gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2025-07-1104gscience-1104Research ArticleDIGITAL TECHNOLOGIES AND ARTIFICIAL INTELLIGENCEЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТFormation of inelastic deformation zones based on numerical modelingФормирование зон неупругих деформаций на примере цифрового математического моделированияhttps://orcid.org/0000-0002-1718-856XДеминВ. Ф.DeminV. F.

Владимир Федорович Демин – доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Караганда

Scopus ID 57212219714

Vladimir F. Demin – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Mineral Deposits Development

Karaganda

Scopus ID 57212219714

vladfdemin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5556-2217ВалиевН. Г.ValievN. G.

Нияз Гадым оглы Валиев – доктор технических наук, заместитель председателя ученого совета, заведующий кафедрой горного дела

г. Екатеринбург

Scopus ID 55749527900

SPIN-код 3886-5864

Niyaz G. Valiev – Dr. Sci. (Eng.), Deputy Chairman of the Academic Council, Head of the Mining Department; General Director, Mining Industry Association of the Urals

Yekaterinburg

Scopus ID 55749527900

SPIN 3886-5864

Niyaz.Valiev@m.ursmu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9485-3669АхматнуровД. Р.AkhmatnurovD. R.

Денис Рамильевич Ахматнуров – PhD, заведующий лабораторией метановой энергетики

г. Караганда

Scopus ID 57194187849

SPIN-код 1396-9321

Denis R. Akhmatnurov – PhD, Head of the Methane Energy Laboratory

Karaganda

Scopus ID 57194187849

SPIN 1396-9321

d.akhmatnurov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1206-6889МусинР. А.MussinR. A.

Равиль Альтавович Мусин – PhD, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Караганда

Scopus ID 7005446397

Ravil A. Mussin – PhD, Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development

Karaganda

Scopus ID 7005446397

R.A.Mussin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0628-2654ЗамалиевН. М.ZamaliyevN. M.

Наиль Мансурович Замалиев – PhD, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Караганда

Scopus ID 57194194006

Ravil A. Mussin – PhD, Associate Professor of the Department of Mineral Deposits Development

Karaganda

Scopus ID 7005446397

nailzamaliev@mail.ruКарагандинский технический университет имени Абылкаса СагиноваКазахстанAbylkas Saginov Karaganda Technical UniversityKazakhstanУральский государственный горный университетРоссияUral State Mining UniversityRussian Federation20262004202611190102Copyright © Demin V.F., Valiev N.G., Akhmatnurov D.R., Mussin R.A., Zamaliyev N.M., 20262026Демин В.Ф., Валиев Н.Г., Ахматнуров Д.Р., Мусин Р.А., Замалиев Н.М.Demin V.F., Valiev N.G., Akhmatnurov D.R., Mussin R.A., Zamaliyev N.M.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/1104

Comprehensive consideration of the geomechanical and structural characteristics of the rock mass is a prerequisite for ensuring the safety and efficiency of underground mining operations. The key parameters that must be incorporated into computational models include the physical, mechanical and strength properties of rocks, their degree of fracturing, as well as the initial and mining-induced stress state of the rock mass. This study investigates geomechanical criteria for determining support parameters of development workings under conditions of plastic deformation. The methodological framework is based on a combination of theoretical analysis, finite element numerical modeling using the RS2 software package (Rocscience), and generalization of experimental data on the properties of host rocks. This approach enabled a detailed analysis of the stress-strain state of the rock mass at various stages of mining operations, including the roadway junction where a new roadway is driven from an existing excavation and its subsequent development. The modeling results established the spatial boundaries of deformation zones: the depth of developed inelastic deformation reaches 0.6–0.7 m from the excavation boundary, while the elastoplastic deformation zone extends to 1.8–1.9 m. Stress analysis showed that in the abutment pressure zone ahead of the excavation face, stresses reach values of 20.48 MPa, which is about 25% higher than the in-situ stress level at a depth of 600 m. Analysis of the Factor of Safety (FoS) revealed local zones with FoS < 1 in the junction zone, indicating the need for reinforcement of the support system. The results provide a scientifically substantiated basis for predicting the geomechanical state of the rock mass and for selecting rational support parameters, thereby improving excavation stability, reducing maintenance requirements, and enhancing industrial safety in underground coal mining.

Комплексный учет геомеханических и структурных характеристик горного массива является обязательной основой для обеспечения безопасности и эффективности подземных горных работ. Критически важными параметрами, подлежащими включению в расчетные модели, выступают физико-механические и прочностные свойства пород, степень их трещиноватости, а также исходное и техногенно-измененное напряжённое состояние массива. Исследование направлено на геомеханическое обоснование параметров крепления подготовительных выработок в условиях развития пластических деформаций. Методическая база основана на сочетании теоретического анализа, численного моделирования методом конечных элементов в программном комплексе RS2 (Rocscience) и обобщения экспериментальных данных о свойствах вмещающих пород, что позволило детально проанализировать напряжённо-деформированное состояние массива на различных стадиях проведения горных работ, включая засечку новой выработки и её последующее развитие. В результате моделирования установлены пространственные границы зон деформирования: глубина развитых неупругих деформаций составляет 0,6–0,7 м от контура выработки, область упругопластического деформирования достигает 1,8–1,9 м. Анализ напряжённого состояния показал, что в зоне опорного давления перед забоем напряжения достигают 20,48 МПа, что на 25 % превышает природный уровень на глубине 600 м. С применением коэффициента запаса прочности FoS выявлены локальные участки с FoS < 1 в районе засечки, количественно подтверждающие необходимость усиления крепи. Полученные результаты позволяют сформировать научно обоснованный подход к прогнозированию геомеханического состояния массива и выбору рациональных параметров крепи, что способствует повышению устойчивости выработок, снижению объемов ремонтных работ и увеличению уровня промышленной безопасности при подземной разработке угольных месторождений.

горное делоподземные горные работыгорные выработкикрепьпараметрыгеомеханикагеомеханические процессыанкерная крепьмоделированиеаналитическое моделированиенапряжённо-деформированное состояниегорное давлениемассив горных породметодиказависимостиметод конечных элементовminingunderground miningdevelopment workingsrock supportparametersgeomechanicsgeomechanical processesrock boltingmodelinganalytical modelingstress-strain staterock pressurerock massmethodologyrelationshipsfinite element methodИсследование выполнено при поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образова- ния Республики Казахстан в рамках программно-целевого финансирования по реализации научной и научно-технической программы ИРН BR24992803.This study was supported by the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan under the targeted funding program for the implementation of a scientific and scientific- technical program, IRN BR24992803.ReferencesDjaksimuratov K. M., O’telbayev A. A., O’razmatov J. I., Mnajatdinov D. M. Properties of coal, processes in coal mining companies, methods of coal mining in the world. Journal NX. 2021;7(10):231–236. URL: https://repo.journalnx.com/index.php/nx/article/view/3681/3548Djaksimuratov K. M., O’telbayev A. A., O’razmatov J. I., Mnajatdinov D. M. Properties of coal, processes in coal mining companies, methods of coal mining in the world. Journal NX. 2021;7(10):231–236. URL: https://repo.journalnx.com/index.php/nx/article/view/3681/3548Batyrkhanova A., Tomilov A., Zhumabekova A., Abekov U., Demin V. Developing technological schemes of driving workings with controlled resistance of contours. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2019;(3):22–28. https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-3/2Batyrkhanova A., Tomilov A., Zhumabekova A., Abekov U., Demin V. Developing technological schemes of driving workings with controlled resistance of contours. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2019;(3):22–28. https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-3/2Akhmatnurov D., Zamaliyev N., Mussin R., Demin V., Tolovkhan B., Ganyukov N., Skrzypkowski K., Korzeniowski W., Stasica J., Rak Z. Geomechanical modeling of the Northern Katpar Deposit (Kazakhstan): Assessing the Impact of Rock Mass Disturbance on Stability Safety Factor. Mining. 2025;5(4):73. https://doi.org/10.3390/mining5040073Akhmatnurov D., Zamaliyev N., Mussin R., Demin V., Tolovkhan B., Ganyukov N., Skrzypkowski K., Korzeniowski W., Stasica J., Rak Z. Geomechanical modeling of the Northern Katpar Deposit (Kazakhstan): Assessing the Impact of Rock Mass Disturbance on Stability Safety Factor. Mining. 2025;5(4):73. https://doi.org/10.3390/mining5040073Budi G., Rao K. N., Mohanty P. Field and numerical modelling on the stability of underground strata in longwall workings. Energy Geoscience. 2023;4(1):1–12. https://doi.org/10.1016/j.engeos.2022.07.003Budi G., Rao K. N., Mohanty P. Field and numerical modelling on the stability of underground strata in longwall workings. Energy Geoscience. 2023;4(1):1–12. https://doi.org/10.1016/j.engeos.2022.07.003Xiong Y., Kong D., Wen Z. et al. Analysis of coal face stability of lower coal seam under repeated mining in close coal seams group. Scientific Reports. 2022;12(1):1–14. https://doi.org/10.1038/s41598-021-04410-5Xiong Y., Kong D., Wen Z. et al. Analysis of coal face stability of lower coal seam under repeated mining in close coal seams group. Scientific Reports. 2022;12(1):1–14. https://doi.org/10.1038/s41598-021-04410-5Nehrii S., Nehrii T., Zolotarova O., Volkov S. Investigation of the geomechanical state of soft adjoining rocks under protective constructions. Rudarsko-Geološko-Naftni Zbornik. 2021;36(4):61–71. https://doi.org/10.17794/rgn.2021.4.6Nehrii S., Nehrii T., Zolotarova O., Volkov S. Investigation of the geomechanical state of soft adjoining rocks under protective constructions. Rudarsko-Geološko-Naftni Zbornik. 2021;36(4):61–71. https://doi.org/10.17794/rgn.2021.4.6Lama B., Momayez M. Review of non-destructive methods for rock bolts condition evaluation. Mining. 2023;3(1):106–120. https://doi.org/10.3390/mining3010007Lama B., Momayez M. Review of non-destructive methods for rock bolts condition evaluation. Mining. 2023;3(1):106–120. https://doi.org/10.3390/mining3010007Цай Б. Н., Судариков А. Е. Механика подземных сооружений. Караганда: КарГТУ; 2007. 159 c.Цай Б. Н., Судариков А. Е. Механика подземных сооружений. Караганда: КарГТУ; 2007. 159 c.Taran I. Interrelation of circular transfer ratio of double-split transmissions with regulation characteristic in case of planetary gear out-put. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2012;(3):78–85.Tsay B. N., Sudarikov A. E. Mechanics of underground structures. Karaganda: KarGTU; 2007. 159 p. (In Russ.)Huang W., Liu S., Gao M. et al. Improvement of reinforcement performance and engineering application of small coal pillars arranged in double roadways. Sustainability. 2022;15(1):292. https://doi.org/10.3390/su15010292Taran I. Interrelation of circular transfer ratio of double-split transmissions with regulation characteristic in case of planetary gear out-put. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2012;(3):78–85.Дeмин В. Ф., Дeмина Т. В., Кайназаров А. С., Кaйназарова А. С. Оценка эффективности применения технологических схем проведения выработок для повышения устойчивости их контуров. Устойчивое развитие горных территорий. 2018;10(4):606–617. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2018-10-4-606-616Huang W., Liu S., Gao M. et al. Improvement of reinforcement performance and engineering application of small coal pillars arranged in double roadways. Sustainability. 2022;15(1):292. https://doi.org/10.3390/su15010292Shashenko A., Gapieiev S., Solodyankin A. Numerical simulation of the elastic-plastic state of rock mass around horizontal workings. Archives of Mining Sciences. 2009;54(2):341–348.Demin V. F., Demina T. V., Kaynazarov A. S., Kaynazarova A. S. Evaluation of the workings technological schemes effectiveness to increase the stability of their contours. Sustainable Development of Mountain Territories. 2018;10(4):606–617. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2018-10-4-606-616Nemova N. A., Stakhanov D., Hasan B., Zhumabekova A. E. Technological solutions development for mining adjacent rock mass and pit reserves taking into account geomechanical assessment of the deposit. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2020;(2):17–24. https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-2/017Shashenko A., Gapieiev S., Solodyankin A. Numerical simulation of the elastic-plastic state of rock mass around horizontal workings. Archives of Mining Sciences. 2009;54(2):341–348.Smoliński A., Malashkevych D., Petlovanyi, M. et al. Research into impact of leaving waste rocks in the mined-out space on the geomechanical state of the rock mass surrounding the longwall face. Energies. 2022;15(24):9522. https://doi.org/10.3390/en15249522Nemova N. A., Stakhanov D., Hasan B., Zhumabekova A. E. Technological solutions development for mining adjacent rock mass and pit reserves taking into account geomechanical assessment of the deposit. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2020;(2):17–24. https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-2/017Sotskov V., Saleev I. Investigation of the rock massif stress strain state in conditions of the drainage drift over-working. In: Pivnyak G., Bondarenko V., Kovalevs'ka I., Illiashov M. (Eds.) Mining of Mineral Deposits. CRC Press; 2013. Pp. 197–201. https://doi.org/10.1201/b16354-35Smoliński A., Malashkevych D., Petlovanyi, M. et al. Research into impact of leaving waste rocks in the mined-out space on the geomechanical state of the rock mass surrounding the longwall face. Energies. 2022;15(24):9522. https://doi.org/10.3390/en15249522Yang H., Han C., Zhang N. et al. Research and application of low density roof support technology of rapid excavation for coal roadway. Geotechnical and Geological Engineering. 2020;38:389–401. https://doi.org/10.1007/s10706-019-01029-2Sotskov V., Saleev I. Investigation of the rock massif stress strain state in conditions of the drainage drift over-working. In: Pivnyak G., Bondarenko V., Kovalevs'ka I., Illiashov M. (Eds.) Mining of Mineral Deposits. CRC Press; 2013. Pp. 197–201. https://doi.org/10.1201/b16354-35Bondarenko V., Symanovych G., Koval O. The mechanism of over-coal thin-layered massif deformation of weak rocks in a longwall. In: Bondarenko V., Kovalevs'ka I., Illiashov M., Pivnyak G. (Eds.) Geomechanical Processes During Underground Mining. CRC Press; 2012. Pp. 41–44. https://doi.org/10.1201/b13157-8Yang H., Han C., Zhang N. et al. Research and application of low density roof support technology of rapid excavation for coal roadway. Geotechnical and Geological Engineering. 2020;38:389–401. https://doi.org/10.1007/s10706-019-01029-2Bondarenko V., Symanovych G., Koval O. The mechanism of over-coal thin-layered massif deformation of weak rocks in a longwall. In: Bondarenko V., Kovalevs'ka I., Illiashov M., Pivnyak G. (Eds.) Geomechanical Processes During Underground Mining. CRC Press; 2012. Pp. 41–44. https://doi.org/10.1201/b13157-8Bondarenko V., Symanovych G., Koval O. The mechanism of over-coal thin-layered massif deformation of weak rocks in a longwall. In: Bondarenko V., Kovalevs'ka I., Illiashov M., Pivnyak G. (Eds.) Geomechanical Processes During Underground Mining. CRC Press; 2012. Pp. 41–44. https://doi.org/10.1201/b13157-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.