Моделирование тектонических нарушений с применением связей конечной жёсткости с интеграцией в CAEFidesys
Ю.Ю. Головченко1, А.Е. Румянцев1, В.В. Лалин2, 3, М.А. Соннов4
1 ООО «Институт Гипроникель», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
3 Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы, г. Москва, Российская Федерация 4 ООО «Фидесис», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2025 стр. 78-84
Резюме: В статье представлена оригинальная методика моделирования тектонических нарушений в массивах горных пород с использованием связей конечной жёсткости, разработанная в рамках подхода метода конечных элементов. В отличие от традиционных методов, требующих явного построения геометрии разломов и сопряжения их с другими структурными элементами модели, предложенный подход позволяет задать тектонические нарушения в неявной форме. Это достигается путём введения специальных пружинных элементов между узлами сетки, обладающих регулируемой жёсткостью в определённых направлениях. Такой способ описания ослабленных зон не требует модификации основной геометрии модели, упрощает её топологию и повышает устойчивость численного расчёта. Методика реализована в виде автономной надстройки, написанной на языке Python, и используется совместно с отечественным программным комплексом CAEFidesys. Надстройка автоматически формирует список связей конечной жёсткости по заданным координатам разломов, назначает параметры жёсткости и интегрируется в расчётную схему без необходимости вмешательства в интерфейс базовой программы. Разработанный инструмент протестирован на ряде задач геомеханики и успешно верифицирован на основе сравнений с теоретическими и эмпирическими результатами. Кроме того, в статье приводятся рекомендации по выбору параметров пружинных элементов в зависимости от геологического строения массива, степени тектонической нарушенности и особенностей инженерной задачи. Разработанная методика может быть эффективно использована при проектировании горных выработок, инженерной оценке устойчивости пород в сейсмоактивных районах, а также при геомеханическом сопровождении освоения месторождений. Её применение особенно актуально в условиях сложной геологической структуры и наличия множественных пересекающихся разломов, где классические методы моделирования сталкиваются с серьёзными вычислительными и методологическими ограничениями.
Ключевые слова: тектонические нарушения, численное моделирование, метод конечных элементов, связи конечной жёсткости, CAEFidesys, ослабленные зоны, геомеханика, пружинные элементы, инженерная геология
Для цитирования: Головченко Ю.Ю., Румянцев А.Е., Лалин В.В., Соннов М.А. Моделирование тектонических нарушений с применением связей конечной жёсткости с интеграцией в CAE Fidesys. Горная промышленность. 2025;(4): 78–84. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4-78-84
Информация о статье
Поступила в редакцию: 09.05.2025
Поступила после рецензирования: 18.06.2025
Принята к публикации: 21.06.2025
Информация об авторах
Головченко Юрий Юрьевич – научный сотрудник лаборатории геотехники, ООО «Институт Гипроникель», г. СанктПетербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0003-2980-2173; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Румянцев Александр Евгеньевич – кандидат технических наук, заведующий лабораторией геотехники, ООО «Институт Гипроникель», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-2204-961X; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Лалин Владимир Владимирович – доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация;Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0003-3850-424X
Соннов Максим Александрович – действительный член Академии горных наук, заместитель генерального директора ООО «Фидесис», г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0004-3932-5571; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Список литературы
1. Weiss R., Gandolfi S. Nuclear three-body short-range correlations in coordinate space. arXiv:2301.09605. https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.09605
2. Егорова И.В. Перспективы мирового рынка природного урана. Руды и металлы. 2023;(1):6–16. https://doi. org/10.47765/0869-5997-2023-10001 Egorova I.V. Prospects for the natural uranium world market. Ores and Metals. 2023;(1):6–16. (In Russ.) https://doi.org/10.47765/0869-5997-2023-10001
3. Сендеров С.М. Воспроизводство минерально-сырьевой базы ТЭК как важнейшая составляющая обеспечения энергетической безопасности России. В кн.: Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: материалы 96-го заседания Международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко, г. Архангельск, 15–19 июля 2024 г. Иркутск: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН; 2024. С. 40–50.
4. Ибламинов Р.Г. Геолого-промышленные типы месторождений полезных ископаемых. Рудные месторождения. Пермь: ПГНИУ; 2021. 278 с. Режим доступа: https://elis.psu.ru/node/642780 (дата обращения: 21.04.2025).
5. Никитенко С.М., Патраков Ю.Ф., Никитенко М.С., Кизилов С.А., Харлампенкова Ю.А. Геотехнологические перспективы использования радиационных свойств угля и породы. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021;(6):181–189. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20210617 Nikitenko S.M., Patrakov Y.F., Nikitenko M.S., Kizilov S.A., Kharlampenkova Y.A. Radiation properties of coal and barren rocks: geotechnical applications. Journal of Mining Science. 2021;57(6):1041–1048. https://doi.org/10.1134/S106273912106017X
6. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Уран в углях. Сыктывкар; 2001. 84 с.
7. Сидорова Г.П., Крылов Д.А. Радионуклиды в углях и продуктах их сжигания. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2016;61(2):75–78. Режим доступа: https://medradiol.fmbafmbc.ru/issues?id=328 (дата обращения: 21.04.2025). Sidorova G.P., Krylov D.A. Radioactive elements in coals and their combustion products. Medical Radiology and Radiation Safety. 2016;61(2):75–78. Available at: https://medradiol.fmbafmbc.ru/issues?id=328 (accessed: 21.04.2025).
8. Арбузов С.И., Ильенок С.С., Чекрыжов И.Ю. Радиоактивные элементы (U, TH) в углях Северной Азии. В кн.: Язиков Е.Г. (ред.) Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: материалы 4-й Международной конференции, г. Томск, 20–24 сент. 2021 г. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет; 2021. С. 55–62.
9. Борисенко Д.И., Семенов Е.В. Экономический ущерб от подземных пожаров в Китае и России. В кн.: Наука и общество 2019: материалы Национальной научной конференции с международным участием, г. Кърджали (Болгария), 2-3 окт. 2019 г. Кърджали: Издава «РКР Принт» ООД; 2019. Т. 7. С. 495–500.
10. Менделеев Д.И. Нефтяная промышленность в Северо-Американском штате Пенсильвании и на Кавказе. СПб.: тип. т-ва «Обществ. польза»; 1877. 304 с.
11. Ковальчук М.В., Нарайкин О.С., Яцишина Е.Б. Природоподобные технологии: новые возможности и новые вызовы. Вестник Российской академии наук. 2019;89(5):455–465. https://doi.org/10.31857/S0869-5873895455-465 Kovalchuk M.V., Naraikin O.S., Yatsishina E.B. Nature-like technologies: new opportunities and new challenges. Vestnik Rossiiskoy akademii nauk. 2019;89(5):455–465. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0869-5873895455-465
12. Волков В.Г., Чесноков А.В.; Пономарев-Степной Н.Н. (ред.) Реабилитация радиационного наследия. Научно-технический опыт Курчатовского института. М.: ИздАТ; 2008. 119 с.
13. Новоселов С.В., Попов В.Б., Голик А.С. Оценка риска возникновения эндогенных пожаров в угольных шахтах. Уголь. 2020;(5):21–25. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2020-5-21-25 Novoselov S.V., Popov V.B., Golik A.S. Risk assessment of endogenous fires in coal mines. Ugol’. 2020;(5):21–25. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2020-5-21-25
14. Голынская Ф.А. Степень метаморфизма как главный генетический признак самовозгорающихся углей. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013;(7):164–169. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2013/7/164-169-Golinskaya_-_6_str.pdf (дата обращения: 21.04.2025). Golynskaya F.A. Metamorphism intensity as the main genetic trait of self-combustion coal. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2013;(7):164–169. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2013/7/164-169-Golinskaya_-_6_str.pdf (accessed: 21.04.2025).
15. Сидорова Г.П., Маниковский П.М., Якимов А.А., Овчаренко Н.В. Оценка потенциальной опасности углей и отходов их переработки на угольных месторождениях Приаргунской группы Забайкальского края. Горный информационноаналитический бюллетень. 2024;(12):62–77. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2024/12/12_2024_62-77. pdf (дата обращения: 21.04.2025). Sidorova G.P., Manikovskiy P.M., Yakimov A.A., Ovcharenko N.V. Hazard assessment of coals and processing waste in the Argun area in Transbaikalia. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(12):62–77. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2024/12/12_2024_62-77.pdf (accessed: 21.04.2025).
16. Голынская Ф.А. Оценка геологических факторов самовозгорания углей ведущих угольных бассейнов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010;(11):193–203. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2010/11/Golynskaya_11_2010.pdf (дата обращения: 21.04.2025). Golynskaya F.A. The evaluation of coal ignitability factors at the largest coal basins. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2010;(11):193–203. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2010/11/Golynskaya_11_2010.pdf (accessed: 21.04.2025).
17. Крылов Д.А., Сидорова Г.П. Оценка содержания радиоактивных элементов в углях и продуктах их сжигания. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(7):369–376. Krylov D.A., Sidorova G.P. Evaluation of the content of radioactive elements in coals and products of combustion. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(7):369–376. (In Russ.)
18. Anghelescu L., Diaconu B.M. Advances in detection and monitoring of coal spontaneous combustion: techniques, challenges, and future directions. Fire. 2024;7(10):354. https://doi.org/10.3390/fire7100354
19. Коршунов Г.И., Мироненкова Н.А., Полещук А.А. Актуальные методы определения очагов самовозгорания на угольных шахтах. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(5):169–180. Режим доступа: https://giabonline.ru/files/Data/2025/5/04_2025_169-180.pdf (дата обращения: 21.04.2025). Korshunov G.I., Mironenkova N.A., Poleshchuk A.A. The topical methods of detecting spontaneous combustion sources in coal mines. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2025;(5):169–180. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2025/5/04_2025_169-180.pdf (accessed: 21.04.2025).
20. Борисенко Д.И. Акустический способ диагностики очагов пожаров в угольных пластах. Уголь. 2013;(9):44–45. Borisenko D.I. Acoustic method of the fire centers diagnostics in coal layers. Ugol’. 2013;(9):44–45. (In Russ.)
21. Kong B., Zhong J., Lu W., Hu X., Gao L., Zhuang Z. et al. Progress in the study of acoustic effects and precursor characteristics during spontaneous combustion of coal. Coal Science and Technology. 2025;53(2):211–221. (In Chinese) https://doi.org/10.12438/cst.2024-0157
22. Lee M.R. et al. Vibroseis application becoming world-wide. World Petroleum. 1963;34(3):85.
23. Pietsch K., Slusarczyk R., Dec J. O możliwości lokalizowania stref bezpokładowych przy zastosowaniu sejsmiki węglowej. Zeszyty naukowe politechniki slaskiej. Serie: Gornictwo. 1987;155(1021):157–170.
24. Потапов С.Л. Контроль перемещения фронта горения и состояния кровли при подземном сжигании угля с использованием взрывных сигнализаторов [дис. ... канд. техн. наук]. М.; 1990. 164 с.
25. Гладун Ю.В. Разработка сейсмоакустических методов контроля границ выработанного пространства при подземном сжигании угля [автореф. дис. … канд. техн. наук]. М.; 1990. 19 с.
26. Лебедев В.А., Карабута В.С. Проблемы обеспечения радиационной безопасности в нефтедобывающей промышленности России. Молодой ученый. 2016;(1):257–261. Режим доступа: https://moluch.ru/archive/105/24728/ (дата обращения: 21.04.2025). Lebedev V.A., Karabuta V.S. Problems of the provision of the radiation safety in the oil industry of Russia. Molodoi Uchenyi. 2016;(1):257–261. (In Russ.) Available at: https://moluch.ru/archive/105/24728/ (accessed: 21.04.2025).
