицированных точек на геологическую карту карьера выявило четыре отчётливо различающиеся однородные зоны, охватывающие откос, каждая со своими типичными значениями прочности сочленений, степенью выветривания и плотностью сочленений.

Что это значит для безопасности карьеров

Для проектировщиков карьеров и инженеров по безопасности это означает более реалистичную карту того, где откосы изначально прочнее или слабее. Вместо того чтобы допускать, что один набор свойств породы применим повсеместно, они могут назначать разные механические параметры для каждой зоны в расчётах устойчивости и численных моделях. Это помогает сузить круг участков, где наиболее срочно требуется усиление, дренаж или изменение конструкции, одновременно избегая излишней консервативности в других местах. Хотя текущее исследование основано на одном песчаниковом карьере, подход опирается на измерения, которые можно провести в большинстве типов пород. При накоплении данных с других местностей эта стекинг-структура моделирования может стать стандартным способом перевода детальных измерений стенок сочленений в практические рекомендации по зонированию, обеспечивающие долгосрочную устойчивость откосов карьеров.

Цитирование: 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

Ключевые слова: устойчивость откосов, карьерная разработка, трещины в породе, машинное обучение, геотехническое зонирование