Empirical verification of voussoir beam approach to the risk of bolted mine roof failure

• Autorzy: Kidybiński A.

Warianty tytułu

PL

Empiryczna weryfikacja metody belki końcowej w ocenie ryzyka zawału skotwionego stropu wyrobiska górniczego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper a two-section voussoir beam analogue of mine roof strata was defined as based on its stability equation and the safety factor of bolted roof in the Polish copper mines (Lubin-Głogów Copper District) was analysed using roof-falls statistics. The equation contains both known values (such as S - maximum roof span, Y - specific weight of rocks, d -length of bolts being equivalent to roof strata beam depth, and Rc- uniaxial compressive strength of rocks) as well as unknown values (such as Z - height of compression arch, N - coefficient by thickness of compression arch, wp - coefficient of articulated joints' strength and Wk - coefficient by stiffness of bolting system). All unknown values were merged within joint factor K and a roof falling risk equation was formulated containing all values mentioned as well as the mass / intact strength ratio of rocks. A total of 136 short sections of openings (galleries) were selected in three copper mines (Lubin, Rudna and Polkowice-Sieroszowice) both with considerable roof failure experienced (82 sections) and long term stable roof strata (54 sections), the latter being chosen at the closet distance to the nearest section with roof failure - in order to review stable v. unstable conditions in comparable geological environment. Detailed data for each roof failure site were taken from Roof Fall Cards prepared by mine staff for each case roof fall and containing information about local geology (especially position and size of local faults), type and spacing of roof bolts (primary and secondary- if any), strength of rocks, geometry of an openings or crosscuts, area and thickness of fallen roof strata, history of local seismicity and roof falling precursory phenomena observed. Stable roof sections of galleries (54) were described in similar Roof Stability Cards. Taking"into account all such information, probable risk of roof failure was calculated for all 136 sites at time lapse immediately preceding a real roof fall occurrence - as a reciprocal of asafety factor. Then, minimum approximation error approach for the whole set of data was used to find K factor value for each mine taking a risk value equal to 1.00 as a boundary between stable and unstable openings (Fig. 8). The final formula for assessment of roof failure probability allows for 94 percent accuracy for three mines. It is possible therefore to use it for predictions of roof stability at questionable locations. Finally, a table of recommendations is presented for each class of calculated roof failure risk.

PL

W artykule rozważono określoną równaniem stateczności dwuczęściową belkę klińcową (nieciągłą) jako analog skotwionego stropu wyrobisk górniczych w kopalniach rud miedzi Lubińsko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego oraz określono współczynnik bezpieczeństwa stropu - posługując się danymi ze statystyki zawałów stropu. Wspomniane równanie zawiera zarówno wielkości znane Gak S - maksymalną rozpiętość stropu w poprzecznym przekroju wyrobiska, y - masę jednostkową skał, d - długość kotwi stropowych równoznaczną z wysokością (grubością) belki, Re - jednoosiową wytrzymałość skał na ściskanie) jak i wielkości nieznane (takie jak Z - wysokość sklepienia ściskania, N - współczynnik przy grubości sklepienia ściskania, wp - współczynnik wytrzymałości szczelin oraz Wk - współczynnik przy sztywności systemu kotwienia). Wszystkie wartości nieznane zostały zgrupowane w ogólnej stałej K następnie zaś sformułowano równanie ryzyka zawału stropu zawierające wszystkie wymienione wielkości jak również współczynnik osłabienia strukturalnego masywu skalnego (stosunek wytrzymałości masywu do wytrzymałości skały). Wydzielono 136 krótkich odcinków wyrobisk korytarzowych (komór i pasów - w kopalniach Lubin, Rudna oraz Polkowice-Sieroszowice), w których doszło do znacznych zawałów stropu (82 odcinki) i przyległe 54 odcinki - gdzie stwierdzono długotrwałą, dobrą stateczność warstw stropowych. Wzajemna bliskość (parami) odcinków ze stwierdzonym zawałem oraz statecznym stropem pozwoliła na wzajemne porównanie stropu niestatecznego oraz statecznego w zbliżonych warunkach geologicznych. Przeanalizowano dane o stropie w każdym z badanych odcinków zawałowych, szczególnie lokalne zaburzenia geologiczne, uskoki i szczeliny, rodzaj kotwi i siatkę kotwienia (zarówno podstawowego jak i ewent. wzmacniającego), geometrię wyrobiska, zwięzłość skał, zasięg i grubość strefy zawałowej w stropie, historię wstrząsów sejsmicznych w najbliższej okolicy oraz zjawiska prekursorowe zaobserwowane przed zaistnieniem zawału - na podstawie zapisów dokonanych przez pracowników kopalń w Kartach Stropu. Podobną analizę wykonano dla odcinków wyrobisk o stropie statecznym. Biorąc pod uwagę te dane określono ryzyko zawału stropu - w momencie przed jego zaistnieniem - w każdym z badanych odcinków (łącznie 136 przypadków), zarówno zniszczonych jak i statecznych, jako odwrotność współczynnika bezpieczeństwa (stateczności) stropu. Następnie zastosowano podejście minimalnego błędu rozgraniczenia grupy wyrobisk statecznych od niestatecznych (rys. 8) dla określenia wielkości współczynnika K dla każdej z badanych kopalń. Uzyskane w wyniku tego równanie do prognostycznej oceny prawdopodobieństwa wystąpienia zawału stropu wyrobisku korytarzowym w omawianych 3-ch kopalniach pozwala na 94-procentową dokładność prognozy. Podano tablicę zaleceń dla każdej z klas prognozowanego ryzyka wystąpienia zawału stropu (tab. 1 ).

Słowa kluczowe

EN

strata controI; roof bolting; rock falls; voussoir beam; room and pillar mining

PL

górotwór; kotwienie skał; zwały skał; belka klińcowa; górnictwo filarowo-komorowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 50, no 4
• Strony: 449--464
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kidybiński A.

• Główny Instytut Górnictwa, Pl. Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Diederichs, M.S., Kaiser, P.K., 1999. Stability of large excavations in laminated hard rock masses: the voussoir analogue revisited, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 36, p. 97-117.
• [2] Hatzor, Y.H., Benary R., 1998. The Stability of a Laminated Voussoir Beam: Back Analysis of a Historic Roof Collapse Using DDA, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 35, No. 2, p. 165-181.
• [3] Kidybinski, A., 2002. Bearing capacity of mine roof strata at advanced stage of copper ore extraction in LGCD mines (in Polish), Przeglad Górniczy (Mining Review), No. 7-8, p. 30-35.
• [4] Kidybinski, A., 2002.The criterion for applying additional supports in LGCD copper mines based on roof falling risk analysis (in Polish), Przeglad Gorniczy (Mining Review), No. 11.
• [5] Kidybinski, A., 2004. Three stage method for roof-bolting system selection at LGCD copper mines (in Polish), Przeglad Gorniczy (Mining Review), No. 1, p. 1-9.
• [6] Mottahed, P., Ran, J., 1995. Design of the jointed roof in stratified rock based on the voussoir beam mechanism, CIM Bulletin, Vol. 88, No. 994, p. 56-62.
• [7] Ran, J.Q., Passaris, E.K.S., Mottahed, P., 1994. Shear Sliding Failure of the Jointed Roof in Laminated Rock Mass, Rock Mech. Rock Engng, 27 (4), p. 235-251.
• [8] Zorychta, A., 2000. Rock Bursts in the Light of the Catastrophe Theory, Archives of Mining Sciences (Archiwum Górnictwa), vol. 45, issue 1, p. 3-22.