Convergence monitoring as a basis for numerical analysis of changes of rock-mass quality and Hoek-Brown failure criterion parameters due to longwall excavation

• Autorzy: Małkowski Piotr , Ostrowski Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.126274

Warianty tytułu

PL

Pomiary konwergencji jako podstawa analizy numerycznej zmian jakości górotworu i parametrów kryterium wytrzymałościowego Hoeka-Browna wynikających z eksploatacji ścianowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the longwall exploitation system, the main gates are subject of the most intensive movements of the rock mass, where the proximity of the excavation front is a key factor. The paper presents the results of a research on the constants mb and s of Hoek-Brown failure criterion for the rocks surrounding the gallery: shale, sandy shale, coal and medium-grained sandstone, in relation to the distance to longwall face. The research comprised numerical modeling based on convergence monitoring records. The convergence measurements were carried out on three stations in a selected maingate in a coal mine from Upper Silesia Coal Basin near Jastrzębie-Zdrój, concurrently with changing distance to the longwall face. The measu-red were the width, the height and the heave of the floor of the gate. The measurements showed that the convergence at the longwall-maingate crossing was 1.5-3 times greater than in the locations much further from the longwall face. It was demonstrated that this effect was due to continuously changing properties of the rock-mass surrounding the gallery that can be expressed as decreasing empirical parameters mb i sof Hoek-Brown’s criterion. These parameters are decreasing exponentially together with the distance to the longwall face The consistency between the theoretical and factual curve varies between 70% to 98%. The change of each of the parameters can be described by general equation P = a· exp(–b·d), where a, b are constants, and d is the distance to the excavation face. The authors highlight that during the me-asurements period the horizontal stress was 1.45 to 1.61 times greater than the concurrent vertical stress. The so high horizontal stress causes heave of unsupported gallery floor which is commonly observed in the mines in Silesia.

PL

Chodniki przyścianowe w systemie eksploatacji ścianowej są najbardziej narażone na intensywne przemieszczenia skał. Wraz ze zmianą położenia frontu eksploatacji skały przechodzą wolno w stan zniszczenia, coraz bardziej przemieszczając się do środka wyłomu. Aby można było skutecznie prze-widywać konwergencję wyrobisk przyścianowych należy właściwie określić właściwości skał w fazie pozniszczeniowej. Wybierając warunek wytrzymałościowy Hoeka-Browna – stałe mb i s, zależne od wskaźnika jakości górotworu RMR lub wskaźnika GSI.W artykule wyznaczono spadek parametrów pozniszczeniowych skał budujących górotwór w rejonie omawianego wyrobiska – łupków ilastych, łupków piaszczystych, węgli i piaskowców średnioziarnistych – w zależności od odległości od frontu ściany. W tym celu wykonano symulacje numeryczne, wykorzystując wyniki pomiarów konwergencji. Pomiary konwergencji wykonano w wyrobisku przyścianowym jednej z kopalń węgla GZW w rejonie Jastrzębia na trzech bazach pomiarowych wraz ze zmieniającą się odległościąbaz pomiarowych od czoła ściany. Badania obejmowały wyznaczenie szerokości, wysokości i wypiętrzenia spągu chodnika. Pomiary wykazały, że konwergencja na skrzyżowaniu ściana – chodnik osiąga wartość1,5-3-krotnie większą, niż dla przypadku, gdy front eksploatacji znajduje się w znacznej odległości od baz pomiarowych. Stwierdzono, że przyczyną takiego stanu rzeczy jest stale zmieniająca się jakość górotworu, która skutkuje obniżeniem parametrów empirycznych warunku wytrzymałościowego Hoek’a-Browna mbi s skał występujących w otoczeniu wyrobiska. Parametry te maleją eksponencjalnie wraz ze zbliżaniem sięfrontu ściany, a zgodność pomiędzy krzywą rzeczywistą a teoretyczną dla występujących przemieszczeńwyrobiska waha się od 70% do 98%. Zmianę dowolnego z powyższych parametrów P można opisaćfunkcją o ogólnym równaniu: P = a exp(–bd), gdzie a i b to stałe, a d to odległość od frontu ściany.Na uwagę zasługuje również analiza naprężeń poziomych w górotworze, jakie musiały wystąpićpodczas prowadzenia pomiarów, które są 1,45-1,61 razy większe od występujących wówczas naprężeńpionowych. Tak duże naprężenia poziome mają istotny wpływ na wartości wypiętrzania nieobudowanego spągu, co znajduje potwierdzenie podczas prowadzenia prac górniczych w kopalniach JSW.

Słowa kluczowe

EN

Hoek-Brown failure criterion; back analysis; convergence of mining gallery; longwall excavation; m and s parameters

PL

konwergencja wyrobiska; eksploatacja ścianowa; kryterium wytrzymałościowe Hoeka-Browna; parametry m i s; analiza odwrotna

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 1
• Strony: 93--118
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Małkowski Piotr

• AGH University of Science and Technology, Geomechanics, Civil Engineering and Geotechnics, al. Mickiewicza 30, 30-059, Kraków, Poland

autor

Ostrowski Łukasz

• AGH University of Science and Technology, Geomechanics, Civil Engineering and Geotechnics, al. Mickiewicza 30, 30-059, Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Basarir H., Oge I.F., Aydin O., 2015. Prediction of the stresses around main and tailgates during top coal caving by 3D numerical analysis. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 76, 88-97.
• [2] Bieniawski Z.T., 1987. Strata control in mineral engineering. Balkema, Rotterdam.
• [3] Brady B., Brown E., 2006. Rock mechanics for underground mining. Springer, The Netherlands.
• [4] Brown E.T., Hoek E., 1978. Trends in Relationships between Measured In-Situ Stresses and Depth. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 15, 211-215.
• [5] Butra J., Dębkowski R., Laskowicki S., Pawelus D., 2013. Określenie parametrów pola naprężeń w kopalni Rudna na podstawie badań in-situ. Proceedings of: XXII Szkoła Eksploatacji Podziemnej, 18-22 lutego 2013 Kraków, 1-12 (in Polish).
• [6] Chudek M., Duży S., 2002. Deformacje korytarzowych wyrobisk przygotowawczych drążonych w strefach wpływu czynnego frontu eksploatacyjnego w świetle pomiarów dołowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo 254, 265-273 (in Polish).
• [7] Faria Santos C. & Bieniawski Z.T., 1989. Floor Design in Underground Coal Mines. Rock Mechanics and Rock Engineering 22, 249-271.
• [8] Han J., Zhang P.T., 2010. The in situ stress state of Kailuan mining area. 5th International Symposium ISRM “In situ rock stress”, Beijing.
• [9] Handley M.F., 2013. Pre-mining stress model for subsurface excavations in southern Africa. The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy 113, 449-471.
• [10] Herezy Ł., 2013. Prognozowanie zasięgu wzmożonych deformacji chodnika przyścianowego na podstawie monitoringu pracy obudowy zmechanizowanej w warunkach kopalni LW Bogdanka SA. Doctor thesis (unpublished – in Polish).
• [11] Hoek E., 2016. Practical Rock Engineering. Chapter 12: Rock Mass Properties, 2016 (on-line).
• [12] Hosseini N., Goshtasbi K., Oraee-Mirzamani B., Gholinejad M., 2014. Calculation of periodic roof weighting interval in longwall mining using finite element method. Arabian Journal of Geoscience 7, 1951-1956, DOI 10.1007/s12517-013-0859-8.
• [13] Islam Md.R. Hayashi D., Kamruzzaman A.B.M., 2009. Finite element modeling of stress distributions and problems for multi-slice longwall mining in Bangladesh, with special reference to the Barapukuria coal mine. International Journal of Coal Geology 78, 91-109.
• [14] Junker M., Achilles P., 2006. Gebirgsbeherrschung von Flözstrecken. Verlag Glückauf, Essen.
• [15] Lian-guo W., Yu W., Jian S., 2009. Three-dimensional numerical simulation on deformation and failure of deep stope floor. Procedia Earth and Planetary Science 1, 577-584.
• [16] Lubosik Z., Walentek A., 2016. Przejawy ciśnienia eksploatacyjnego w chodnikach przyścianowych zlokalizowanych na głębokości około 1000 m – badania dołowe. Przegląd Górniczy 3, 8-16 (in Polish).
• [17] Majdi A., Hassani F.P., 1989. Access tunnel convergence prediction in longwall coal mining. International Journal of Mining and Geological Engineering 7, 283-300.
• [18] Majdi A., Hassani F.P., Yousef Nasiri M., 2012. Prediction of the height of destressed zone above the mined panel roof in longwall mining. International Journal of Coal Geology 98, 62-72.
• [19] Majcherczyk T., Małkowski P., 2003. Wpływ frontu ściany na wielkość strefy spękań wokół wyrobiska przyścianowego. Wiadomości Górnicze 1, 20-29 (in Polish).
• [20] Makówka J., 2015. Method of determining the triaxial stress state in the rock mass with directed hydrofracturing. Arch. Min. Sci. 60, 3, 729-741.
• [21] Małkowski P., Niedbalski Z., Majcherczyk T., 2016a. Investigations of hard coal mine roadways stability in stratified rock. Conference: Proceedings of: Ground Support 2016, E. Nordlund, T.H. Jones and A. Eitzenberger (eds), Lulea, Sweden.
• [22] Małkowski P., Niedbalski Z., Majcherczyk T., 2016b. Roadway design efficiency indices for hard coal mines. Acta Geodyn. Geomater. 13, 2(182), 201-211. DOI: 10.13168/AGG.2016.0002.
• [23] Mark C., 1991. Horizontal stress and its effects on longwall ground control. Mining Engineering. November 1991, 1356-1360.
• [24] Mohammadi S., Ataei M., Kakaie R., 2018. Assessment of the Importance of Parameters Affecting Roof Strata Cavability in Mechanized Longwall Mining. Geotech. Geol. Eng., https://doi.org/10.1007/s10706-018-0490-2.
• [25] Nemcik J.A., Gale W., Fabjanczyk M., 2006. Methods of interpreting ground stress based on underground stress measurements and numerical modelling. In Proceedings of 7th Underground Coal Operators Conference (N. Aziz and W. Keilich eds.), University of Wollongong, NSW, Australia, 104-112.
• [26] Niełacny P., 2009. Dobór technologii utrzymania wyrobisk przyścianowych w jednostronnym otoczeniu zrobów na podstawie pomiarów przemieszczeń górotworu. Rozprawa doktorska (materiały niepublikowane).
• [27] Niedbalski Z., Małkowski P., Majcherczyk T., 2013. Monitoring of stand-and-roof-bolting support: design optimization. Acta Geodyn. Geomater. 10, 2 (170), 215-226, DOI: 10.13168/AGG.2013.0022.
• [28] Peng S., 2006. Longwall Mining 2nd Edition. West Virginia University Press, Morgantown.
• [29] Prusek S., 2008. Metody prognozowania deformacji chodników przyścianowych w strefach wpływu eksploatacji z zawałem stropu. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, nr 874, Katowice (in Polish).
• [30] Prusek S., 2015. Changes in cross-sectional area of gateroads in longwalls with roof caving, ventilated with “U” and “Y” systems. Archives Of Mining Sciences 60, 2, 549-564.
• [31] Sabanimashcool M., & Li C.C., 2012. Numerical modelling of longwall mining and stability analysis of the gates in the coal mine. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 51, 24-34.
• [32] Singh G.S.P., 2015. Conventional approaches for assessment of caving behavior and support requirement with regard to strata control experiences in longwall workings. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 7, 291-297.
• [33] Staš L., Knejzlik J., Palla L., Souček K., Waclawik P., 2011. Measurement of Stress Changes Using a Compact Conicalended Borehole Monitoring. Geotechnical Testing Journal 34, 6, November 2011, 685-693, DOI: 10.1520/GTJ102794.
• [34] Torano J., Rodrıguez Dıez R., Rivas Cid J.M., Casal Barciella M.M., 2002. FEM modelling of roadway driven in fractured rock mass longwall influence. Computers and Geotechnics 29, 411-431.
• [35] Ulusay R., Hudson J.A. (eds.), 2007. The complete ISRM suggested methods from rock characterization, testing and monitoring: 1997-2006. ISRM Turkish National Group, Ankara.
• [36] Technical documentation of D-2 Maingate, 2016. „Borynia-Zofiówka-Jastrzębie” Hard Coal Mine (unpublished – In Polish).
• [37] Waclawik P., Kukutsch R., Konicek P., Ptacek J., Kajzar V., Nemcik J., Staš L., Souček K., Vavro M., 2017. Stress State Monitoring in the Surroundings of the Roadway Ahead of Longwall Mining. Procedia Engineering 191, 560-567, DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.218.
• [38] Wardas A., Bobek R., Śledź T., Mąka B., Ratajczak A., 2013. Utrzymanie chodnika przyścianowego 20A w pokładzie 405/3 w warunkach zagrożeń naturalnych kopalni „Knurów-Szczygłowice“ Ruch Knurów. Górnictwo i Geologia 8, 1, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 125-139 (in Polish).
• [39] Wrana A., Prusek S., 2016. Ocena spękań filarów węglowych pozostawianych pomiędzy chodnikami przyścianowymi. Przegląd Górniczy 3, 17-27 (in Polish).
• [40] Yasitli N.E., Unver B., 2005. 3D numerical modeling of longwall mining with top-coal caving. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 42, 219-235.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019)