Underground monitoring as the best way of roadways support design validation in a long time period

Abstract

Purpose. The aim of this paper is to show the importance of geotechnical monitoring in assessing stability of an underground excavation. Every mining excavation is designed on the basis of limited geotechnical data and with some physical assumptions. Methods. The monitoring in the brought up herein cases covered the rock mass and the support, and was carried out over a period of 6 years. Three long-term roadways in the hard coal mine, and with different support schemes, were studied. The monitoring methods included: convergence measurements, roof bed separation control, load on standing support and load on bolts. Findings. The obtained results of the displacements of the roof rocks were highly affected by the type of the used support, roof stratification, and a rock strength. The more cracked and stratified were the roof rocks the stronger was the separation and the movement towards the excavation. The steel arch support sets with the bullflex bags lining can restrain this effect, but not the roof bolting with strand bolts grouted segmentally deep in the roof. Originality. Rock mass and support monitoring of such a large scope, which was the subject of this research, is very seldom carried out in underground mining. Moreover, it was conducted over an exceptionally long period of six years. Five different techniques were used to assess the roadway’s stability. Such a long-term monitoring and investigation allowed to find the relationships between the support scheme of the excavation and the rock mass movements around it. Practical implications. A long-term monitoring allowed for a development of the deformation characteristics of the rock mass, defining the time of secondary equilibrium, and determination of the strain of the support elements. This, in turn, allowed for a verification of the correctness of selection of the support, installed in specific mining and geological conditions.

Мета. Проведення комплексного геотехнічного моніторингу для оцінки стійкості підземної гірничої виробки у складних умовах з обмеженою кількістю геотехнічних даних і певним фізичними припущеннями. Методика. Проведено моніторинг стану гірського масиву і кріплення виробки протягом 6 років. Були вивчені 3 виробки кам’яновугільної шахти різних конструкцій, які довгий час перебували в експлуатації. Методи моніторингу включали: вимірювання осідання, контроль за відстанню між покрівлею і підошвою, вимір навантаження на вертикальні опори і на кріплення. Використовувалося наступне обладнання: ендоскопічна камера, акустичні екстензометри, кріплення з вмонтованою вимірювальною апаратурою та гідравлічні динамометри. Результати. Встановлено, що зміщення порід покрівлі у значній мірі визначається типом використовуваного кріплення, розшаруванням і міцністю порід покрівлі. Зі збільшенням тріщинуватості та шаруватості порід покрівлі сильніше проявляється розшарування пласта й переміщення порід у напрямку виробки. Визначено, що сталеві арочні кріпильні стійки, амортизовані надувними мішками Bullflex, пом’якшують вищевказаний ефект, при цьому анкерне кріплення не дає подібного результату. Підтверджено ефективність опорної конструкції обраного типу кріплення з урахуванням межі безпеки, а її несуча здатність у всіх випадках була 23-49%. Аналіз збіжності показав, що зміни за висотою і шириною виробки в часі можуть бути описані з точністю до 90% квадратичною функцією. Наукова новизна. Встановлено взаємозв’язок між схемою кріплення виробки і рухливістю навколишнього її породного масиву, що дозволило дати кількісно-якісну оцінку стійкості виробки на підставі вельми тривалого 6-річного геотехнічного моніторингу. Практична значимість. Отримані характеристики деформацій породного масиву, час вторинної рівноваги і напружень елементів кріплення в результаті довготривалого моніторингу підтвердили правильність вибору типу кріплення. Результати моніторингу корисні для зворотного аналізу фізичної моделі та прийнятих в ній параметрів, які згодом можуть використовуватися для побудови чисельної моделі.

Цель. Проведение комплексного геотехнического мониторинга для оценки устойчивости подземной горной выработки в сложных условиях с ограниченным количеством геотехнических данных и определенным физическими допущениями. Методика. Проведено мониторинг состояния горного массива и крепления выработки в течение 6 лет. Были изучены 3 выработки каменноугольной шахты различных конструкций, которые долгое время находились в эксплуатации. Методы мониторинга включали: измерения оседания, контроль за расстоянием между кровлей и почвой, измерение нагрузки на вертикальные опоры и на крепь. Использовалось следующее оборудование: эндоскопическая камера, акустические экстензометры, крепь с вмонтированной измерительной аппаратурой и гидравлические динамометры. Результаты. Установлено, что смещение пород кровли в значительной степени определяется типом используемой крепи, расслоением и прочностью пород кровли. С увеличением трещиноватости и слоистости пород кровли сильнее проявляется расслаивание пласта и подвижка пород в направлении выработки. Определено, что стальные арочные крепежные стойки, амортизированные надувными мешками Bullflex, смягчают вышеуказанный эффект, при этом анкерное крепление не дает подобного результата. Подтверждена эффективность опорной конструкции выбранного типа крепи с учетом предела безопасности, а ее несущая способность во всех случаях была 23-49%. Анализ сходимости показал, что изменения по высоте и ширине выработки во времени могут быть описаны с точностью до 90% квадратичной функцией. Научная новизна. Установлена взаимосвязь между схемой крепи выработки и подвижностью окружающего ее породного массива, что позволило дать количественно-качественную оценку устойчивости выработки на основании весьма длительного 6-летнего геотехнического мониторинга. Практическая значимость. Полученные характеристики деформаций породного массива, время вторичного равновесия и напряжения элементов крепи в результате долговременного мониторинга подтвердили правильность выбора типа крепи. Результаты мониторинга полезны для обратного анализа физической модели и принятых в ней параметров, которые впоследствии могут использоваться для построения численной модели.