Research Abstract
ABSTRACT
Mine developments such as haulage drifts and cross-cuts are the primary access to the mining blocks of an orebody in multilevel mining systems for tabular ore deposits. Thus, their stability is of utmost importance during the planned period of production or the life of a mine plan. Many Canadian underground mines use longitudinal and transverse stoping with delayed backfill to extract tabular ore deposits. These methods require access to the orebody through a number of sill drives or cross-cuts which link the orezone to the haulage drift hence creating intersections on multiple levels. Mine development instability could lead to serious consequences such as injuries, production delays and higher operational cost.
The objective of this research is to develop a hybrid approach in which deterministic numerical modelling is integrated with probabilistic methods to evaluate the stability of mine developments due to nearby mining activity. A case study comprising four consecutive mine levels in a deep underground metal mine in Sudbury, Ontario has been adopted for this study.
The stability performance of the haulage drift is assessed using two separate evaluation criteria, namely Mohr-Coulomb yield function and Brittle Shear Failure. Random Monte-Carlo (RMC) technique is then employed in conjunction with Finite difference modelling software FLAC to determine the probability of instability or unsatisfactory performance of the haulage drift with respect to nearby mining sequence. In this study, the haulage drift performance is considered unsatisfactory when the yield zones or brittle shear failure around the haulage drift extend beyond the anchorage limit of the rock support. A comparison of the results from Mohr-Coulomb and Brittle Shear conditions has revealed that Mohr-Coulomb is more conservative from a design point of view.
A three-dimensional, elastoplastic, finite difference model (FLAC 3D) is then constructed to simulate the case study mining orezone. The unsatisfactory performance of the intersection is evaluated with respect to mining sequence in terms of the strength-to-stress ratio computed by FLAC3D. Unsatisfactory stability performance is defined by a strength-to-stress ratio that is less than 1.4 and its corresponding extent into the rockmass around the intersection. Due to the large size of the FLAC3D model, the probabilistic simulations are conducted with the Point-Estimate Method (PEM), which requires significantly lesser number of simulations than Random Monte-Carlo (RMC). The results are presented and categorized with respect to probability, instability, and mining stage.
In order to validate the numerical model, Multi-point borehole extensometers (MPBX) are installed at selected intersections to monitor the rock deformations as mining activities progress. The monitoring results revealed a lateral shift of the drift walls toward the orebody and much less deformations in the drift back. Finally, a methodology is developed to estimate the geotechnical risk of drift instability by considering the probability of failure and cost of consequence of such failure at an intersection. A 5-level risk index is derived which ranges from low to extreme. The methodology is demonstrated through an intersection from the case study mine, and the risk index is shown to vary with mining sequence. It is shown that the risk-index methodology can be used to confirm the need for enhanced supports, but it can also be used as basis for the comparison alternative mine designs.
______________________
RÉSUMÉ
Les développements miniers tels que les galeries de roulage et les travers-bancs constituent les accès principaux au gisement lors de l’exploitation d’un gisement tabulaire sur plusieurs niveaux. C’est pourquoi leur stabilité est d’une importance primordiale pendant la période de production ou pendant la planification d’une l’exploitation. De nombreuses mines souterraines canadiennes emploient des méthodes d’abatage par chambres avec remblayage différé pour exploiter les gisements tabulaires. Ces méthodes nécessitent un accès au gisement par de nombreux travers-bancs qui relient le gisement aux galeries de roulage, créant des intersections à de nombreux niveaux. L’instabilité de ces galeries peut conduire à de graves conséquences mettant en jeu la sécurité du personnel, à des retards de production et à des couts d’opération plus importants.
L’objectif de cette recherche est de développer une approche hybride, basée sur une modélisation numérique déterministe intégrant des méthodes probabilistes, pour évaluer la stabilité d’une galerie d’avancement en fonction de la proximité de l’activité minière. Nous présentons une application à une mine métallique située à Sudbury, en Ontario, dans laquelle l’exploitation est réalisée sur 4 sous-niveaux.
La stabilité d’une galerie de roulage est calculée à partir des 2 critères suivants: critère de plasticité de Mohr-Coulomb et « Brittle Shear Failure ». La méthode de simulation aléatoire de Monte Carlo (RMC) est utilisée conjointement avec le logiciel de différences finies FLAC pour déterminer la probabilité d’instabilité de la galerie de roulage en fonction de la séquence d’exploitation choisie. La stabilité de la galerie de roulage est considérée comme non satisfaisante dès lors que la zone de plasticité autour de la galerie excède la longueur des boulons. Une comparaison entre les critères d’évaluation montre que le critère de plasticité est le plus sécuritaire pour témoigner de l’influence de la séquence d’exploitation.
Un modèle élasto-plastique en 3 dimensions, calculé par la méthode des différences finies (FLAC-3D), est crée pour simuler le cas d’application. La performance insatisfaisante d’une intersection est évaluée au moyen du ratio contrainte/résistance. La stabilité non satisfaisante est définie par un ratio inférieur au seuil de 1,4 et par l’étendue de la zone correspondante autour de l’intersection. Du fait de la grande taille du modèle numérique, les simulations probabilistes sont réalisées avec la méthode d’estimation ponctuelle qui nécessite un nombre significativement moins important de calculs que la méthode de Monte-Carlo aléatoire. Les résultats sont présentés et classés selon leurs probabilités, leur degré d’instabilité et l’état d’avancement de la séquence d’exploitation.
Des extensomètres de forage à points de mesure multiples (MPBX) sont utilisés pour mesurer les déformations rocheuses d’une intersection au fur et à mesure de l’excavation. Les résultats sont utilisés pour calibrer le modèle FLAC-3D. L’auscultation a montré l’existence d’un déplacement latéral des parois de la galerie de roulage en direction du gisement et une déformation moindre du toit. Le coût des conséquences de la rupture d’une intersection est estimé par le cout de développement d’un contournement. Une échelle de risque à 5 niveaux, allant de « faible » à « extrême », est proposée. Cette échelle de risque est appliquée à une intersection de la mine étudiée et on montre que le niveau de risque dépend de la séquence d’exploitation. On montre également que cette méthodologie peut être mise en œuvre afin de confirmer la nécessité d’un soutènement amélioré. Elle peut aussi servir pour la comparaison entre différentes méthodes d’exploitation.
