The stability of deep coal roadways with large sections and thick top coal is a typical challenge in many coal mines in China. The innovative Universal Discrete Element Code (UDEC) trigon block is adopted to create a numerical model based on a case study at the Dongtan coal mine in China to better understand the failure mechanism and stability control mechanism of this kind of roadway. The failure process of an unsupported roadway is simulated, and the results suggest that the deformation of the roof is more serious than that of the sides and floor, especially in the center of the roof. The radial stress that is released is more intense than the tangential stress, while a large zone of relaxation appears around the roadway. The failure process begins from partial failure at roadway corners, and then propagates deeper into the roof and sides, finally resulting in large deformation in the roadway. A combined support system is proposed to support roadways based on an analysis of the simulation results. The numerical simulation and field monitoring suggest that the availability of this support method is feasible both in theory and practice, which can provide helpful references for research on the failure mechanisms and scientific support designing of engineering in deep coal mines.
Background: Spontaneous combustion of coal is one of the factors which causes direct or indirect gas and dust explosion, mine fire, the release of toxic gases, loss of reserve, and loss of miners' life. To avoid these incidents, the prediction of spontaneous combustion is essential. The safety of miner's in the mining field can be assured if the prediction of a coal fire is carried out at an early stage. Method: Adularya Underground Coal Mine which is fully mechanized with longwall mining method was selected as a case study area. The data collected for 2017, by sensors from ten gas monitoring stations were used for the simulation and prediction of a coal fire. In this study, the fuzzy logic model is used because of the uncertainties, nonlinearity, and imprecise variables in the data. For coal fire prediction, CO, O2, N2, and temperature were used as input variables whereas fire intensity was considered as the output variable.The simulation of the model is carried out using the Mamdani inference system and run by the Fuzzy Logic Toolbox in MATLAB. Results: The results showed that the fuzzy logic system is more reliable in predicting fire intensity with respect to uncertainties and nonlinearities of the data. It also indicates that the 1409 and 610/2B gas station points have a greater chance of causing spontaneous combustion and therefore require a precautional measure. Conclusion: The fuzzy logic model shows higher probability in predicting fire intensity with the simultaneous application of many variables compared with Graham's index.
Background: Underground mines have several hazards that could lead to serious consequences if they come into effect. Acquiring, evaluating, and using the real-time data from the atmospheric monitoring system and miner's positional information is crucial in deciding the best course of action. Methods: A graphical user interface-based software is developed that uses an AutoCAD-based mine map, real-time atmospheric monitoring system, and miners' positional information to guide on the shortest route to mine exit and other locations within the mine, including the refuge chamber. Several algorithms are implemented to enhance the visualization of the program and guide the miners through the shortest routes. The information relayed by the sensors and communicated by other personnel are collected, evaluated, and used by the program in proposing the best course of action. Results: The program was evaluated using two case studies involving rescue relating to elevated carbon monoxide levels and increased temperature simulating fire scenarios. The program proposed the shortest path from the miner's current location to the exit of the mine, nearest refuge chamber, and the phone location. The real-time sensor information relayed by all the sensors was collected in a comma-separated value file. Conclusion: This program presents an important tool that aggregates information relayed by sensors to propose the best rescue strategy. The visualization capability of the program allows the operator to observe all the information on a screen and monitor the rescue in real time. This program permits the incorporation of additional sensors and algorithms to further customize the tool.
The soil-structure relative stiffness is a key factor affecting the seismic response of underground structures. It is of great significance to study the soil-structure relative stiffness for the soil-structure interaction and the seismic disaster reduction of subway stations. In this paper, the dynamic shear modulus ratio and damping ratio of an inhomogeneous soft soil site under different buried depths which were obtained by a one-dimensional equivalent linearization site response analysis were used as the input parameters in a 2D finite element model. A visco-elasto-plastic constitutive model based on the Mohr-Coulomb shear failure criterion combined with stiffness degradation was used to describe the plastic behavior of soil. The damage plasticity model was used to simulate the plastic behavior of concrete. The horizontal and vertical relative stiffness ratios of soil and structure were defined to study the influence of relative stiffness on the seismic response of subway stations in inhomogeneous soft soil. It is found that the compression damage to the middle columns of a subway station with a higher relative stiffness ratio is more serious while the tensile damage is slighter under the same earthquake motion. The relative stiffness has a significant influence on ground surface deformation, ground acceleration, and station structure deformation. However, the effect of the relative stiffness on the deformation of the bottom slab of the subway station is small. The research results can provide a reference for seismic fortification of subway stations in the soft soil area.
The subsidence mechanism of ground surface is a complex phenomenon when multiple seam coal mining operations are carried out. Particularly, the coal mining beneath karstic formations causes a very special form of subsidence. The subsidence causes elasto-plastic deformation of the karstic layers and the collapse of cavities leads to dolinization and/or sinkhole formation. In this study, a sinkhole with a depth of 90 m and a width of 25 m formed in Gelik district within the coal-basin of Zonguldak (NW, Turkey) induced by multiple seam coal mining operations in the past has been presented as a case-history together with two-dimensional numerical simulations and InSAR monitoring. The computational results proved that the sinkhole was formed as a result of severe yielding in the close vicinity of the faults in contact with karstic formation due to multiple seam longwall mining at different levels.
Underground mining causes surface subsidence long after the mining operation had been ceased. Surface subsidence can be in the form of saucer-shaped depression or collapsed chimneys or sinkholes. Sinkhole formations are predominant over shallow-depth room and pillar mines having weak overburden strata. In this study, occurrences of sinkholes due to mining activity are assessed based on local geological conditions and mining parameters using fuzzy reasoning techniques. All input and output parameters are represented with linguistic hedges. Numerous fuzzy rules are developed to relate sinkhole occurrences with input parameters using fuzzy relational matrix. Based on the combined fuzzy rules, possibility of sinkhole occurrences can be ascertained once the geological and mining parameters of any area are known.
Instability of bolted rock mass has been a major hazard in the underground coal mining industry for decades. Developing effective support guidelines requires understanding of complex bolted rock mass failure mechanisms. In this study, the dynamic failure behavior, mechanical behavior, and energy evolution of a laboratory-scale bolted specimens is studied by conducting laboratory static-dynamic coupled loading tests. The results showed that: (1) Under static-dynamic coupled loading, the stress-strain curve of the bolted rock mass has a significant impact velocity (strain rate) correlation, and the stress-strain curve shows rebound characteristics after the peak; (2) There is a critical strain rate in a rock mass under static-dynamic coupled loading, and it decreases exponentially with increasing pre-static load level. Bolting can significantly improve the critical strain rate of a rock mass; (3) Compared with a no-bolt rock mass, the dissipation energy ratio of the bolted rock mass decreases exponentially with increasing pre-static load level, the ultimate dynamic impact energy and dissipation energy of the bolted rock mass increase significantly, and the increasing index of the ratio of dissipation energy increases linearly with the pre-static load; (4) Based on laboratory testing and on-site microseismic and stress monitoring, a design method is proposed for a roadway bolt support against dynamic load disturbance, which provides guidance for the design of deep underground roadway anchorage supports. The research results provide new ideas for explaining the failure behavior of anchorage supports and adopting reasonable design and construction practices.
There are many joint fissures distributed in the engineering rock mass. In the process of geological history, the underground rock mass undergoes strong geological processes, and undergoes complex geological processes such as fracture breeding, expansion, recementation, and re-expansion. In this paper, the damage-stick-slip process (DSSP), an analysis model used for rock mass failure slip, was established to examine the master control and time-dependent mechanical properties of the new and primary fractures of a multi-fractured rock mass under the action of stress loading. The experimental system for the recemented multi-fractured rock mass was developed to validate the above theory. First, a rock mass failure test was conducted. Then, the failure stress state was kept constant, and the fractured rock mass was grouted and cemented. A secondary loading was applied until the grouted mass reached the intended strength to investigate the bearing capacity of the recemented multi-fractured rock mass, and an acoustic emission (AE) system was used to monitor AE events and the update of damage energy. The results show that the initial fracture angle and direction had a significant effect on the re-failure process of the cement rock mass; Compared with the monitoring results of the acoustic emission (AE) measurements, the master control surface, key blocks and other control factors in the multi-fractured rock mass were obtained; The triangular shaped block in rock mass plays an important role in the stress and displacement change of multi-fracture rock mass and the long fissure and the fractures with close fracture tip are easier to activate, and the position where the longer fractures intersect with the smaller fractures is easier to generate new fractures. The results are of great significance to a multi-block structure, which affects the safety of underground coal mining.
Rock damage is the main cause of accidents in underground engineering. It is difficult to predict rock damage accurately by using only one parameter. In this study, a rock failure prediction model was established by using stress, energy, and damage. The prediction level was divided into three levels according to the ratio of the damage threshold stress to the peak stress. A classification predicting model was established, including the stress, energy, damage and AE impact rate using Bayesian method. Results show that the model is good practicability and effectiveness in predicting the degree of rock failure. On the basis of this, a multi-parameter classification predicting deterioration model of rock failure was established. The results provide a new idea for classifying and predicting rockburst.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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