Multiattribute prediction of terrain stability above underground mining operations

This paper is dedicated to the problem of stability prediction of the terrain above underground mining operations. After the initial introduction to the problem, then the short analysis of the model approaches used to solve it, and giving the algorithm for rock massif stability prediction, we describe the concept of the multiattirbute terrain stability prediction method. The application of the multiattribute prediction method for stability of the terrain above underground mining operations is presented on the example of the Brown Coal Mine Aleksinac. The used method is original, essentially different from the other methods of mathematical modeling, because its prognosis of the rock massif stability under the influence of underground mining operations is based on the balance of the stability indicators. Our comparative analysis of the results obtained by multiattribute prediction and the data obtained by measurements of real deformations and terrain settling in multiple mines shows high mutual correlation, with an average deviation of less than ±10%. These results are confirmed entirely on the example of the Brown Coal Mine Aleksinac

A modern vision of simulation modelling in mining and near mining activity

The paper represents the creation of the software simulation system, which reproduce the basic processes of mining and near production. It presents the consideration of such systems for both traditional and non-traditional mineral extraction systems. The principles of using computer recognition of processes are also presented in other processes of carbon-containing raw materials transition, as well as power production and waste utilization of mining production. These systems considerably expand the manageability of a rather complicated mining enterprise. The main purpose of such research is the simulation reproduction of all technological processors associated with the activity of mining enterprises on the display of the dispatch center. For this purpose, is used so-called UML-diagrams, which allows to simulate mining and near mining processes. Results of this investigation were included to the Roman Dychkovskyi thesis of the scientific degree of the Doctor of the Technique Sciences “Scientific Principles of Technologies Combination for Coal Mining in Weakly Metamorphoses Rockmass”

Numerical methods of geomechanics tasks solution during coal deposits’ development

Purpose. Generalization of numerical modeling of geomechanical processes in the vicinity of mine workings by finite elements method and making recommendations for substantiation of suitable construction and behavior of rock massif physical model. Methods. Software packages SolidWorks Simulation (COSMOS/М) and ANSYS are used for geomechanical tasks solution. Findings. Solutions of geomechanical tasks dealing with topical issues of estimating stress-strain state of rock massif around underground workings of different functions are given. Data on the rock massif stress-strain state are received and recommendations on adequate and authentic reflection of its structural peculiarities (stratification and fracturing) are made. Physical model of rock condition (elastic, elastic-plastic, rheological diagrams and complete diagram of deformation taking into account weakening and fracturing) is presented. Originality. New data about the mechanism of movement processes of coal-bearing massif around mine workings considering stratification and cracks content, limit and out-of-limit deflection state in separate areas, and also the impact of rheological rock properties are received. Practical implications. Complex of geomechanical tasks solutions allow to increase credibility of rock pressure manifestations prediction and substantiate technical solutions for effective and safe operations at coal mines.Цель. Обобщение опыта численного моделирования методом конечных элементов геомеханических процессов вокруг горных выработок и формирование рекомендаций по обоснованию адекватного строения и поведения физической модели горного массива. Методика. Для решения задач геомеханики использованы пакеты прикладных программ SolidWorks Simulation (COSMOS/М) и ANSYS. Результаты. Приведены решения геомеханических задач по актуальным вопросам оценки НДС горного массива вокруг подземных выработок различного назначения. Получены закономерности поведения горного массива и даны рекомендации по адекватному и достоверному отражению его текстурных особенностей (слоистость и трещиноватость) и физической модели состояния горной породы (упругая, упруго-пластическая, реологическая, полная диаграмма деформирования с учетом разупрочнения и разрыхления). Научная новизна. Получен ряд новых закономерностей развития процессов сдвижения углевмещающего массива вокруг горных выработок с учетом его слоистости и трещиноватости, предельного и запредельного состояния в отдельных областях, а также влияния реологических свойств горных пород. Практическая значимость. Комплекс решений геомеханических задач позволяет повысить достоверность прогноза проявлений горного давления и обосновать технические решения по эффективному и безопасному ведению горных работ на угольных шахтах.Мета. Узагальнення досвіду чисельного моделювання методом скінченних елементів геомеханічних процесів навколо гірничих виробок і формування рекомендацій з обґрунтування адекватної будови й поведінки фізичної моделі гірського масиву. Методика. Для розв’язання задач геомеханіки використані пакети прикладних програм Solidworks Simulation (COSMOS/М) і ANSYS. Результати. Наведено розв’язання геомеханічних задач з актуальних питань оцінки НДС гірського масиву навколо підземних виробок різного призначення. Отримано закономірності поведінки гірського масиву й надано рекомендації з адекватного й достовірного відображення його текстурних особливостей (шаруватість і тріщинуватість) та фізичної моделі стану гірської породи (пружна, пружно-пластична, реологічна, повна діаграма деформування з урахуванням знеміцнення і розпушення). Наукова новизна. Отримано низку нових закономірностей розвитку процесів зрушення вуглевміщуючого масиву навколо гірничих виробок з урахуванням його шаруватості й тріщинуватості, граничного й позамежного станів в окремих областях, а також впливу реологічних властивостей гірських порід. Практична значимість. Комплекс розв’язань геомеханічних задач дозволяє підвищити вірогідність прогнозу проявів гірського тиску й обґрунтувати технічні розв’язання з ефективного й безпечного ведення гірничих робіт на вугільних шахтах.The materials discussed in the article were received while performing a complex of research works at the request of a number of industrial enterprises in coal mining in Donbas. The authors are grateful to M. Illiashov, M. Barabash, Yu. Cherednychenko, O. Vivcharenko, V. Chervatiuk, O. Husiev for providing mine-and-geological and technical information on features of conducting mining operations at their enterprises, and also for useful recommendations and fruitful discussion of the received results which are intended to provide an effective solution to mine-technical issues in coal mining

Classification of Theories about Rock Pressure

The first classificationsw of physical properties of rocks and hypotheses of rock pressure in the world practice are analysed. The analysis of internationally widely known theories about rock pressure and physical processes around mine workings is executed. Classification of theories about rock pressure on classification feature “condition of investigated massif” is constructed. The energy theory that describing capsulation by the massif of underground mine working is offered

Self-regulating roof-bolting with the rock pressure energy use

The perspective of discovery of zonal disintegration phenomenon of rocks around underground mine workings is analyzed. The methodological stages for research of this phenomenon are shown. The physics of zonal disintegration of rocks around underground mine workings is disclosed. There are described the possibilities of advanced entropy method and developed energy method that allow to investigate a phenomenon of zonal capsulation of underground mine workings. The sequence of research of this phenomenon parameters is presented. The order of choice of stable shape and resource-saving support in underground mine workings is substantiated, for the deep horizons of the Kryvorizkyi Iron-Ore Basin mines. The method of parameters calculation of self- regulating roof-bolting in underground mine workings is substantiated, which allows to use the rock pressure energy. The design of a self- regulating roof-bolting is developed, which allows applying metal, polymer and rope bolts. The economic efficiency of rock pressure energy usage is substantiated in case of support setting at great depths in underground mine workings

Classification of Theories about Rock Pressure

The first classificationsw of physical properties of rocks and hypotheses of rock pressure in the world practice are analysed. The analysis of internationally widely known theories about rock pressure and physical processes around mine workings is executed. Classification of theories about rock pressure on classification feature “condition of investigated massif” is constructed. The energy theory that describing capsulation by the massif of underground mine working is offered

Analytical assessment of mine water rebound. Case study Ruhr coal basin

This study aims to assess key factors that influence mine water rebound on the example of a large amount of hard coal mines flooded or being flooded in Europe. Three German mines have been selected for a detailed study. A mathematical model based on analytical formulae of seepage theory has been employed to calculate time-dependent radial inflow to the shaft simulated as a big well in vertically heterogeneous rocks. The results of modelling showed good conformity with measurements for all studied mines. Besides, we evaluated the sensitivity of the model output to parameter variations for mine water level and initial inflow to the mine

Forecast of potentially dangerous rock pressure manifestations in the mine roadways by using information technology and radiometric control methods

Purpose. To reduce risk of emergency and injury-risk situations while improving the methods for predicting stress-strain state of the rock mass with the help of information systems, and to detect fissure locations in the mine roadways with the help of radiometric control. Methods. Analysis and generalization of experimental data; mathematical modeling of geomechanical and filtration processes by means of the finite element method; underground investigations of changes in activity of α-radiation of certain radon-isotope in the atmosphere of the mine roadways using standard methods as well as radiometric control equipment; and statistical processing of measurement results. Findings. Ratios, determining correlation between parameters of geomechanical process (i.e. fracture porosity, inclination angles of the fracture networks and their strike) and parameters of gas- dynamic process (i.e. intensity, gas flow rates and direction of gas travel) have been obtained. A mathematical model based on the finite element method is proposed in which a reasonable assumption is made that deformation of the pore medium is equal to the varied volume of the pore and fracture area. In the context of the model, deviation part of the strain tensor determines changes in the shape of the rock mass elements during disintegration. Spherical part of the strain tensor characterizes changes in volume and permeability of the pore and fracture area; it is determined by a value of minimum principal strains of the model elements. Parameters of the pore and fracture area location, volume and permeability were substantiated in the rock mass. The mine investigations have helped determine that within the areas of geological dislocations, concentration of radon daughter decay product of alpha-radiation polonium (Po218) experiences more that 2 – 4 times increase in relation to the roadway average value. On the basis of the criterion, it is proposed to use radiation monitoring of the mine roadways to identify areas of newly formed fracture systems resulting from fracture system deformation as one of the elements of method for the integrated control of the rock mass state. Originality. For the first time, regularities of changes in the pore and fracture area shape and volume at different stages of the adjacent longwall mining have been determined basing on parameters of technogenic fracture system orientation and spherical part of the strain tensor. The method of controlling the safe state of rocks has been further developed; it differs in the use of the determined ratios between changes in fracture system parameters and changes in α-radiation activity of some radon isotopes, methane concentrations and their correlation. Practical implications. The research results have been applied for the development of analytical and experimental approach to control safety of production environment in mines.Мета. Знизити ризики виникнення аварійних і травмонебезпечних ситуацій в шахтах шляхом вдосконалення методів прогнозу напружено-деформованого стану масиву порід із використанням інформаційних систем та виявлення локацій тріщин у гірничих виробках методом радіометричного контролю. Методика. Аналіз і узагальнення експериментальних даних; математичне моделювання геомеханічних і фільтраційних процесів методом скінченних елементів; шахтні дослідження змін активності α-випромінювань окремих ізотопів радону в атмосфері гірничих виробок стандартними методами та апаратурою радіометричного контролю; статистична обробка результатів вимірювань. Результати. Отримані співвідношення, що встановлюють взаємозв’язки параметрів геомеханічного процесу (тріщиною пористістю, кутами падіння і простягання систем тріщин) з параметрами газодинамічного процесу (інтенсивністю, витратами та напрямком переміщення газів). Запропоновано математичну модель на базі методу скінченних елементів, в якій прийнято обґрунтоване припущення, що деформація пористого середовища дорівнює зміні об’ємів порово-тріщинного простору. У моделі девіаторна частина тензора деформацій визначає зміни форми елементів породного масиву в процесі руйнування. Кульова частина тензора деформацій характеризує зміни об’єму і проникності порово-трещинного простору та визначається величиною мінімальних головних деформацій елементів моделі. Обґрунтовані параметри розташування, об’ємів і проникності порово-тріщинного простору в масиві порід. Шахтними дослідженнями встановлено, що в місцях дислокації геологічних порушень концентрація дочірнього продукту розпаду радону α-випромінювання полонію (Po218) зростає більш ніж в 2 – 4 рази по відношенню до середнього по виробці значення. На базі вказаного критерію запропоновано використовувати радіометричний моніторинг гірничих виробок для виявлення локацій новоутворених в процесі деформування систем тріщин в якості одного з елементів методу комплексного контролю стану породного масиву. Наукова новизна. Вперше на базі параметрів орієнтації систем тріщин техногенного походження й кульової частини тензора деформацій встановлені закономірності змін форми та об’ємів порово-тріщинного простору на різних етапах відпрацювання суміжних лав. Подальший розвиток отримав метод контролю безпечного стану гірських порід, який відрізняється використанням встановлених взаємозв’язків між змінами параметрів систем тріщин та змінами активності α-випромінювань окремих ізотопів радону, концентрацій метану і їх співвідношень. Практична значимість. Наукові результати використані при розробці аналітико-експериментального методу контролю безпеки виробничого середовища шахт.Цель. Снизить риски возникновения аварийных и травмоопасных ситуаций в шахтах путем совершенствования методов прогноза напряженно-деформированного состояния массива пород с использованием информационных систем и выявления локаций образовавшихся трещин в горных выработках методом радиометрического контроля. Методика. Анализ и обобщение экспериментальных данных; математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов методом конечных элементов; шахтные исследования изменений активности α-излучений отдельных изотопов радона в атмосфере горных выработок стандартными методами и аппаратурой радиометрического контроля; статистическая обработка результатов измерений. Результаты. Получены соотношения, устанавливающие взаимосвязи параметров геомеханического процесса (трещинной пористостью, углами падения и простирания систем трещин) с параметрами газодинамического процесса (интенсивностью, расходами и направлением перемещения газов). Предложена математическая модель на базе метода конечных элементов, в которой принято обоснованное допущение, что деформация пористой среды равна изменению объема порово-трещинного пространства. В модели девиаторная часть тензора деформаций определяет изменение формы элементов породного массива в процессе разрушения. Шаровая часть тензора деформаций характеризует изменения объема и проницаемости порово-трещинного пространства и определяется величиной минимальных главных деформаций элементов модели. Обоснованы параметры расположения, объемов и проницаемости порово-трещинного пространства в массиве пород. Шахтными исследованиями установлено, что в местах дислокации геологических нарушений концентрация дочернего продукта распада радона α-излучения полония (Po218) возрастает более чем в 2 – 4 раза по отношению к среднему по выработке значению. На базе указанного критерия предложено использовать радиометрический мониторинг горных выработок для выявления локаций вновь образовавшихся в процессе деформирования систем трещин в качестве одного из элементов метода комплексного контроля состояния породного массива. Научная новизна. Впервые на базе параметров ориентации систем трещин техногенного происхождения и шаровой части тензора деформаций установлены закономерности изменений формы и объемов порово-трещинного пространства на различных этапах отработки смежных лав. Дальнейшее развитие получил метод контроля безопасного состояния горных пород, который отличается использованием установленных взаимосвязей между изменениями параметров систем трещин и изменениями активности α-излучения отдельных изотопов радона, концентраций метана и их соотношений. Практическая значимость. Научные результаты использованы при разработке аналитико-эксперимен-тального метода контроля безопасности производственной среды шахт.The authors express their gratitude to the Director of the Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Poljakov of National Academy of Sciences of Ukraine, Academician of the National Academy of Sciences of Ukraine, Professor A.F. Bulat for providing technical and informational support for the research

Assessment of mining activities with respect to the environmental protection

This paper deals with the impact of mining on the environment. Coal mining is still among the most widespread and most intense mining activity, which disturbs the landscape around us bringing regional environmental, economic and aesthetic problems. However, for many countries in the world, including the Czech Republic, deposits of raw materials play an important role, especially for purposes of producing electricity and thermal energy. At the same time, growing emphasis laid on the environmental protection can be observed worldwide. To meet the increasing ecological demands, it is reasonable to consider the most significant aspects of mining activities from the environmental point of view, as well as to consider the possibilities of the abandoned mines utilization as possible waste dumps. Parts of this problem consist in: the monitoring, environmental impacts assessment of exploration and mining activities and waste disposal mining, which may significantly contribute to the environmental protection in the future. Several parameters that can significantly affect the usability of the waste disposal mining, such as geological structure, hydro-geological conditions, material composition and physical and mechanical properties of rocks are discussed in detail in this work. The article also includes a practical example of Environmental Impact Assessment process for the particular activity of OKD stock company, which is the only producer of hard coal (bituminous coal) in the Czech Republic. Its coal is mined in the southern part of the Upper Silesian Coal Basin - in the Ostrava-Karvina coal district. KeywordsWeb of Science221937

Mathematical modeling of tight roof periodical falling

The paper proposes a method to determine of a coal seam roof falling step basing upon the analysis of stress and strain state of the rock mass area with mine workings formed as a result of coal preparatory and extraction operations. A boundary element method has been applied to define stress and strain state (SSS). Fissuring of enclosing rocks was modeled by means of transversal-isotropic medium. Dependence of destructed rocks zone height within the roof of a seam being mined upon the weakening of the rock mass due to its fissuring and mine working geometry has been determined. Effect of fissility on the periodical roof falling step has been studied. Changes in support loads in the process of stope advance have been determined. A scheme of partial backfilling of the worked out area has been proposed to maintain the support in its working order