Forecasting geodynamic phenomena based on highly reliable precursors of rock destruction and multi-channel recording technology

Author details

Vladimir V. Makarov,
Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russian Federation
Andrei M. Golosov
Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/2712-8008/2026.1.4

Improving the reliability of forecasting geodynamic phenomena (GDP), such as rock bursts during mining, is one of the most pressing issues in modern geomechanics, as mining operations in most countries worldwide are shifting to deep horizons. Currently used rock burst hazard criteria based on the "hazardous/non-hazardous" approach do not meet the increasing demands for forecast reliability. An alternative approach involves forecasting GDP based on precursors of geoenvironment failure; however, reliable precursors have not yet been developed. An effective technology for recording them is also lacking. In this article, highly reliable precursors of geodynamic phenomena of first-level geoenvironment failure are developed from the perspective of the geomechanics of highly compressed rocks and massifs. These precursors are considered critical points in the formation and development of mesofracture structures in rocks and massifs. The deformation and failure patterns of rock specimens in the pre-failure loading zone were investigated, and a system of highly reliable failure precursors was developed, including long-, medium-, and short-term precursors. The reliability of the precursors is ensured by the patterns of formation and development of mesofracture rock structures, established through comprehensive experimental and analytical studies. Precursor identification is based on the developed multichannel recording technology, ensuring the reliability of the GDP prediction at a level of 0.8–0.85. The practical significance of the conducted research and development lies in the possibility of using the GDP precursors at the next structural level of the geoenvironment (rock mass at the scale of mine workings) in accordance with the transit principle, which corresponds to the principle of the relationship between structural levels in the geomechanics of highly compressed rocks.

Keywords

geodynamic phenomenaforecastdestructionprecursor systemlongterm precursormedium-term precursorshort-term precursorrock samples

Прогнозирование геодинамических явлений на основе высоконадежных предвестников разрушения горных пород и многоканальной технологии регистрации

Решение проблемы повышения надежности прогноза геодинамических явлений, таких как горные удары при разработке месторождений, является одной из наиболее актуальных проблем современной геомеханики в связи с переходом горныхработ в большинстве стран мира на глубокие горизонты. Применяемые в настоящее время критерии удароопасности наоснове подхода «опасно-неопасно» не удовлетворяют возрастающим требованиям надежности прогноза. Альтернативныйподход заключается в прогнозе геодинамических явлений на основе предвестников разрушения геосреды, однако внастоящее время надежные предвестники не разработаны. Отсутствует также и эффективная технология их регистрации. В статье с позиций геомеханики сильно сжатых горных пород и массивов разработаны высоконадежные предвестники геодинамических явлений разрушения геосреды первого структурного уровня, рассматриваемые как критические точки процесса формирования и развития мезотрещинных структур горных пород и массивов. Исследованы закономерности деформирования и разрушения образ в горных пород в предразрушающей области нагружения, и разработана система высоконадежных предвестников разрушения, включающая долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный предвестники. Надежность предвестников обеспечивается закономерностями формирования и развития мезотрещинных структур горных пород, установленными в процессе всесторонних экспериментально-аналитических исследований. Идентификация предвестников производится на основе разработанной технологии многоканальной регистрации, обеспечивающей надежность прогноза геодинамических явлений на уровне 0,8–0,85. Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в возможности использовать предвестники геодинамических явлений разрушения на следующем структурном уровне геосреды (породный массив на масштабе горных выработок) в соответствии с принципом транзита, отвечающим принципу связи между структурными уровнями в геомеханике сильно сжатых горных пород.

Ключевые слова

геодинамические явленияпрогнозразрушениесистема предвестниковдолгосрочный предвестник среднесрочный предвестниккраткосрочный предвестникобразцы горных пород

Bibliography

1.Makarov, V.V. Development of geomechanics of highly compressed rocks and rock masses in Russia / V.V. Makarov, M.A. Guzev, V.N. Odintsev // Geohazard Mechanics. – 2025. – Vol. 3, no. 1. – P. 42–58. DOI: 10.1016/j.ghm.2025.02.002 Scholar
2.Keilis-Borok, V.I. Fundamentals of earthquake prediction: four paradigms / V.I. Keilis-Borok // Nonlinear dynamics of the lithosphere and earthquake prediction. – Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2003. – P. 1–36. DOI: 10.1007/978-3-662-05298-3_1 Scholar
3.Wang, C. Evolution, monitoring and predicting models of rockburst: Precursor information for rock failure / C. Wang. – Springer Nature, 2018. – 188 p. DOI: 10.1007/978-981-10-7548-3 Scholar
4.Богомолов, Л.М. Прогноз землетрясений в XXI веке: предыстория и концепции, предвестники и проблемы / Л.М. Богомолов, Н.А. Сычева // Геосистемы переходных зон. – 2022. – Т. 6, № 3. – С. 145–182. DOI: 10.30730/gtrz.2022.6.3.145-164.164-182 Scholar
5.Rockburst evolutionary process and energy dissipation characteristics / D. Song [et al.]. – Singapore: Springer, 2020. DOI: 10.1007/978-981-13-6279-8 Scholar
6.Numerical modeling for rockbursts: A state-of-the-art review / J. Wang [et al.] // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. – 2021. – Vol. 13, no. 2. – P. 457–478. DOI: 10.1016/j.jrmge.2020.09.011 Scholar
7.Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 2 декабря 2013 г. № 576). – М.: Недра, 2013. – 78 с. Scholar
8.Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (месторождение Олений ручей) / А.А. Козырев [и др.]. – 2015. Scholar
9.Рассказов, И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона / И.Ю. Рассказов. – М.: Горная книга, 2008. – 329 с. Scholar
10.Батугин, А.С. Геодинамические явления и триггерный эффект в разрушении массива пород на шахте Хуафэн / А.С. Батугин, В.Н. Одинцев, Юй Лицзян // Триггерные эффекты в геосистемах: Материалы IY Всерос. конф. – М.: ГЕОС, 2017. – C. 18. Scholar
11.Особенности гидрогеомеханического состояния массива при подработке водных объектов / М.А. Иофис, В.Н. Одинцев, Н.А. Милетенко, Н.А. Митишова // Комбинированная геотехнология: ресурсосбережение и энергоэффективность: тр. междунар. науч.-техн. конф. – Магнитогорск, 2017. – С. 168–171. Scholar
12.A catastrophic event in Rudna copper-ore mine in Poland on 29 November, 2016: what, how and why / S. Lasocki, B. Orlecka-Sicora, G. Mutke [at al.] // Proceedings of the Ninth International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines. – Santiago, Chile, 2017. – P. 316–324. Scholar
13.Seedsman, R.W. Application of rock-burst concepts to understanding the sudden collapse of ribs in coal mines / R.W. Seedsman // Proceedings of the Ninth International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines. –Santiago, Chile, 2017. – P. 297–303. Scholar
14.Van Aswegen, G. Seismic sources and rockburst damage in South Africa and Chile / G. Van Aswegen // Proceedings of the Ninth International Symposium on Rockbursts and Seismicity in Mines. –Santiago, Chile, 2017. – P. 72–86. Scholar
15.Durrheim, R.J. Mitigating the risk of rockbursts in the deep hard rock mines of South African: 100 years of research / R.J. Durrheim // Extracting the Science: a century of mining research. – 2010. – P. 156–171. Scholar
16.Cai, M. Prediction and prevention of rockburst in metal mines – A case study of Sanshandao gold mine / M. Cai // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. – 2016. – Vol. 8, no. 2. – P. 204–211. DOI: 10.1016/j.jrmge.2015.11.002 Scholar
17.Ortlepp, W.D. Rockburst mechanisms in tunnels and shafts / W.D. Ortlepp, T.R. Stacey // Tunnelling and Underground Space Technology. – 1994. – Vol. 9, no. 1. – P. 59– 65. DOI: 10.1016/0886-7798(94)90010-8 Scholar
18.The nature of a deformation zone and fault rock related to a recent rockburst at Western Deep Levels Gold Mine, Witwatersrand Basin, South Africa / R.A. Stewart [et al.] // Tectonophysics. – 2001. – Vol. 337, no. 3–4. – P. 173–190. DOI: 10.1016/S0040-1951(01)00028-2 Scholar
19.Zhou, Y. PNN-based rock burst prediction model and its applications / Y. Zhou, T. Wang // Earth Sciences Research Journal. – 2017. – Vol. 21, no. 3. – P. 141–146. DOI: 10.15446/esrj.v21n3.65216 Scholar
20.Prediction and integrated prevention technology of dynamic disasters combined rock burst and gas outburst in deep mine / Z. Yang, Ch. Liu, H. Zhu, J. Wu // Electronic Journal of Geotechnical Engineering. – 2017. – No. 22 (2). – P. 477–488. DOI: 10.1038/s41598-025-91518-7 Scholar
21.A semi-quantitative coal burst risk classification system / O. Vardar [et al.] // International Journal of Mining Science and Technology. – 2018. – Vol. 28, no. 5. – P. 721–727. DOI: 10.1016/j.ijmst.2018.08.001 Scholar
22.Iannacchione, A.T. Occurrence, predication, and control of coal burst events in the US / A.T. Iannacchione, S.C. Tadolini // International Journal of Mining Science and Technology. – 2016. – Vol. 26, no. 1. – P. 39-46. DOI: 10.1016/j.ijmst.2015.11.008 Scholar
23.Rockburst precursors and the dynamic failure mechanism of the deep tunnel: A review / Y. Chen [et al.] // Energies. – 2021. – Т. 14. – №. 22. – С. 7548. – https://doi.org/10.3390/en14227548 Scholar
24.Ortlepp, W.D. Rock burst mechanisms in tunnels and shafts / W.D. Ortlepp, T.R. Stacey // Tunn. Undergr. Space Technol. – 1994. – No. 59. – P. 59–65. DOI: 10.1016/0886-7798(94)90010-8 Scholar
25.Study on the development process of rockbursts / X.T. Feng, Y.X. Xiao, G.L. Feng [et al.] // Chin. J. Rock Mech. Eng. – 2019. – No. 38. – P. 1–25. DOI: 10.13722/j.cnki.jrme.2019.0103 Scholar
26.Wang, J.-A. Comprehensive prediction of rockburst based on analysis of strain energy in rocks / J.-A. Wang, H. Park // Tunn. Undergr. Space Technol. – 2001. – No. 16. – P. 49–57. DOI: 10.1016/S0886-7798(01)00030-X Scholar
27.Tao, Z.Y. Support design of tunnels subjected to rockbursting / Z.Y. Tao // ISRM International Symposium. – Madrid, Spain, 1988. DOI: 10.1016/0148-9062(89)91954-2 Scholar
28.Kidybi´nski, A. Bursting liability indices of coal / A. Kidybi´nski // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Géoméch. Abstr. – 1981. – No. 18. – P. 295–304. DOI: 10.1016/01489062(81)91194-3 Scholar
29.Rock Burst intensity classification based on the radiated energy with damage intensity at jinping II hydropower station, China / B.-R. Chen, X.-T. Feng, Q.-P. Li [et al.] // Rock Mech. Rock Eng. – 2015. – No. 48. – P. 289–303. DOI: 10.1007/s00603-013-0524-2 Scholar
30.Altindag, R. Assessment of some brittleness indexes in rock-drilling efficiency / R. Altindag // Rock mechanics and rock engineering. – 2010. – Vol. 43, no. 3. – P. 361–370. DOI: 10.1007/s00603-009-0057-x Scholar
31.Cook, N.G.W. The failure of rock / N.G.W. Cook // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. – 1965. – Vol. 2, no. 4. – P. 389–403. DOI: 10.1016/0148-9062(65)90004-5 Scholar
32.Tang, L. Seismological method for prediction of areal rockbursts in deep mine with seismic source mechanism and unstable failure theory / L. Tang, K.W. Xia // Journal of Central South University of Technology. – 2010. – Vol. 17, no. 5. – P. 947–953. DOI: 10.1007/s11771-010-0582-5 Scholar
33.Linkov, A.M. Rockbursts and the instability of rock masses / A.M. Linkov // International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstracts. – 1996. – Vol. 33, no. 7. – P. 727–732. DOI: 10.1016/0148-9062(96)00021-6 Scholar
34.Xie, H. Fractal character and mechanism of rock bursts / H. Xie, W.G. Pariseau // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. – 1993. – Vol. 30, no. 4. – P. 343–350. DOI: 10.1016/0148-9062(93)91718-X Scholar
35.Kaiser, P.K. Canadian rockburst support handbook / P.K. Kaiser; Geomechanics Research Centre: Sudbury, CO. – Canada, 1996. Scholar
36.Huang, R.Q. Analysis of dynamic disturbance on rock burst / R.Q. Huang, X.N. Wang // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. – 1999. – Vol. 57, no. 3. – P. 281–284. DOI: 10.1007/s100640050046 Scholar
37.Rockburst laboratory tests database – application of data mining techniques / M. He [et al.] // Engineering Geology. – 2015. – Vol. 185. – P. 116–130. DOI: 10.1016/j.enggeo.2014.12.008 Scholar
38.Mitigation of rock burst events by blasting techniques during deep-tunnel excavation / P. Yan [et al.] // Engineering Geology. – 2015. – Vol. 188. – P. 126–136. DOI: 10.1016/j.enggeo.2015.01.011 Scholar
39.A two-stage model of fracture of rocks / V. Kuksenko, N. Tomilin, E. Damaskinskay, D. Lockner // Pure and Applied Geophysics. – 1996. – No. 146 (2). – P. 253–263. DOI: 10.1007/BF00876492 Scholar
40.Гузев, М.А. Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук / М.А. Гузев, В.Н. Одинцев, В.В. Макаров // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук учредители: институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН. – 2021. – Т. 8, № 1. – С. 42–52. DOI: 10.15372/FPVGN2021080106 Scholar
41.Макаров, В.В. Комплексные предвестники геодинамических явлений разрушения горных пород и технология их регистрации / В.В. Макаров, А.М. Голосов // Проблемы геомеханики сильно сжатых горных пород и массивов: XIII Междунар. российско-китайская конф. по геомеханике больших глубин, 28 июля – 1 августа 2025 г. – Владивосток: Изд-во Дальневосточн. фед. ун-та, 2025. – С. 54–56. DOI: 10.24866/7444-5951-2. Scholar
42.Cai, M. Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring / M. Cai, P.K. Kaiser, C.D. Martin // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2001. – Vol. 38, no. 8. – P. 1135–1145. DOI: 10.1016/S1365-1609(01)00068-5 Scholar
43.Case studies of rock bursts under complicated geological conditions during multi-seam mining at a depth of 800 m / T.-B. Zhao, W.-Y. Guo, Y.-L. Tan [et al.] // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2018. – Vol. 51, no. 5. – P. 1539–1564. DOI: 10.1007/s00603-018-1411-7 Scholar
44.Kaiser, P.K. Design of rock support system under rockburst condition / P.K. Kaiser, M. Cai // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. – 2012. – Vol. 4, no. 3. – P. 215–227. DOI: 10.3724/SP.J.1235.2012.00215 Scholar
45.Martini, C.D. Observations of brittle failure around a circular test tunnel / C.D. Martini, R.S. Read, J.B. Martino // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 1997. – Vol. 34, no. 7. – P. 1065–1073. DOI: 10.1016/S1365-1609(97)90200-8 Scholar
46.Гольдин, С.В. Макро- и мезоструктуры очаговой области землетрясения / С.В. Гольдин // Физическая мезомеханика. – 2005. – Т. 8, № 1. – С. 5–14. Scholar
47.Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite / D.A. Lockner, J.D. Byerlee, V. Kuksenko [et al.] // Nature. – 1991. – Vol. 350, no. 6313. – P. 39–42. DOI: 10.1038/350039a0 Scholar
48.Mesocracking structures of the “source type” in highly stressed rocks / V.V. Makarov [et al.] // Deep Mining 2017: Proceedings of the Eighth International Conference on Deep and High Stress Mining. – Australian Centre for Geomechanics, 2017. – P. 403–411. DOI: 10.36487/ACG_rep/1704_28_Makarov Scholar
49.Макаров, В.В. Способ определения напряженно-деформированного состояния образцов горных пород. Патент на изобретение № 2020143874 / Макаров В.В., Голосов А.М., Морковин А.В. – БИ, 2021, № 27; опубл. 24.09.2021. Scholar
50.Rice, J.R. The mechanics of earthquake rupture / J.R. Rice // Providence: Division of Engineering. – 1979. – Vol. 720. – P. 721. Scholar
51.Макаров, В.В. Геомеханика сильно сжатых горных пород и массивов. Истоки, методы, основные результаты / В.В. Макаров, М.А. Гузев, В.Н. Одинцев // Недропользование. – № 1. – 2026. Scholar
52.Шишмарев, В.Ю. Надежность технических систем / В.Ю. Шишмарев. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Юрайт, 2025. – 289 с. Scholar
53.Голосов, А.М. Технология эффективной регистрации предвестников геодинамических явлений разрушения горных пород на основе методов машинного обучения / А.М. Голосов, В.В. Макаров // Проблемы геомеханики сильно сжатых горных пород и массивов: XIII Междунар. российско-китайская конф. по геомеханике больших глубин, 28 июля – 1 августа 2025 г. – Владивосток: Изд-во Дальневосточн. фед. ун-та, 2025. – С. 115–118. DOI: 10.24866/7444-5951-2 Scholar

Article information

Published: 12 January 2026
Issue date: 12 January 2026
Issue: Vol. 26, No. 1 (2026)