Numerical modelling of the effect of temperature variation on stope stability in Bushveld Igneous Complex

Abstract

Purpose. This paper presents the result of the research carried out on the effect of increasing temperature and stresses with depth of mining on the stability of stope within the Bushveld Igneous Complex (BIC), where the South African Platinum mines are located. Methods. The stability of stope at the platinum mine was analysed using numerical modelling. A commercial geotechnical software, FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua), was used for the numerical modelling to study and to understand the behaviour of the rock in the deep and hot underground excavations. The modelling is hypothetical in the sense that there are no direct field measurements of failure or displacements. However, some field data received from the mines include virgin rock temperature, in-situ stress data. Findings. The plots of the yielded zones of the model for excavations at the depths of 1073, 2835 and 5038 m revealed that there would be shear and tensile failures at 2835 and 5038 m, however, these failures will be higher at 5038 m than what will be witnessed at shallow depths. This observation could be attributed to higher in-situ stresses and virgin rock temperatures. Originality. Major researches on the platinum mine have not extensively consider the influence of the increased temperature at the ultra-depth level hence this study aims to fill the gap by studying the effect of the increased temperature and stresses on the stability of stopes at the ultra-depth levels within the BIC. Practical implications. This research showed that mining at ultra-deep levels would pose a challenge of an increase in horizontal and vertical displacements with increasing depth. It is recommended that horseshoe-shaped stopes could be preferred in such conditions to avoid high-stress concentration at the corners of the roof of the stopes, which may reduce failures from shallow-depth to ultra-depth levels. Also, based on the magnitude of convergence that will be experienced at ultra-deep mining levels (3500 to 5000 m), it is recommended that access development is located in the more competent strata, such as in mottled anorthosite with an average UCS of 82 MPa.

Мета. Вивчення впливу температури і напружень, що ростуть зі збільшенням глибини виробки, на стабільність очисного вибою у Бушвелдському магматичному комплексі (БМК), де знаходяться платинові рудники ПАР. Методика. Для аналізу стабільності очисного вибою у платиновому руднику було застосовано чисельне моделювання. Для вивчення й розуміння поведінки породи при глибоких і високотемпературних підземних розробках використовувалася комерційна геотехнічна програма FLAC. Моделювання носило гіпотетичний характер у тому сенсі, що воно не ґрунтувалося на прямих польових вимірах обвалень або зсувів. Проте, деякі польові дані, отримані на рудниках, включали температуру первинної породи та внутрішньопластові напруження. Результати. Дослідження показали, що розробка пласта на надглибоких рівнях супроводжується зростанням горизонтальних і вертикальних зсувів зі збільшенням глибини розробки. Криві пластично деформованих зон у моделі розробок на глибинах 1073, 2835 і 5038 м дозволили спрогнозувати обвалення при зсуві та від напружень на глибинах 2835 і 5038 м. Проте, на глибині 5038 м обвалення будуть більш значними порівняно з менш глибокими розробками, що може бути пояснено більш високими значеннями внутрішньопластових напружень і температури первинної породи. Наукова новизна. Автори основних досліджень платинових рудників не розглядали в достатній мірі вплив зростання температури у виробках на надглибоких рівнях, тому дана робота заповнює прогалину у вивченні впливу збільшення температури та напружень на стабільність очисних вибоїв на надглибоких рівнях у БМК. Практична значимість. Рекомендовано застосовувати вибій підковоподібної форми для запобігання формування концентрації високих напружень у кутах покрівлі вибою. Рекомендовано в умовах надвисоких глибин (від 3500 до 5000 м) розташовувати виробку в більш стійких пластах, таких як крапчастий анортозит із середньою межею міцності на одновісний стиск 82 МПа.

Цель. Изучение влияния температуры и напряжения, растущих с увеличением глубины выработки, на стабильность очистного забоя в Бушвелдском магматическом комплексе (БМК), где находятся платиновые рудники ЮАР. Методика. Для анализа стабильности очистного забоя в платиновом руднике было применено численное моделирование. Для изучения и понимания поведения породы при глубоких и высокотемпературных подземных разработках использовалась коммерческая геотехническая программа FLAC. Моделирование носило гипотетический характер в том смысле, что оно не основывалось на прямых полевых измерениях обрушений или сдвигов. Однако, некоторые полевые данные, полученные на рудниках, включали температуру первичной породы и внутрипластовые напряжения. Результаты. Исследования показали, что разработка пласта на сверхглубоких уровнях сопровождается ростом горизонтальных и вертикальных сдвигов с увеличением глубины разработки. Кривые пластически деформируемых зон в модели разработок на глубинах 1073, 2835 и 5038 м позволили спрогнозировать обрушения при сдвиге и от напряжения на глубинах 2835 и 5038 м. Однако, на глубине 5038 м обрушения будут более значительными по сравнению с менее глубокими разработками, что может быть объяснено более высокими значениями внутрипластовых напряжений и температуры первичной породы. Научная новизна. Авторы основных исследований платиновых рудников не рассматривали в достаточной степени влияние роста температуры в выработках на сверхглубоких уровнях, поэтому данная работа восполняет пробел в изучении влияния увеличения температуры и напряжений на стабильность очистных забоев на сверхглубоких уровнях в БМК. Практическая значимость. Рекомендовано применять забой подковообразной формы для предотвращения формирования концентрации высоких напряжений в углах кровли забоя. Рекомендовано в условиях сверхвысоких глубин (от 3500 до 5000 м) располагать выработку в более устойчивых пластах, таких как крапчатый анортозит со средним пределом прочности на одноосное сжатие 82 МПа.