Numerical modeling of stress redistribution to assess pillar rockburst proneness around longwall panels : Case study of the Provence coal mine, France

par Samar Ahmed

Thèse de doctorat en Mécanique - Génie civil

Sous la direction de Marwan Al-Heib et de Yann Gunzburger.

Le président du jury était Mikael Rinne.

Le jury était composé de Isabelle Contrucci.

Les rapporteurs étaient J.M. Galera Fernàndez, Véronique Merrien-Soukatchoff.

  • Titre traduit

    Modélisation numérique de la redistribution des contraintes pour évaluer la prédisposition aux coups de terrain autour des panneaux de longue taille : étude de cas de la mine de charbon de Provence, France


  • Résumé

    Le phénomène de coup de terrain est une explosion violente de roche qui peut se produire dans les mines souterraines. Dans la présente recherche, nous avons essayé de démontrer les causes qui peuvent influer sur la prédisposition aux coups de terrain en utilisant la modélisation numérique. Cependant, avant tout, l'état de contrainte avant l'exploitation minière et les contraintes induites par les excavations environnantes doivent être étudiés avec précision. La mine de charbon de Provence, qui a subi un phénomène de coup de terrain au niveau de son puits vertical entouré de nombreux panneaux de longue taille, a été choisie comme cas d’étude. Un modèle numérique 3D à grande échelle a été construit pour inclure la zone du puits vertical avec ses piliers et galeries à petite échelle et les panneaux de longue taille à grande échelle avec leurs zones de foudroyage associées. Plusieurs problèmes ont été rencontrés lors du développement de ce modèle numérique à grande échelle. Le premier porte sur l'initialisation de l'état de contrainte à grande échelle, où les contraintes verticales mesurées divergent avec le poids des déblais et les contraintes in situ sont très anisotropes. Le deuxième porte sur la simulation de la zone de foudroyage associée aux panneaux de longue taille. Le troisième concerne l'évaluation de l’instabilité du pilier en fonction de son ratio résistance/contrainte moyenne et de son volume. Le quatrième concerne l'évaluation de la prédisposition aux coups de terrain au niveau du puits vertical en fonction de différents critères. Cinq méthodes ont été développées pour initialiser l’état de contrainte hétérogène dans le modèle numérique à grande échelle avant l’exploitation minière. Elles sont basées sur la méthode de corrélation Simplex, qui consiste à optimiser la différence entre les valeurs de contrainte mesurées in-situ et les valeurs numériques. Le but est de développer des gradients qui soient capables d'exprimer l'hétérogénéité de la contrainte et qui soient compatibles avec les mesures in-situ. La méthode basée sur l’initialisation de l'état de contrainte avec des gradients 3D s’est avérée plus efficace que celle traditionnelle basée sur les ratios de contrainte horizontale à verticale. Concernant la simulation du foudroyage, trois modèles ont été développés et intégrés dans le modèle numérique pour exprimer le comportement mécanique dans la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille. Deux d’entre eux sont basés sur un comportement élastique alors que le troisième est basé sur un comportement elasto-plastique avec écrouissage un phénomène de consolidation. Il a été constaté que la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille peut atteindre 32 fois l'épaisseur de la couche exploitée et que le module d'élasticité de la partie la plus endommagée de la zone foudroyée ne doit pas excéder 220 MPa pour satisfaire la convergence toit-mur. Mais, avec l'avancée de l'exploitation, ce matériau souple se compacte sous la pression des couches supérieures. Dans le cas d'une largeur critique et super-critique, la contrainte verticale dans la zone de foudroyage pourrait dépasser le poids des déblais et pourrait augmenter jusqu'à 4 fois ce poids sur les bords. La contrainte verticale a augmenté dans les piliers au niveau du puit vertical suite à l'exploitation des panneaux de longue taille à proximité. Il a été constaté que le volume du pilier joue un rôle important dans sa stabilité. Le rapport contrainte/résistance a été jugé insuffisant pour expliquer un coup de terrain. Plusieurs critères ont été intégrés au modèle numérique pour évaluer la prédisposition aux coups de terrain. Il a été constaté que les critères basés sur les contraintes et les déformations sont capables d'évaluer la prédisposition aux coups de terrain


  • Résumé

    Rockburst is a violent explosion of rock that can occur in underground mines. In the current research, the main objective is to demonstrate the causes that may influence the rockburst proneness by using the numerical modeling tool. However, firstly, the pre-mining stress state and the induced stresses due to surrounding excavations have to be studied precisely. The Provence coal mine, where a rockburst took place in its shaft station that is surrounded by many longwall caving panels, has been chosen as a case study. A large-scale 3D numerical model has been constructed to include the shaft station area with its small-scale pillars and galleries, and the large-scale longwall panels with their accompanying goaf area. Many problems appeared while developing such large-scale numerical model, the first problem was the initialization of stress state at a large-scale, where the measured vertical stresses are in disagreement with the overburden weight, and the in-situ stresses are highly anisotropic. The second problem was the simulation of the goaf area accompanying longwall panels. The third problem was the assessment of pillars instability in terms of its strength/average stress ratio, and its volume. The Fourth problem was the assessment of rockburst proneness in the shaft station based on different rockburst criteria. Five methods were developed to initialize the heterogeneous pre-mining stress in the large-scale numerical model. These methods are based on the Simplex Method, which is mainly based on optimizing the difference between the in-situ measured stress values and the numerical stress values to develop stress gradients able to express the stress heterogeneity and compatible with the in-situ measurements. The method that is based on initiating the stress state with 3D stress gradients was found to be more efficient than the traditional method that is based on the horizontal-to-vertical stress ratios. Regarding the goaf simulation, three models were developed and implemented in the numerical model to express the mechanical behavior within the goaf area above longwall panels. Two of these models are based on an elastic behavior, and the third one is based on the strain-hardening elasto-plastic behavior that takes the consolidation phenomenon into consideration. It was found that the goaf area above longwall panels could reach up to 32 times the seam thickness, and the elastic modulus of caved area (the first few meters in the goaf area) did not exceed 220 MPa to fulfill the roof-floor convergence. But, with advance of the exploitation, this soft material consolidated under the pressure of the overlying strata. In case of critical and super-critical width, the vertical stress in the goaf area exceeded the overburden weight, and it increased up to 4 times the overburden weight on the rib-sides. The vertical stress increased in the shaft station pillars as a result of exploiting the nearby longwall panels. It was found that the pillar volume plays an important role in its stability. And, the strength/stress ratio was found to be insufficient to quantify the rockburst proneness in underground mines. Many rockburst criteria were implemented in the numerical model to assess the rockburst proneness. It was found that the criteria that are based on stress and strain changes were able to assess the rockburst proneness



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 01-01-2019

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