Development of natural underground ore mining technologies in energy distributed massifs

The object of research is the technology and facilities for underground mining of ores in the disrupted massifs. One of the most problematic places is the formation of man-made voids; which influence the occurrence and redistribution of stress-strain state (SSS) of the rock massif. Their existence in the earth's crust provokes the influence of geomechanical and seismic phenomena; up to the level of earthquakes. The study used: – data from literature sources and patent documentation in the field of technologies and facilities for underground mining of ores in the energy-disrupted massifs of substantiation of technological parameters of operating units; – laboratory and production experiments; – physical modeling and selection of compositions of solidifying mixtures. Analytical researches; comparative analysis of theoretical and practical results by standard and new methods with the participation of the authors were performed. The questions of seismogeodynamic monitoring of the SSS of the rock massif during the safe development of rock-type ore deposits are considered. The interaction of natural and man-made systems providing geomechanical balance of ore-bearing massifs is shown. Possibilities of controlling the geomechanics of a massif with filling of man-made voids with various solid mixtures and tails of underground leaching of metals from substandard ores are investigated. The typification of processes is given and the distinctive features of underground block leaching of metals from rock ores are formulated in the aspect of controlling the geodynamics of the massif. The principle estimation of the combined technologies with rationalization of use of the SSS of the rock massif for regulation of the sign and magnitude of stresses in natural and artificial conditions is shown. The conclusions about the effectiveness of the controlled interaction of natural and man-made systems; ensuring the geomechanical balance of massifs and the earth's surface in the area of subsoil development over a long period of time. The research results can be used in the underground development of ore deposits of complex structure of Ukraine; the Russian Federation; the Republic of Kazakhstan and other developed mining countries of the world

Technology of micro-cement injection of destroyed and fractured massif at orlovsky mine

Purpose. Research into the method of strengthening destroyed and fractured rock massif by micro-cement injection during rock driving at Orlovsky mine of “Vostoktsvetmet” LLP. Methods. In situ researches of massif strengthening by cement slurry were performed. Monitoring of injection works implementation was carried out by control tests of reinforced rock cores. Phase composition of core samples (crushed probe) was defined on the X-ray diffractometer. Method of raster electron microscopy with energy dispersive microanalysis was used to determine the surface morphology and local elemental analysis of core samples. The material and labor costs related to works on strengthening of rock massif were calculated. Findings. Massif strengthening method was studied. MasterRoc MP 650 micro-cement produced by BASF Construction Chemicals Ltd with addition of 1 – 2% of cement weight of Rheobuild 2000PF was used as cement slurry. The uniformity of the working contour in tunnel faces was observed after the third cycle of works on rocks injection. Unsafe working conditions for packer installation have been revealed. It was recommended to carry out pilot tests of tunneling technology in destroyed and fractured massif using the two-component organic-mineral resin “Blocksil” and long selfwedging packers with injection tubes. Originality. We established peculiarities of implementing technology of strengthening destroyed and fractured rock massif by micro-cement injection. Quantitative indicators of micro-cement content in the injected rock massif were identified. Practical implications. Technology of strengthening destroyed and fractured rock massif by micro-cement injection was developed and tested at Orlovsky mine.Мета. Дослідження способу зміцнення зруйнованого та сильнотріщинуватого масиву гірських порід шляхом застосування ін’єкціювання мікроцементами при проходці гірничих виробок на Орлівській шахті ТОВ “Востокцветмет”. Методика. Виконано натурні дослідження щодо зміцнення масиву тампонажним розчином. Проведено контроль виконання ін’єкційних робіт шляхом контрольних випробувань кернів укріпленого ґрунту. Визначено фазовий склад зразків керна на рентгенівському дифрактометрі. Вивчена морфологія поверхні й виконаний локальний елементний аналіз зразків керна методом растрової електронної мікроскопії з енергодисперсійним мікроаналізом. Виконано розрахунок матеріально-трудових витрат на виконання робіт по зміцненню масиву гірських порід. Результати. Досліджено спосіб зміцнення масиву тампонажним розчином на основі мікроцемента Rheocem®650 виробництва компанії BASF з добавкою Rheobuild 2000PF у кількості 1 – 2% від маси цементу. Встановлено, що витримування контуру виробки у прохідницьких забоях спостерігається після третього циклу робіт з ін’єкціювання гірських порід. Виявлені небезпечні умови робіт з установки пакерів. Рекомендовано провести дослідно-промислові випробування технології проходки гірничих виробок із застосуванням двокомпонентної органомінеральної смоли “Блоксил” із використанням саморозклинювальних довгих пакерів з ін’єкційними трубками. Наукова новизна. Встановлено особливості застосування технології зміцнення зруйнованого та сильнотріщинуватого масиву гірських порід шляхом застосування ін’єкціювання мікроцементами. Виявлено кількісні показники вмісту мікроцемента в ін’єкційованому породному масиві. Практична значимість. Розроблена й випробувана технологія зміцнення зруйнованого та сильнотріщинуватого масиву гірських порід ін’єкціюванням мікроцементами для умов Орлівської шахти.Цель. Исследование способа укрепления разрушенного и сильнотрещиноватого массива горных пород путем применения инъекцирования микроцементами при проходке горных выработок на Орловской шахте ТОО “Востокцветмет”. Методика. Выполнены натурные исследования по укреплению массива тампонажным раствором. Проведен контроль выполнения инъекционных работ путем контрольных испытаний кернов укрепленного грунта. Определен фазовый состав образцов керна на рентгеновском дифрактометре. Изучена морфология поверхности и выполнен локальный элементный анализ образцов керна методом растровой электронной микроскопии с энергодисперсионным микроанализом. Выполнен расчет материально-трудовых затрат на выполнение работ по упрочнению массива горных пород. Результаты. Исследован способ упрочнения массива тампонажным раствором на основе микроцемента Rheocem®650 производства компании BASF с добавкой Rheobuild 2000PF в количестве 1 – 2% от массы цемента. Установлено, что выдерживание контура выработки в проходческих забоях наблюдается после третьего цикла работ по инъекцированию горных пород. Выявлены небезопасные условия работ по установке пакеров. Рекомендовано провести опытно-промышленные испытания технологии проходки горных выработок с применением двухкомпонентной органоминеральной смолы “Блоксил” с использованием саморасклинивающихся длинных пакеров с инъекционными трубками. Научная новизна. Установлены особенности применения технологии укрепления разрушенного и сильнотрещиноватого массива горных пород путем применения инъекцирования микроцементами. Выявлены количественные показатели содержания микроцемента в инъекцированном породном массиве. Практическая значимость. Разработана и испытана технология упрочнения разрушенного и сильнотрещиноватого массива горных пород инъекцированием микроцементами для условий Орловской шахты.The authors express their sincere gratitude to engineering and technical personnel of Orlovsky mine of “Vostoktsvetmet” LLP for assistance in organizing and conducting field observations in mines

Rheology effect determination of the heterogeneous rock massif on the stress-strain state of the breakage face geomechanical system

The purpose of this study is to determine the nature of influence of the rheological properties of the rocks on the results of computational experiments simulating the mine workings contour condition during the breakage face advance. To determine the deformations along the mine workings contour, the calculations have been made of the junction area between the preparatory and stope face mine workings by the finite element method for various parameters of the material models. These data provided the basis for analysis of the patterns development of the rheology modelling influence on the stress-strain state of the geomechanical system. The obtained patterns are described by a function of many variables, and this function determines the limit and degree of rheology effect on the results of calculations. For the first time this pattern takes into account the heterogeneity of the rheological characteristics of rocks and the specifics of the computational domain geometry. The use of the obtained patterns makes it possible to simplify significantly the process of modelling in time and space of the geomechanical systems, which have a complex structure describing the interaction of several objects

Non-destructive testing of rock bolt fastening as an element of monitoring the state of mine workings

Purpose. To substantiate the informative parameter, to develop the method and equipment for non-destructive testing (NDT) of rock bolt fastening, as an element of geomechanical monitoring of the mine workings state. Methods. Analytical and bench experimental testing of shock-wave processes in the “rock bolt – bonding layer – rock massif” system. Findings. It has been established, that the non-destructive shock-wave method is the most satisfying for monitoring the geomechanical state of the “rock bolt – bonding layer – rock massif” system. This method is based on the registration and analysis of rock bolt oscillations, caused by non-normalized hit to the rock bolt end. It has been confirmed, that the most informative parameter is the relaxation time, that is the time over which the amplitude of oscillations decreases by “e” times. It has been shown, that clamping of the resin-grouted rock bolt in massif and its tensioning affects the relaxation time of damped oscillations. Furthermore, the relaxation time is inversely proportional to the degree of the rock bolt clamping, and is linked linearly with an increase in the rock bolt tensioning. The spectral composition of wedge shaped rock bolts self-oscillations, which are caused by impact excitation, depends both on the nature of clamping and on the rock bolt length, and makes it possible to identify the rock bolts by their length. Originality. The existence of a special type of damped longitudinal oscillations of the rock bolt in viscoelastic medium of the bonding layer has been established. The relaxation time of the specified type of oscillations was chosen as an informative parameter. An analytical link has been established between the informative parameter of shock-wave method of monitoring and the main indicators of rock bolt fastening quality: the degree of adhesion with massif and tension value. Practical implications. The method has been improved and equipment has been developed for non-destructive testing of rock bolt fastening, which makes it possible to control in-situ the rock bolt fastening quality, including the geomechanical state monitoring of mine workings.Мета. Обґрунтування інформативного параметра, розробка способу та апаратури неруйнівного контролю анкерного кріплення як елементів геомеханічного моніторингу стану гірничих виробок. Методика. Аналітичні та стендові експериментальні дослідження ударно-хвильових процесів в системі “анкер – закріплюючий шар – масив гірських порід”, апробація розробки в умовах шахт і підземних об’єктів цивільного та промислового призначення. Результати. Встановлено, що вимогам оперативності контролю з можливістю моніторингу геомеханічного стану системи “анкер – закріплюючий шар – масив” найбільш задовольняє ударно-хвильовий метод неруйнівного контролю, що реалізується шляхом нанесення ненормованого удару в торець анкера з реєстрацією та аналізом його коливань, при цьому найбільш інформативним та таким, що задовольняє ергономіці контролю, є параметр – час релаксації, за який амплітуда коливань зменшується в “е” разів. Показано, що ступінь защемлення сталеполімерного анкера в масиві та його натяг однозначно впливають на час релаксації затухаючого коливального процесу в системі “анкер – закріплюючий шар – масив”, при цьому зв’язок параметра з защемленням описується обернено пропорційною, а зв’язок з натягом анкера – лінійною залежністю. При ударному збудженні спектральний склад власних коливань клиновидних анкерів залежить як від характеру защемлення, так і від довжини анкера, що дозволяє при контролі виробок ідентифікувати анкери за їх довжиною. Наукова новизна. Встановлено існування особливого виду затухаючих поздовжніх коливань анкера в пружно-в’язкому середовищі закріплюючого шару. Як інформативний параметр вибрано час релаксації вказаного виду коливань, що в ергономічному діапазоні практично не залежить від сили збуджуючого удару. Встановлено аналітичний зв’язок між інформативним параметром ударно-хвильового методу контролю системи “анкер – закріплюючий шар – масив” і основними показниками якості металополімерного анкерного кріплення гірничих виробок: ступенем зчеплення з масивом та величиною натягу. Практична значимість. Вдосконалено метод і розроблено апаратуру неруйнівного контролю анкерного кріплення, які дозволяють оперативно у режимі моніторингу оцінювати якість закріплення анкера в масиві та його навантаження в умовах гірничих виробок діючого виробництва, зокрема, і у режимі системного геомеханічного моніторингу стану підземних виробок.Цель. Обоснование информативного параметра, разработка способа и аппаратуры неразрушающего контроля анкерного крепления как элементов геомеханического мониторинга состояния горных выработок. Методика. Аналитические и стендовые экспериментальные исследования ударно-волновых процессов в системе “анкер – закрепляющий слой – массив горных пород”, апробация разработки в условиях шахт и подземных объектов гражданского и промышленного назначения. Результаты. Установлено, что требованиям оперативности контроля с возможностью мониторинга геомеханического состояния системы “анкер – закрепляющий слой – массив” наиболее удовлетворяет ударно-волновой метод неразрушающего контроля, который реализуется путем нанесения ненормированного удара в торец анкера с регистрацией и анализом его колебаний, при этом наиболее информативным и таким, что удовлетворяет эргономике контроля, является параметр – время релаксации, за которое амплитуда колебаний уменьшается в “е” раз. Показано, что степень защемления сталеполимерного анкера в массиве и его натяжение однозначно влияют на время релаксации затухающего колебательного процесса в системе “анкер – закрепляющий слой – массив”, при этом связь параметра с защемлением описывается обратно пропорциональной, а связь с натяжением анкера – линейной зависимостью. При ударном возбуждении спектральный состав собственных колебаний клиновидных анкеров зависит как от характера защемление, так и от длины анкера, позволяет при контроле выработок идентифицировать анкеры по их длине. Научная новизна. Установлено существование особого вида затухающих продольных колебаний анкера в упруго-вязкой среде закрепляющего слоя. В качестве информативного параметра выбрано время релаксации указанного вида колебаний, которое в эргономичном диапазоне практически не зависит от силы возбуждающего удара. Установлена аналитическая связь между информативным параметром ударно-волнового метода контроля системы “анкер – закрепляющий слой – массив” и основными показателями качества металлополимерного анкерного крепления горных выработок: степенью сцепления с массивом и величиной натяжения. Практическая значимость. Усовершенствован метод и разработана аппаратура неразрушающего контроля анкерного крепления, которые позволяют оперативно в режиме мониторинга оценивать качество закрепления анкера в массиве и его нагружение в условиях горных выработок действующего производства, в том числе и в режиме системного геомеханического мониторинга состояния подземных выработок.The work results are part of the “Theories and me-thods development for geotechnical systems state ma-nagement to ensure mines performance intensification” research under National Academy of Sciences of Ukraine funding program

Influence of seismic events on shallow geotechnical structures

This paper deals with a summary of possible seismic loading of shallow geotechnical structures. It is known that seismic loading influences the underground structures much less than the structures on the surface, therefore, it is not usually taken into account. However, cracks or damage in lining occur due to vibration from time to time. Two effects of earthquakes are documented on these structures: an effect due to faulting and an effect due to vibration. At present, FEM is the most popular method to solve the above problems. Integrated earthquake simulation is the most frequent task that has a significant impact on seismic hazard and seismic risk estimations, and human actions against earthquake disasters. Three types of rock massif were defined for this study: soft rock, medium hard rock, and hard rock. More detailed description and sensitivity analysis are performed for circle cross-section of those structures. Sensitivity analysis was performed using soil interaction method according to Wang's methodology; change of lining diameter and elastic modulus of lining were tested. Thrust force must also be calculated for the no-slip condition. Graphs presented in this paper document individual relations between individual studied parameters. These results can be used as sufficient accurate final analysis while idealised conditions can be accepted.Web of Science22442141

Technological aspects of technogenic disturbance liquidation in the areas of coal-gas deposits development

The objective of this work is to develop the technological measures for liquidation of technogenic disturbances that have arisen within the residential areas. Based on the results of geophysical studies, the causes and factors of Earth’s surface caving occurrence that arose in the result of natural-technogenic processes activation in underworked massif and are caused by the soil subsidence under buildings and constructions, have been determined. The solution of the problem was carried out with the use of methods for observing the natural pulsed electromagnetic field of the Earth and electric tomography in the area adjacent to the place of caving. The conclusions about the possible causes of the caving trough formation and its further development have been formulated, as well as the technological scheme for its liquidation have been developed. The developed new technological scheme allows conducting the effective liquidation works in conditions of proximity to the residential buildings and maximally reduces these scopes of works at ecological and protective measures

Rock massif changes caused by undermining

Classical observation of surface deformation in undermined territories use repeated geodetic surveying. Results from these surveying do not offer data about physical changes that happen in the rock massif. To find out these changes, a complex of repeated geodetic and geophysical measurements of surface, borehole and surface-borehole system was used from 2002 to 2006. These measurements pointed out (beside the well known surface deformations) also that the changes inside the rock massif do not affect the massif as whole, but the “faulty zones” are formed there

Напряженно-деформированное состояние пород в надработанном породном массиве

Сравнением двух конечно-элементных методов обоснована методика объемного моделирования напряженно-деформированного состояния породного массива вокруг выработанного очистными работами пространства. Продемонстрирована изменчивость условий сооружения выработок в надработанном породном массиве.Порівнянням двох кінцевоелементних методів обґрунтована методика об’ємного моделювання пружно-деформованого стану породного масиву навколо виробленого очисними роботами простору. Продемонстрована мінливість умов спорудження виробок у надробленому породному масиві.The algorithm of 3D modelling of stress-strain a rock massif round a coal face is proved by comparison of two FE-methods. Variability of conditions is shown at building of mine workings in a rock massif at an overworking

Analysis of rock massif based on the theory of damage

This paper deals with analysis of rock massif in connection with a planned deposit of nuclear waste. This problem has emerged with renessaince of nuclear power plants which are now considered as a stable and relatively clean source of electrical energy. The deposits are located deep in rock massif and analysis of stress redistribution caused by cave drifting and temperature changes is required. Difficulties with solution of systems of non-linear algebraic equations were discovered and two variants of the arc-length method were tested

Revisiting the underground gasification of coal reserves from contiguous seams

Purpose. Substantiating of contiguous coal seams coefficient during application of borehole underground coal gasification technology based on dependences of interstratial rocks subsidence on gasification duration. Methodology. Using stand experimental research and methods of computer modeling we obtained the dependences of interstratial rocks subsidence in terms of their thickness change, alternating thickness of coal seams and duration of the gasification process. To reflect the geomechanical situation of rock mass around underground gasifier, license software Flac 5.00 was used. For data processing and building of synthesis dependences, the method of multiple regression using generally accepted data processing systems – Excel-2013 was used. Findings. The obtained inequality allows setting the coefficient of contiguous coal seams during the application of underground gasification technology. Setting this factor makes it possible to assess mining and geoogical conditions of coal seams occurrence with further rational order of their gasification. For values of contiguous coefficient 5.5–5.7, gasification of coal seams can be carried out both in ascending and descending sequence. In this case, there is no need to preserve the allowable distance between combustion faces on adjacent seams. Originality. To determine the contiguous of coal seams, a mathematical mechanism was developed, whose effectiveness is confirmed by computer simulation of rock massif that contains an underground gasifier and by research on a special test bench installation. The difference between the results was less than 24 %. Practical value. Dependence of interstratial rocks subsidence at changing duration of the gasification process describing the development of possible formation of gas-permeable cracks in interstratial rocks ensuring technological process was established. The obtained conditions of contiguous coal seams allow providing rational order of mine workings.Мета. Обґрунтування коефіцієнта зближення вугільних пластів при застосуванні технології свердловинної підземної газифікації, виходячи зі встановлених залежностей опускань міжпластових порід від тривалості газифікації. Методика. Стендовими експериментальними дослідженнями та методами комп’ютерного моделювання встановлені залежності опускання міжпластових порід при змінній їх потужності та потужності вугільних пластів від тривалості процесу газифікації. Для відображення геомеханічної ситуації гірського масиву навколо підземного газогенератора застосовано пакет ліцензійної прикладної програми Flac 5.00. Для обробки даних та побудови узагальнюючих залежностей використано метод множинної регресії із застосуванням загальновизнаної системи обробки даних Excel-2013. Результати. Отримана нерівність, що дає можливість встановлювати коефіцієнт зближення вугільних пластів при застосуванні технології підземної газифікації. Встановлення даного коефіцієнта дозволяє проводити оцінку гірничо-геологічних умов залягання вугільних пластів з подальшим раціональним порядком їх газифікації. При значеннях коефіцієнта зближення більших 5,5–5,7 газифікацію вугільних пластів можна проводити як у висхідному, так і низхідному порядках. При цьому не потрібно витримувати допустиму відстань між вогневими вибоями, що працюють на зближених пластах. Наукова новизна. Запропоновано математичний механізм для визначення коефіцієнта зближення вугільних пластів, ефективність якого підтверджена комп’ютерним моделюванням стану гірського масиву, що вміщує підземний газогенератор, та дослідженнями на спеціальній стендовій установці. Практична значимість. Встановлено залежності опускань міжпластових порід від тривалості газифікації, що характеризують утворення газопровідних каналів у породах міжпластя для забезпечення технологічності процесу. Отримана умова зближення вугільних пластів дозволяє проводити раціональний вибір порядку відпрацювання запасів вугілля.Цель. Обоснование коэффициента сближения угольных пластов при применении технологии скважинной подземной газификации, исходя из установленных зависимостей опусканий межпластовых пород от продолжительности газификации. Методика. Стендовыми экспериментальными исследованиями и методами компьютерного моделирования установлены зависимости опускания межпластовых пород при изменении их мощности мощности и мощности угольных пластов от продолжительности процесса газификации. Для отображения геомеханической ситуации горного массива вокруг подземного газогенератора применен пакет лицензионного приложения Flac 5.00. Для обработки данных и построения обобщающих зависимостей использован метод множественной регрессии с применением общепризнанной системы обработки данных Excel-2013. Результаты. Полученное неравенство дает возможность устанавливать коэффициент сближения угольных пластов при применении технологии подземной газификации. Определение данного коэффициента позволяет проводить оценку горно-геологических условий залегания угольных пластов с последующим рациональным порядком их газификации. При значениях коэффициента сближения больше 5,5–5,7 газификацию угольных пластов можно проводить как в восходящем, так и нисходящем порядках. При этом не нужно выдерживать допустимое расстояние между огневыми забоями, которые работают на сближенных пластах. Научная новизна. Предложен математический механизм для определения коэффициента сближения угольных пластов, эффективность которого подтверждена компьютерным моделированием состояния горного массива, вмещающего подземный газогенератор, и исследованиями на специальной стендовой установке. Практическая значимость. Установлены зависимости опусканий межпластовых пород от продолжительности газификации, характеризующие образования газопроводных каналов в породах междупластья для обеспечения технологичности процесса. Полученное условие сближения угольных пластов позволяет проводить рациональный выбор порядка отработки запасов угля