The three-dimensional (3D) numerical stability analysis of Hyttemalmen open-pit

• Autorzy: Cała M. , Kowalski M. , Stopkowicz A.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0043

Warianty tytułu

PL

Przestrzenna analiza stateczności wyrobiska odkrywkowego kopalni Hyttemalmen w Norwegii

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of this paper was to perform the 3D numerical calculations allowing slope stability analysis of Hyttemalmen open pit (location Kirkenes, Finnmark Province, Norway). After a ramp rock slide, which took place in December 2010, as well as some other small-scale rock slope stability problems, it proved necessary to perform a serious stability analyses. The Hyttemalmen open pit was designed with a depth up to 100 m, a bench height of 24 m and a ramp width of 10 m. The rock formation in the iron mining district of Kirkenes is called the Bjornevaten Group. This is the most structurally complicated area connected with tectonic process such as folding, faults and metamorphosis. The Bjornevaten Group is a volcano-sedimentary sequence. Rock slope stability depends on the mechanical properties of the rock, hydro-geological conditions, slope topography, joint set systems and seismic activity. However, rock slope stability is mainly connected with joint sets. Joints, or general discontinuities, are regarded as weak planes within rock which have strength reducing consequences with regard to rock strength. Discontinuities within the rock mass lead to very low tensile strength. Several simulations were performed utilising the RocLab (2007) software to estimate the gneiss cohesion for slopes of different height. The RocLab code is dedicated to estimate rock mass strength using the Hoek-Brown failure criterion. Utilising both the GSI index and the Hoek-Brown strength criterion the equivalent Mohr-Coulomb parameters (cohesion and angle of internal friction) can be calculated. The results of 3D numerical calculations (with FLA3D code) show that it is necessary to redesign the slope-bench system in the Hyttemalmen open pit. Changing slope inclination for lower stages is recommended. The minimum factor of safety should be equal 1.3. At the final planned stage of excavation, the factor of safety drops to 1.06 with failure surface ranging through all of the slopes. In the case of a slope angle 70° for lower stages, FS = 1.26, which is not enough to provide slope stability. Another series of calculations were therefore performed taking water table lowering into consideration, which increases the global safety factor. It was finally evaluated, that for a water table level of 72 m the factor of safety equals 1.3, which is enough to assure global open-pit stability.

PL

Kopalnia Hyttemalmen, zlokalizowana w północno-wschodniej części Norwegii, powyżej północnego koła podbiegunowego, w rejonie miejscowości Kirkenes, prowincji Finnmark, prowadzi wydobycie rudy żelaza metoda. odkrywkowa. przy zastosowaniu techniki strzałowej. Docelowo wyrobisko zostało zaprojektowane do głębokości 100 m ze skarpami o wysokości 24 m, z pólkami o szerokości 10 m i kącie nachylenia 80 stopni. Jednostka geologiczna rejonu Kirkenes, w obrębie której eksploatację prowadzi kopalnia Hyttemalmen, nosi nazwę Bjornevaten Group. Jest to rejon geologiczny charakteryzujący się znacznym zaburzeniem strukturalnym, co jest efektem procesów tektonicznych, pofałdowań, z uskokowania oraz przeobrażeń metamorficznych. Utwory Bjornevatan Group to skały osadowo - metamorficzne, zapadające w kierunku z N-S na NW-SE. Bjornevatan Group składa się z sześciu formacji skalnych, a mianowicie: Gamvatn Formation, Fisketind Formation, Bjornefjellet Formation, Pesktind Conglomerate Formation, Hogfjellet Formation, Nosfjellet Formation. Warunki geologiczne przedmiotowego rejonu, a także stosowana technika eksploatacji w połączeniu z warunkami klimatycznymi skutkuje wysokim stopniem spękania i naruszenia skał w rejonie wyrobiska odkrywkowego. Występujące nieciągłości cechuje duża zmienność rozstawu i przebiegu. Dodatkowo wyodrębnić można nieciągłości główne, których przebieg zarysowuje się wyraźnie na powierzchni odsłoniętych skał. Wpływ nieciągłości głównych na stateczność wyrobiska był przedmiotem analizy przeprowadzonej przez firmę Wardell Armstrong. Kopalnia śledzi ich przebieg wraz z postępującą eksploatacją. W artykule zaprezentowano stwierdzone główne nieciągłości występujące w obrębie wyrobiska odkrywkowego. W kopalni Hyttemalmen warunki stateczności zboczy determinują mechaniczne właściwości utworów skalnych i systemu spękań, warunki hydrologiczne i atmosferyczne, nachylenie skarp oraz aktywność sejsmiczna wynikająca ze stosowania techniki strzałowej do urabiania złoża. Jednakże istotnym czynnikiem wpływającym na stateczność skarp będzie tu charakter systemów spękań. Spękania, lub ogólnie mówiąc nieciągłości są to płaszczyzny w obrębie utworów skalnych przyczyniające się do zmniejszenia ich wytrzymałości. Stopień redukcji właściwości masywu skalnego w odniesieniu do nieciągłości zależeć będzie od ich długości, rozwarcia, szorstkości, materiału wypełniającego, zwietrzenia oraz orientacji. System spękań utworów skalnych w kopalni Hyttemalmen powiązany jest z charakterem utworów skalnych należących do Bjornevatan Group, a mianowicie znacznego przeobrażenia na skutek procesów tektonicznych i metamorficznych. Dodatkowo eksploatacja prowadzona przy użyciu materiałów wybuchowych prowadzi do propagacji istniejących spękań, a także powstania nowych. Występujące spękania sprzyjają. rozwojowi procesów wietrzenia. W warunkach kopalni Hyttemalmen dominuje wietrzenie mechaniczne, co jest efektem występujących tu warunków klimatycznych, a w tym okresowego zamarzania i rozmarzania oraz warunków hydrogeologicznych związanych z poziomem wód gruntowych i zawodnieniem spękań. Szczegółowy opis właściwości nieciągłości charakterystycznych dla rejonu kopalni Hyttemalmen omówiono w artykule. Dla uwzględnienia charakteru wyrobiska odkrywkowego kopalni Hyttemalmen opracowano model przestrzenny uwzględniający aktualny stan eksploatacji. Do kalibracji modelu numerycznego wykorzystano zaobserwowane przejawy procesów osuwiskowych. Zatem dążono do określenia takich założeń, które pozwolą. uzyskać jak najlepszą zgodność wyników z analiz numerycznych z rzeczywistymi warunkami występującymi w wyrobisku kopalni Hyttemalmen. W modelu numerycznym uwzględniono zwierciadło wód gruntowych oraz osłabienie ośrodka na skutek występujących spękań oraz niekorzystnego oddziaływania stosowanej techniki eksploatacji. Uwzględniono także poprawę właściwości mechanicznych skał otaczających (gnejsu) utwory złożowe wraz z rosnącą głębokością. Na podstawie programu RockLab określono wartości parametrów wytrzymałościowych warstwy gnejsu dla poszczególnych głębokości zakładając, że kąt tarcia nie ulega zmianie, a rośnie jedynie spójność. W ten sposób uwzględniono osłabienie warstw wierzchnich wyrobiska odkrywkowego na skutek wietrzenia i naruszenia robotami strzałowymi. Dla tak określonych parametrów skał otaczających i utworów złożowych przeprowadzono obliczenia numeryczne. Analizy stateczności wykonane zostały w programie metody różnic skończonych FLAC 3D, w którym do określenia wartości wskaźnika stateczności stosuje metodę redukcji wytrzymałości na ścinanie. Rozwój procesów osuwiskowych odwzorowano poprzez zastosowanie zmodyfikowanej metody redukcji wytrzymałości na ścinanie. W artykule zaprezentowano założenia zastosowanej metodyki obliczeniowej. Wyniki z obliczeń numerycznych odnoszono do zaobserwowanych przejawów ruchów osuwiskowych, które miały miejsce w obrębie analizowanego wyrobiska. W ten sposób weryfikowano przyjęte założenia, a szczególnie wprowadzone do modelu numerycznego właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowe utworów skalnych. Dla parametrów zaprezentowanych w artykule uzyskano zgodność wyników z obliczeń numerycznych z przejawami rzeczywistych ruchów osuwiskowych. Stwierdzono także, że przemodelowane zbocze wyrobiska odkrywkowego, na skutek procesów osuwiskowych charakteryzuje się zadawalającą wartością wskaźnika stateczności. Opracowany model numeryczny wyrobiska odkrywkowego kopalni Hyttemalmen posłużył do dalszych analiz przeprowadzonych dla docelowej geometrii. Analizy numeryczne pozwoliły ocenić stateczność projektowanego docelowego wyrobiska. Przeprowadzono także serię obliczeń numerycznych dla określenia optymalnego poziomu zwierciadła wód gruntowych i wpływu jego obniżenia na stateczność docelowego wyrobiska. W rezultacie przeprowadzone analizy numeryczne pozwoliły sformułować zalecenia odnośnie docelowej geometrii wyrobiska i poziomu zwierciadła wód gruntowych, zapewniających optymalne wykorzystanie złoża i bezpieczną jego eksploatację.

Słowa kluczowe

EN

rockslide; slope stability analysis; numerical methods

PL

osuwisko skalne; obliczenia numeryczne; analiza stateczności zboczy

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 3
• Strony: 609--620
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Cała M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Kowalski M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Stopkowicz A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Aringoli D., Calista M., Gentili B., Pambianchi G., Sciarra N., 2008. Geomorphological features and 3D modeling of Montelparo mass movement (Central Italy). Engineering Geology, Vol. 99, p. 70-84.
• [2] Berge I., Li B., 1968. Report concerning testing of ore and siderock NTH. Trondheim, unpublished.
• [3] Cała M., 2007a. Numerical slope stability analysis. AGH University of Science and Technology. Series: Monographs, No. 171, (in polish).
• [4] Cała M., 2007b. Convex and concave slope stability analysis with numerical methods. Archives of Mining Sciences, Vol. 52, No 1, p. 75-89.
• [5] Cała M., 2013. Analiza stateczności skarp i zboczy w 2D i 3D. (Slope stability analyses in 2D and 3D). XXVIII ogólnopolskie warsztaty pracy projektanta konstrukcji: T. 1, Wykłady. — Kraków: Polski Związek Inżynierów i Techników Budownictwa. Oddział Małopolski w Krakowie (in polish).
• [6] Cała M., Flisiak J., 2001. Slope stability analysis with FLAC and limit equilibrium methods. FLAC and Numerical Modeling in Geomechanics (edited by Bilaux, Rachez, Detournay & Hart), A. A. Balkema Publishers, p. 111-114.
• [7] Cała M., Flisiak J., 2003. Complex geology slope stability analysis by shear strength reduction. FLAC and Numerical Modelling in Geomechanics. (edited by Brummer, Andrieux, Detournay & Hart), A. A. Balkema Publishers, p. 99-102.
• [8] Cała M., Flisiak J., Tajduś A., 2004. Slope stability analysis with modified shear strength reduction technique. Landslides: Evaluation and Stabilisation (edited by Lacerda, Erlich, Fontura & Sayao), Taylor & Francis Group, London, p. 1085-1089.
• [9] Cała M., Flisiak J., Tajduś A., 2006. Slope stability analysis with FLAC In 2D and 3D. 4th International FLAC Symposium on Numerical Methods in Geomechanics (edited by Hart & Varona), p. 11-14.
• [10] Cała M., Kowalski M., 2011. Report on the site visit and meeting concerning open pits Hyttemalmen and Kjellmanåsen. Kirkenes, Finnmark, Norway.
• [11] FLAC3D v. 4.0., 2008a. Theory and background. Itasca Consulting Group. Minneapolis, USA.
• [12] FLAC3D v. 4.0. 2008b. User’s manual. Itasca Consulting Group, Minneapolis, USA.
• [13] Hoek E., 2007. Practical Rock Engineering, www.rocscience.com.
• [14] Li H. J., Dai F. C., Li W. C., Xu L., Min H., 2011. Stability assessment of a slope under a transformer substation using numerical methods. Bull. Eng. Geol. Environ. Vol. 70, p. 385-394.
• [15] Lorig L., Varona P., 2000. Practical slope stability analysis using finite-difference codes. Slope stability in surface mining (edited by Hustrulid, McCarter & Van Zyl), Society for Mining, Metallurgy and Exploration Inc. Littleton, p. 115-124.
• [16] Oh W. T., Vanapalli S. K., 2010. Influence of rain infiltration on the stability of compacted soil slopes. Computers and Geotechnics, Vol. 37, p. 649-657.
• [17] RocLab v 1.0., 2007. User’s guide. Rocscience Inc.
• [18] Siedlecka A., Krill A. G., Often M., Sandstad J. S., Solli A., Iversen E., Lieungh B., 1985. Lithostratigraphy and correlation of the Archaean and Early Proterozoic rocks of Finnmarksvidda and the Sørvaranger district. Norges geologiske undersøkelse Bulletin 403, 7-36.
• [19] SINTEF: Stability condition at Bjornevaten mine, A/S Sydvaranger Rapp. Stf 36 F 85037, Trondheim, 1990, unpublished.
• [20] Wardell Armstrong, 2010. SVG Bjornevaten Mine, Norway. Open Slope Risk Management.
• [21] Wei W. B., Cheng Y. M., Li L., 2009. Three-dimensional slope failure analysis by shear strength reduction and limit equilibrium methods. Computers and Geotechnics, Vol. 36, p. 70-80.
• [22] Wyllie D. C., Mah W., 2005. Rock Slope Engineering. Taylor & Francis e-Library.