Details

Strength, fallouts and numerical modelling of hard rock masses

by Edelbro, Catrin, PhD

Abstract (Summary)
Att förutsäga och bedöma tryckspänningsinducerade skador och utfall av berg är av stor betydelse för djupt belägna konstruktioner inom både gruv- och tunneldrift. Höga bergspänningar kan leda till utfall av berg, vilket i sin tur är en säkerhetsrisk för de som arbetar under jord samt att maskiner kan skadas och/eller att produktionsstörningar uppstår. Syftet med denna avhandling har varit att studera lämpliga materialmodeller för att kunna bedöma utfall orsakade av höga tryckspänningar. Denna avhandling fokuserar på vanligt förekommande metodiker för design av underjordskonstruktioner med tillämpning på hårda bergmassors. Målet är att föreslå den mest lämpade materialmodellen för att bedöma utfall samt att identifiera de faktorer som är styrande för hårda bergmassors hållfasthet. En omfattande litteraturstudie av existerande klassificeringssystem och brottkriterier för bergmassan har genomförts i detta arbete. För att utvärdera dessa system och kriterier användes tre fallstudier. Ett så kallat "Round Robin Test" utfördes för två av dessa fall. Baserat på fallstudien så bedömdes "rock mass quality" (Q-system), "rock mass Number" (N-system), "Rock Mass index" (RMi), Yudhbir - "Rock Mass Rating" (RMR76) and Hoek-Brown - "Geological Strength Index" (GSI) vara de brottkriterier och system som gav en relativt god överensstämmelse med de spänningar som uppmätts vid brott. De parametrar som återspeglar sprickans skjuvhållfasthet hade störst påverkan på de uppskattade hållfasthetsvärdena. RMi metoden visade sig vara svår att använda. För att bedöma kvaliteten av en bergmassa ansågs ett spänningsreduceringsfritt Q-system (eller N metoden) vara mest lämpligt, då beskrivningen av parametrarna i detta system är bättre och omfattar fler geologiska förhållanden än för RMR-systemet. För massiva bergmassor som är kraftigt sammanpressade av höga spänningar, är påverkan av sprickornas egenskaper av mindre vikt och GSI metoden anses vara lämplig för att bedöma bergmassans kvalitet. För att kunna utvärdera lämplig materialmodell så har resultaten från numeriska analyser jämförts med fältobservationer av skador och utfall. Totalt beskrivs sex fallstudier, hämtade från gruvor och tunnlar, där utfall har skett i hårda bergmassor. Uppmätta spänningar i berget, bergmassans egenskaper och beteende är väl dokumenterade för respektive fall. Dessa fall baseras på en omfattande studie och insamling av välbeskrivna utfall orsakade av höga spänningar i tunnlar och schakt. Fältobservationerna har jämförts med beräknade resultat från numeriska analyser i Finita Element programmet Phase2. Efter att ha tillämpat fallstudier och utvärderat resultat från numeriska analyser ansågs den mest lämpade materialmodellen vara kohesions-mjuknande friktions-hårdnande. Resultaten i denna avhandling visar också hur man kan tolka resultat från numeriska analyser med hänsyn till potentiella brott och utfall då man använder en kohesionsmjuknande friktions-hårdnande materialmodell. Korsande skjuvband med genomgående höga värden, som mynnar ut på randen av utbrytningen samt som finns inom den plasticerade zonen bör tolkas som potentiellt utfall. Skjuvbanden och zonen av plasticerade element var elementberoende. Genom att använda små element (0.01 m) på och nära randen av utbrytningen och i det område där potentiellt utfall var möjligt så innebar fortsatt reducering av elementstorleken inte någon större påverkan på resultatet. Tillämpningen för att förutsäga brott och utfall med hjälp av en kohesions-mjuknande friktions-hårdnande modell utfördes för Kiirunavaaragruvans fältorter i liggväggen. En flerstegsanalys utfördes för att kunna simulera förändringar i spänningar påverkade av gruvbrytningen. En parameterstudie genomfördes där hållfasthetsparametrar, lokalisering av orterna med avseende på avstånd till produktionen samt tvärsnitten på liggväggsorternas varierades. Resultaten påverkades mycket av formen på orten. För fältorter på samma nivå som produktionen fanns en tydlig tendens till tryckspänningsinducerade utfall i anfanget i riktning mot malmen. Lokaliseringen av det beräknade brottet i anfanget var mer tydligt för ett platt tak kontra den teoretiska profilen av tvärsektionen. Resultaten indikerar att den verkliga formen på fältorterna skiljer sig från den teoretiska profilen. Genom att ta bort de element i modellen som motsvarade verkliga utfall visade resultaten från simuleringen att färre utfall av tryckspänningsinducerade utfall kunde förväntade i senare belastningsskeden för Kiirunavaaras fältorter. Genom att skrota bort skadat berg och skapa en v-formad kil i taket (liknande den som förväntas ske vid simuleringen) för en ort i Kristinebergsgruvan kunde stabiliteten förbättras.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Luleå tekniska universitet

School Location:Sweden

Source Type:Doctoral Dissertation

Keywords:

ISBN:

Date of Publication:01/01/2008

© 2009 OpenThesis.org. All Rights Reserved.