Uncertain outcomes of geotechnical work illustrated with the example of a road tunnel

This paper presents a number of factors which influence the design and construction of a geotechnical structure, i.e. a road tunnel. For this type of structure, it is necessary to thoroughly examine the geological conditions and the properties of the rock mass. Research carried out on the basis of drilling gives only local results, which consequently only provides an estimated description of the characteristics and properties of the rock mass

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

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.The authors express their gratitude to the management of JSW S.A. coal mines for their help in organizing the experimental research

The Application of a Sonic Probe Extensometer for the Detection of Rock Salt Flow Field in Underground Convergence Monitoring

Special regulations have been laid down to establish the principles and requirements for the safety and serviceability of old mining workings which are adapted for tourism. To comply with these regulations the measurements were taken in the Bochnia Salt Mine, which has been in use for 800 years. The presented work demonstrates the use of a sonic probe extensometer in connection with the obtained results of displacement measurements in intact rocks surrounding the gallery. There were also test measurements carried out for determination of the real accuracy of the instrument. The presented study of deformations detected by electromagnetic extensometer measurements is presumed to be the first time that research has been made in salt mines operating in rock mass affected by tectonic stress. The paper presents the process of rock salt flow into the gallery observed over a period of 3 years. It is an unprecedented depiction of salt deformation subjected to natural stresses. One of the more surprising results presented here is the discovery of the occurrence of a specific distribution of strain around the measured gallery. The results of measurements showed that the southern part of the intact rock mass surrounding the passage is more compressed (strain rate 3.6 mm/m/year) than the northern one (strain rate 1.6 mm/m/year). This illustrates the presence and influence of additional tectonic effects resulting from the Carpathian push. These observations represent a new kind of research into tectonic stress and tectonic activity in underground measurements

Tectonic strain in salt rock mass based on measurements

The measurement method with the application of an extensometer for the detection of the manifestation of tectonic strain is presented in this paper. The instrument is operated in underground construction for engineering purposes, and the authors applied it in a deeply placed underground old mine gallery in the Bochnia Salt Mine, just at the tectonic boundary of the Outer Carpathians which is commonly considered to be a tectonically active zone. The presented study is characterized by two basic features. The first is the placement of the measurements deep in an old mine which is an environment free of atmospheric factors disturbing the detection of a tectonic signal. The second is a combination of routine measurements carried out for engineering purposes and research measurements enabling the extension of the observation of displacements in the space outside underground workings, inside the rock mass that has been penetrated by extensometer probes. The extensometric measurements have been made using three 7-meter long sections. The results showed the differentiation in the displacement rates of points placed in the side walls: in the southern profile, the annual displacements are approximately 1.5 mm and in the northern one – approximately 1 mm. The combined result corresponds to the amount of the annual convergence value which has been determined by the classical surveys in the excavation where extensometric measurements have been made. What is more, the ongoing displacements in the southern side wall involve the entire part of the rock mass which is penetrated by an extensometric probe, but the displacements in the northern side are only observed in the first 2 m of the penetrated part of the rock mass. This differentiation is interpreted by the authors as being the result of tectonic strain acting from the south exerted by the Carpathians

The Impact of Multiple Seam Mining Exploitations on Seismic Activity and State of Stress

The paper presents an analysis of seismic activity for selected areas of hard coal mine executing exploitation in a rock mass with a variable degree of rock disturbance, i.e., also with a varied number of previous mined-out seams. A distribution of vertical stress and a value of vertical stress concentration coefficient were also determined in the strata of immediate roof of the seams planned for mining. In the analyzed case, despite the lack of thick and solid strata of sandstones in the roof, the rock mass emits seismic activity, where the energy largely depends upon an impact of exploitation edges and tectonic disturbance

Difficulties in maintaining shaft lining – testing methods and repair methods – a case study

The paper performs the standards of shaft lining inspections used in Poland. They comprised four criterions: lining homogeneity, level of its corrosion, watertightness and load bearing capacity of the lining and the limit values for every criterion were worked out. If even one of above criterion is not met the repair works have to be taken. The example of shaft investigation and technical recommendations for the lining repair is shown as well. It is proved that only a comprehensive approach to the condition of the shaft lining can allow proper assessment of its performance for the next years

Roadways monitoring as a basis of support design and construction verification

Realizacja każdego górniczego procesu technologicznego, szczególnie w tak złożonych warunkach jakie występują w kopalniach podziemnych, powinna być monitorowana. Dotyczy to również zjawisk zachodzących wokół drążonych i utrzymywanych wyrobisk. W polskich kopalniach węgla kamiennego prowadzona ocena bieżącego stanu wyrobisk korytarzowych obejmuje najczęściej ocenę wizualną. Przy takim sposobie kontroli pracy obudowy, gdy nie ma możliwości ilościowej oceny stanu górotworu i obudowy, nie można skutecznie udoskonalać metod projektowych, oraz właściwe ocenić pracę zaprojektowanej konstrukcji. W artykule zawarto charakterystykę metod pomiarowych aktualnie stosowanych podczas monitorowania pracy obudowy oraz wybrane przykłady badań kopalnianych prowadzonych przez pracowników Wydziału Górnictwa i Geoinżynierii AGH. Przedstawiono różne aspekty stosowania monitoringu, który może służyć weryfikacji schematów obudowy, ocenie skuteczności rozrzedzania odrzwi obudowy podporowej oraz kontroli pracy nowych elementów konstrukcyjnych.Executing of any mining technological process, especially in such complex conditions as in underground mines, should be monitored. It concerns the phenomena occur in the rock mass around the driving and maintaining development workings as well. In polish coal mines the assessment of running roadways’ stability is carried out in the visual way only. In this way, without the quantitative evaluation of rock mass and support state, there is no possibility to improve designing methods, support constructions and its specific elements. The paper contains the review of up-to-date monitoring methods and some selected examples of roadways’ monitoring carried out by the workers of Faculty of Mining and Geoengineering AGH UST. The diversity of roadways monitoring application was performed. The ground control can verify designed support schemes, support spacing and behaviour of new construction elements

The range of the fractured rock mass zone around the excavation with rockbolt support

W artykule przedstawiono wyniki badań dołowych zasięgu strefy spękań górotworu wokół wyrobiska w samodzielnej obudowie kotwowej wykonanych endoskopem otworowym. Pomiary zrealizowane były w chodniku Bw-1n badawczym w pokładzie 401, który drążony jest przy pomocy kombajnu Bolter Miner. Następnie wykonany został model numeryczny z wykorzystaniem opartego na metodzie elementów skończonych programu Phase2, w celu określenia możliwości prognozowania zasięgu stref spękań.. Na koniec wykonano analizę porównawczą wyników badań dołowych z wynikami z modelu numerycznego.This article presents the results of underground research on the extent of the rock mass fracture zone around excavation with rock bolts only. The measurements were conducted by borehole endoscope in the gallery Bw-1n in the 401 coal seam, which is being driled by Bolter Miner entry driver. A numerical model was also built using the finite element-based program Phase2 to evaluate the fracture zone extent. Finally, the results of the underground research with the results of the numerical model were compared

Automatic Monitoring System Designed for Controlling the Stability of Underground Excavation

Ensuring the stability of mining excavations is a crucial aspect of underground mining. For this purpose, appropriate shapes, dimensions, and support of workings are designed for the given mining and geological conditions. However, for the proper assessment of the adequacy of the used technical solutions, and the calibration of the models used in the support design, it is necessary to monitor the behavior of the excavation. It should apply to the rock mass and the support. The paper presents the automatic system designed for underground workings monitoring, and the example of its use in the heading. Electronic devices that measure the rock mass movements in the roof, the load on the standing support, and on bolts, the stress in the rock mass, are connected to the datalogger and can collect data for a long of time without any maintenance, also in hard-to-reach places. This feature enables the system to be widely used, in particular, in excavations in the vicinity of exploitation, goafs, or in the area of a liquidated exploitation field

Roadway Stability Evaluation on the Basis of Modern Monitoring of Displacement

The paper presents the application of a 3D laser measurement technology in a modern monitoring of roadways. The authors analyze the possibility of using a three-dimensional scanning measurement of longwall working dimensions. The measurement results are presented in the form of a cloud of points obtained from a 3D laser scanning. The paper also presents a comparison of the results obtained from the convergence of traditionally-made measurements with the measurements derived from the threedimensional scanning and discusses possible methods of comparing different point clouds