NUMERICAL SIMULATION of STRESS CONCENTRATIONS on PILLARS in a TYPICAL LONGWALL MINE

Öz

Coal is still the major resource to meet the expanding energy demand and widely used in coal-fired thermal power plants taking the advantage of rich reserves and cost-effective production. Longwall mining is a method that is widely used in Türkiye, in line with the trend in the world, that enables the economical and sustainable production of underground coal resources with mechanized equipment. Estimation of stress distribution and concentration zones in the excavation face and roof is critically important in terms of determining the appropriate hydraulic support properties in production by longwall mining. Advancing the wide excavation face along the mining direction causes in-situ stress distribution in the rock mass to change and the stresses associated with the excavation to intensify. This may trigger potential instability events. This study investigates the relationship of stresses developed on pillars due to longwall production with pillar dimensions and field loadings in a typical underground coal mine using numerical simulations. Parametric analysis was performed on three-dimensional models using Distinct Element Method. The simulation outputs characterize the performance of alternative pillar designs under different field loading conditions, in terms of stress distribution and concentration zones that will develop due to production.

Anahtar Kelimeler

• Underground Coal Mining
• Longwall Mining
• Distinct Element Method
• Stress Analysis

TİPİK BİR UZUNAYAK MADENİNDE TOPUK GERİLMELERİNİN SAYISAL SİMÜLASYONU

Öz

Kömür, zengin kaynaklar ve maliyet etkin üretim avantajları sunması nedeniyle günümüzde halen en sık kullanılan ve genişleyen enerji talebini karşılamak üzere termik santrallerde değerlendirilen bir yakıttır. Uzunayak madenciliği, yeraltı kömür kaynaklarının mekanize ekipmanla ekonomik ve sürdürülebilir üretimini mümkün kılan, dünyadaki eğilim ile örtüşür şekilde ülkemizde de yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Uzunayak üretiminde kazı arını ve tavanda gelişen gerilim dağılımı ve yoğunlaşma bölgelerinin kestirimi uygun hidrolik tahkimat özelliklerinin belirlenmesi açısından kritik seviyede önemlidir. Geniş kazı aynasının ayak boyunca ilerletilmesi, kaya kütlesinde doğal gerilim akışının değişmesine ve kazıya bağlı gerilimlerin yoğunlaşmasına neden olmaktadır. Bu durum potansiyel duraysızlık olaylarını tetikleyebilecek niteliktedir. Bu çalışma, tipik bir yeraltı kömür işletmesinde uzunayak üretimine bağlı olarak topuklar üzerinde gelişen gerilimlerin topuk boyutları ve arazi yüklemeleri ile ilişkisini sayısal simülasyonlar ile incelemektedir. Üç boyutlu modeller üzerinde ayrık eleman yöntemi ile parametrik analiz yapılmıştır. Simülasyon çıktıları, alternatif topuk tasarımlarının farklı saha yükleme koşulları altında performansını üretime bağlı gelişecek gerilim dağılımı ve yoğunlaşma bölgeleri türünden karakterize etmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Yeraltı Kömür Madenciliği
• Uzunayak Madenciliği
• Ayrık Eleman Yöntemi
• Gerilim Çözümlemesi

Kaynakça

1. Barczak, T.M., 1992. Examination of Design and Operation Practices for Longwall Shields. U.S. Department of The Interior, Bureau of Mines, Information Circular/1992.
2. BP. (2022, September). Statistical Review of World Energy. Retrieved from BP Global Web
3. site:https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html
4. Crouch, S. L. and Fairhurst, C., 1973. “The Mechanics of Coal Mine Bumps,” USBM, Contract No. H0101778.
5. Energy Information Administration (EIA), 1995. Longwall Mining. U.S. Department of Energy, Office of Coal, Nuclear, Electric and Alternate Fuels. Washington, DC: U.S. Department of Energy.
6. Haycocks, C., Karmis, M. and Ehgartner, B. (1982) Multiple Seam Mine Design. Paper in State-of-the-Art of Ground Control in Longwall Mining and Mine Subsidence, SME, AIME, pp. 59 - 65.
7. International Energy Agency, 2022. Coal-Fired Power. Coal: https://www.iea.org/reports/coal-fired-power
8. Itasca Consulting Group, Inc. (2020) 3DEC — Three-Dimensional Distinct Element Code, Ver. 7.0.

9. Jawed, M., Sinha, R.K. and Sengupta, S., 2013. Chronological development in coal pillar design for bord and pillar workings: A critical appraisal.
10. Mark, C., & Gauna, M., 2021. Pillar design and coal burst experience in Utah Book Cliffs longwall operations. International journal of mining science and technology, 31, 33-41.
11. Peng, S. S. (1978). Coal mine ground control. Wiley.
12. Sasaoka, T., Mao, P., Shimada, H., Hamanaka, A. and Oya, J., 2020. Numerical Analysis of Longwall Gate-Entry Stability under Weak Geological Condition: A Case Study of an Indonesian Coal Mine. Energies, 13(18), 4710. MDPI AG. Retrieved from http://dx.doi.org/10.3390/en13184710
13. Singh, G.S. and Singh, U.K., 2010. Prediction of caving behavior of strata and optimum rating of hydraulic powered support for longwall workings. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 47, 1-16.
14. Singh, R., Pathan, A. G., & Ünver, B., nd. Design of Rib Pillars in Longwall Mining Based on Theoretical and Practical Approaches., 23-38.
15. Vakili, A., Albrecht J. and Gibson W., 2010. Mine-Scale Numerical Modelling of Longwall Operations. Underground Coal Operators' Conference, 115-124
16. Wagner, H., 1980. Pillar Design in Coal Mines. Journal of South African Institute of Mining and Metallurgy, 37-45.
17. Yavuz, H., 2002. Uzunayak Madenciliğinde Duraylı Topuk Tasarımı. Türkiye 13. Komur Kongresi Bildiriler Kitabı, 285-295.