Tytuł artykułu
Autorzy
Identyfikatory
Warianty tytułu
SIU PANEL.3D - model współpracy układu: strop-filar-spąg i jego zastosowanie w górnictwie
Języki publikacji
Abstrakty
A simplified, pseudo-three-dimensional, time-dependent mechanistic model of overburden-coal seam-floor interaction has been developed and validated at several Midwestern (U.S.A.) and Australian coal mines. The model, called SIU PANEL.3D Ground Mechanics Model, based on the thin plate theory, involves any complex but flat layout of mine workings, time-dependent sequence of extraction, and rheological properties of overburden and immediate floor strata. The model output data consist of spatially distributed time-dependent surface subsidence and its slope and curvature, as well as load acting on pillars. This paper presents a couple of possible applications of SIU PANEL.3D Ground Mechanics Model in the following main areas: Simplified two-dimensional analyses time-dependent load distribution and surface subsidence associated with longwall mining geometries. The model is based on the theory of beams resting on inelastic foundations and includes visco-elastic behavior of immediate floor strata, non-linear behavior of coal pillars, elastic behavior of face supports, and visco-elastic behavior of the overburden strata. The relative importance of the different variables affecting the performance of longwall mining geometries from ground control point of view is also analyzed. The model has been validated for field observations at one Illinois longwall mine. Development alternate geometries with variable size pillars along and across a panel based on safety factors and pillar settlement considerations. The attempt to develop an optimization procedure based on SIU Ground Mechanics Models utilizes the following three effects impacting the mining geometry design: a) variability of safety factors along and across the panel due to differential pillar settlements, b) elasto-plastic behavior of coal pillars resulting in the arching effect, and c) elasto-visco-plastic behavior of the weak floor strata with the load transfer from smaller pillars to the larger pillars and barrier pillars. The objective of the optimization procedure was to maximize the coal recovery while maintaining appropriate pillar safety factors, floor safety factors, and immediate roof stability. Such alternative mining geometries with high implementation potential were proposed to the mining industry. The developed analytical model has been also utilized to analyze a longwall mining geometry with yield pillars and compare the results with those observed in the field. It was demonstrated that large-size pillar behavior and post-failure characteristics depends significantly on Iocal mine stiffness. The paper also presents development of an alternate retreat mining geometry. Analytical studies to date indicate significant potential of the developed models for improving mining geometry performance. Determining mine system transient response to loss of stability within some areas of a panel. Amplitudes, accelerations and dynamic loads acting within the colapsed panel were determined in the appropriate numerical analysis. The effect of non-linear time-dependent behavior of weak floor strata on displacements, and load transfer within a given mining layout. The problem analyses are based on the extension of the SIU PANEL.3D model to include a) non-linear visco-elastic behavior of immediate floor strata, and b) different times of mine development in a panel, and different advance rates of mine workings in different areas. For mathematical development, the immediate weak floor strata are transformed into an equivalent single rock layer with uniform rheological constants and time-independent deformation parameters, resting on an undeformable rock mass. The viscous behavior of weak floor strata is represented by the single non-linear Burgers' model defined by a suitable creep function. Non-linearity in the elastic domain is modeled by experimentally determined stress-strain relationship. A comparison of calculated and monitored surface subsidence or in-mine convergence measurements has proven the model effectiveness for surface subsidence and load transfer prediction. The paper also deals with the rational techniques that are available and currently utilized the U.S.A. in engineering practice to design pillars associated with weak floor strata. The author reviews all methods applied to determine the ultimate bearing capacity of floor strata including a more general, recently developed technique which treats weak floor strata as a two-layer rock system characterized by cohesion (c) and angle of internal friction (φ) for both layers. Using foundation engineering analysis techniques, the effect of adjacent pillars on ultimate bearing capacity (UBC) of weak floor strata underneath pillars in a panel was also considered. Based on the limit states theory, the upper-bound for capacity factors of an anisotropic non-homogeneous floor strata system were determined to estimate the effect of rock anisotropy on floor strata stability. Sensitivity analyses were also performed in order to determine the relative importance of all parameters affecting floor strata strength underneath rectangular pillars. The design approaches presented in the paper are illustrated with step by step solutions for physical problems, and the appropriateness of all available design methods was estimated through field observations performed in two coal mines. This above described computational ability to control time-dependent deformations and mine workings stability was utilizeded also for the design of all operations that may change the hydrological environment within active or abandoned mines. This includes dewatering and all kinds of coal slurry pumping whether alone or mixed with coal combustion residues into mine workings. Since this approach can provide the validated analytical tool to predict 1) the amount of additional subsidence due to wetting of mine workings, 2) the changes in mine workings stability due to changes in mine-level hydrology, and 3) subsidence likelihood in future in different areas of the flooded mine, it may be very usefull for all agencies and mining companies planning wet backfilling or operating beneath surface or subsurface aquifers. Furthermore, this paper presents a technique which incorporates elements of the reliability theory in SIU PANEL.2D Ground Mechanics Models to determine the actual probability of failure of floor at a particular point or the panel as a whole, with a consideration of interaction among panel barriers-mine workings-overburden and floor strata. Moreover, since safety factors based on floor strength (FSF) actually vary along and across a panel due to non-uniform distribution of stress in a panel, the proposed safety analyses can be conducted on mining geometries optimized initially for extraction ratio, ground control, and productivity based on allowable safety factors and surface displacements. The calculated probability of failure was related to the corresponding conventional safety factor which represents the current design philosophy. This approach permits assigning differential safety factors in different areas depending upon the availability and quality of collected geotechnical data.
W pracy przedstawiono opis, zweryfikowanego w kilku amerykańskich i australijskich kopalniach węgla, pseudo-trójwymiarowego modelu mechanistycznego współpracy układu: strop-filar-spąg. Model ten, zwany SIU PANEL.3D Ground Mechanics Model, oparty na aproksymacji płytowej górotworu, służy do odwzorowania każdej płaskiej geometrii wyrobisk, z uwzględnieniem zależnej od czasu sekwencji wydobycia oraz reologicznych własności poszczególnych elementów układu. Stosując ten model można określić wokół wyrobisk zależny od czasu stan naprężeń i przemieszczeń będący podstawą do dalszej analizy, m.in. optymalizacji, bezpieczeństwa układu czy też dynamicznych efektów ciśnienia górotworu. Przestawiona praca ilustruje szereg możliwych zastosowań modelu SIU PANEL.3D w takich dziedzinach jak: Uproszczona, dwu-wymiarowa analiza zależnych od czasu rozkładów obciążeń i przemieszczeń wokół wyrobisk eksploatowanych technologią ścianową. Model ten oparty jest na teorii belek spoczywających na odkształcalnym podłożu i uwzględnia lepko-sprężyste własności spągu i nadkładu, nieliniowe pod obciążeniem zachowanie się filarów węglowych, oraz sprężyste własności obudowy zmechanizowanej. W ramach tego zadania określono wagi poszczególnych parametrów wpływających na przemieszczenia powierzchni górotworu, a także przeprowadzono weryfikację modelu w jednej z kopalń położonych w stanie Illinois. Opracowanie alternatywnej geometrii o zmiennych wymiarach filarów w wyrobiskach eksploatowanych systemem filarowo-komorowym, na podstawie analizy osiadań i rozkładu współczynników bezpieczeństwa. Procedura optymalizacji oparta jest na wykorzystaniu trzech następujących efektów wpływających na sposób projektowania: a) zmienności współczynników bezpieczeństwa wzdłuż i w poprzek pola wybierkowego spowodowanej zróżnicowanym osiadaniem elementów układu, b) sprężysto-plastyczne zachowanie się filarów węglowych dające w efekt sklepienia, oraz c) sprężysto-lepko-plastyczny model zachowania się spągu powodujący przenoszenie obciążeń z małych filarów na większe i na caliznę. Celem procedury optymalizacyjnej jest uzyskanie możliwie największego stopnia ekstrakcji przy jednoczesnym utrzymaniu w całym wyrobisku takich samych współczynników bezpieczeństwa dla stropu, filarów i spągu. Opracowany model był zastosowany również w analizie geometrii ścianowej z podatnymi filarami, a wyniki obliczeń zostały porównane z danymi uzyskanymi z obserwacji polowych. Wykazano, że zachowanie się filara w jego naturalnej skali oraz jego pozniszczeniowe charakterystyki silnie zależą od lokalnej sztywności kopalni. Określenie dynamicznej odpowiedzi układu na lokalną utratą stateczności. Uzyskano za pomocą analizy numerycznej amplitudy, prędkości i przyśpieszenia ruch układu filarowo-komorowego oraz stan obciążeń wewnątrz zniszczonego pola eksploatacyjnego. Określenie wpływu nieliniowości lepko-sprężystej spągu na przemieszczenia i przenoszenie obciążeń w polu eksploatacyjnym. Analizę problemu oparto na rozszerzeniu modelu SIU PANEL.3D o: 1) nieliniowe lepko-sprężyste zachowanie się bezpośredniego spągu, oraz b) zróżnicowanie w czasie robót wybierkowych z uwzględnieniem dowolnej prędkości prac górniczych. Lepko-sprężysta charakterystyka spągu opisana jest modelem Burgersa, natomiast sprężysta nieliniowość określana jest poprzez zależność: naprężenie-odkształcenie uzyskana doświadczalnie. Porównanie pomierzonych osiadań powierzchni terenu i konwergencji z wartościami obliczonymi świadczą o efektywności modelu w prognozowaniu osiadań i transferu obciążeń w polu eksploatacyjnym. Przedstawiona praca porusza również techniki obliczeniowe jakie są stosowane w USA do projektowania filarów współpracujących z warstwą słabego spągu. Autor podaje przegląd metod stosownych w tym celu, z uwzględnieniem metod najnowszych, które traktują spąg jako układ dwuwarstwowy charakteryzowany przez kohezję (c) i kąty tarcia wewnętrznego (φ) odpowiednie dla obydwu warstw. Uwzględniono również wpływ filarów sąsiednich i anizotropii spągu na obliczoną nośność filarów. Prezentowane metody obliczeniowe są zilustrowane przykładami obliczeniowymi, a ich stosowność w praktyce jest przetestowana na dwóch przykładach kopalń. Opisane wyżej możliwości obliczeniowe modelu mogą być zastosowane w projektowaniu każdej operacji mogącej zmienić warunki hydro-geologiczne w czynnych i opuszczonych już kopalniach. Obejmuje to wszelkiego rodzaju odwodnienie wyrobisk a także wprowadzanie pod ziemię podsadzki w postaci płynnych mieszanek różnego rodzaju odpadów . Na podstawie obserwacji zachowania się jednej z opuszczonych kopalń węgla potwierdzono tezę, że przedstawiona metoda pozwala przewidzieć dodatkowe osiadanie terenu wskutek zawodnienia wyrobisk, a także potrafi określić spowodowane tym zmiany w stateczności układu w miarę upływu czasu. Na koniec praca przedstawia metodę, która wprowadzając elementy teorii niezawodności do modelu SIU PANEL.2D, pozwala określić prawdopodobieństwo zniszczenia pola eksploatacyjnego jako całości albo poszczególnych jego części wskutek zniszczenia spągu pod filarami. Obliczone przykładowo prawdopodobieństwa zniszczenia zostały porównane z poziomem współczynników bezpieczeństwa otrzymanych metodą konwencjonalną. Przedstawione podejście usprawiedliwia przyjęcie zróżnicowanych współczynników bezpieczeństwa w zależności od jakości rozpoznania geotechnicznego parametrów i ich rozproszenia wokół wartości średnich.
Rocznik
Tom
Strony
3--315
Opis fizyczny
Bibliogr. [95] poz., rys., wykr., tab.
Twórcy
autor
Bibliografia
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-AGH1-0013-0025
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.