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By R. M. Spang

Abstract Between the German city of Dresden and the Czech capital Prague a 4-lane highway is under con-struction. At the outskirts of Dresden it will cross the narrow and deeply eroded Weißeritz Valley by a bridge. Two twin tube tunnels under oblique angles join the bridge out of the rocky valley flanks. The different geotechnical conditions of these 4 tunnel portals, their design and construction are described within this publication. The two southern portals of the tunnel Dölzschen are situated within a vertical 65 m high former quarry slope, 25 m above the valley floor. The slope proved instable due to toppling failure and exposed serious rockfall risks. Systematic anchoring, scaling, rock bolting, netting and filling under extreme access conditions eliminated these risks. Tunnel excavation started from the slope surface without any pre-cut or conventional portal construction. The opposite northern portals of the tunnel Coschütz are situated in more gentle rock slopes. After removal of debris, excavation of the eastern tunnel started in a 30° slope striking oblique to the driving direction, without any precut, too. Because of the gentle slope inclination the cross section was not earlier completely covered by rock than 30 m behind. The western tunnel started from an optimized short, narrow and steep precut. Its flanks were stabilized by reinforced shotcrete and rock bolts. Because of the small distance between the tubes rock bolts were drilled into the cross section of the neighboring tunnel. Tunnel excavation was made by drill and blast operation, preliminary support consisted of steel arches, reinforced shotcrete and radial rock bolts. Thorough survey of the bolt’s coordinates and direction prevented them from meeting each other. Rock bolts were of the permanent type to prevent the final lining from being obliquely loaded. Systematically arrayed measuring devices checked deformations of slopes and tunnels. Zusammenfassung Der Neubau der Bundesautobahn A 17 wird Dresden und Prag miteinander verbinden. Die vierspurige Autobahn quert westlich von Dresden das enge und tief eingeschnittene Tal der Wilden Weißeritz mit einer Brücke. An beide Brückenwiderlager schließen mit schiefwinkligem Anschnitt doppelröhrige Tunnel an, deren Portale in den felsigen Talflanken liegen. Die unterschiedlichen geotechnischen Verhältnisse, die Überlegungen für einen jeweils optimalen Entwurf und der Bau der portalnahen bergmännischen Tunnelabschnitte sind Gegenstand dieser Veröffentlichung. Die Südportale des Tunnels Dölzschen liegen in einer vertikalen, 65 m hohen Felswand, 25 m über dem Talgrund. Die Felswand erwies sich als global kippgefährdet, außerdem lagen flächig verteilte erhebliche Steinschlag- und Felssturzrisiken für Bau und Betrieb vor. Die Kippgefahr wurde durch ein Systemraster aus vorgespannten Felsankern, die Steinschlag- und Felssturzrisiken durch bergsteigerisches Beräumen mit dem Brecheisen, Felsnägel und Steinschlagschutznetze eliminiert. Der Tunnelausbruch begann von einer Vorschüttung direkt in der Felswand ohne Voreinschnitt im Schutz einer kurzen Luftbogenstrecke. Die gegenüberliegenden Nordportale des Tunnels Coschütz befinden sich in wesentlich flacheren Hängen. Nach dem Aushub einer mehrere Meter dicken Abraumhalde begann der Tunnelausbruch der östlichen Röhre asymmetrisch mit einer Luftbogenstrecke in einer spitzwinklig zur Vortriebsrichtung streichenden, 30° mit dem Vortrieb steigenden Felsfläche, ebenfalls ohne Voreinschnitt. Wegen der flachen Neigung der Böschung war der Tunnelquerschnitt erst nach 30 m vollständig überdeckt. Für den Vortrieb der westlichen Tunnelröhre mussten erst eine zwischen den Röhren vorhandene Felsnase teilweise abgetragen, die westlich anschließende zurückspringende Felswand vertikal gestellt und gesichert und Felsaushub in der rechten Flanke getätigt werden. Der damit entstehende Voreinschnitt wurde so kurz wie möglich und ohne seitliche Arbeitsräume ausgeführt. Die Sicherung der Böschungen erfolgte mit bewehrtem Spritzbeton und Felsnägeln. Wegen des geringen Abstands der beiden Röhren wurden die unteren Lagen der radialen Ausbruchsicherung durchgeankert. Der Tunnelvortrieb begann im Schutz eines geankerten Portalkranzes und ebenfalls von einer Luftbogenstrecke aus.

Jan 1, 2003

By T. Y. Yunsel

Estimation techniques such as polygonal, triangular prism, trapezoid, isopach maps, and inverse distance methods are often used in ore or industrial minerals deposit evaluation. These techniques do not express the variability of the deposit and do not allow a determination of the reliability of the estimates. However, geostatistical methods can express a measure of the error associated with the estimates, by finding weighting coefficients for a given mining block, and can also help with data configuration that minimizes the error. This work addresses an application study on the quality and reserve characteristics of the cement raw materials of the Adana Cement Factory in Adana, Turkey, based on the spatial distribution and variability of the chemical components (Si02, CaO, A1203, Fe203). The study has been carried out using a geostatistical procedure that is useful for site assessment, characterization, and monitoring situations where data are collected spatially. Directional and omnidirectional experimental variograms of the cement raw material variables showed that neither strong geometric nor severe zonal anisotropy exists in the data. The most evident spatial dependence structure expressing the continuity for omnidirectional experimental variograms were characterized by exponential and spherical variogram models. These models have been used in cross¬-validation analysis, which proved that these models, their parameters, and kriging parameters are applicable for the study area. Quality contour maps of the deposits at given levels underground were estimated using a kriging interpolation technique. Anomalies such as bullseyes and drift were not observed in the maps that were generated. Kriged maps showed the spatial distribution of quality continuity and variability of the deposits. Grade-tonnage curves and total tonnage estimates in the particular grade were determined using ordinary kriging in order to improve the mining operation and planning. Consequently, local uncertainty and the probability of extreme values occurring are tools of prime importance for the mine planning, the optimum mix of raw materials coming from different quarry stopes.

Jan 1, 2012

Outotec?s direct leaching process is an atmospheric leaching process for sulphidic zinc concentrates. The direct leaching process, based on special leaching reactors developed by Outokumpu, is the most economical way to produce electrolytic zinc. The production scale applications of the process realized so far are in use at Boliden?s Kokkola and Odda zinc plants. A new full-scale application of Outotec?s direct leaching process will be started in 2008 in China. The process is integrated to the existing production plant, replacing part of the old production facilities by modern technology. Besides high zinc extraction the plant expansion and modernization offers also indium recovery, iron precipitation and solution purification processes. The process equipment includes tailor-made reactors designed on the basis of the work and experience of Outotec research center. Keywords: zinc, concentrate, atmospheric leaching, technology, indium, iron precipitation, solution purification, Outotec

Jan 1, 2008

By T. Saito, S. Murata

An original concept of JRC-diagram that can evaluate JRC and its size-effect by using a fractal model was proposed. In order to confirm the applicability of the JRC-diagram, first, JRC of the tensile fracture surfaces of a granite and a sandstone were evaluated by both the JRC-diagram and Barton's JRC-profiles, and then, it was compared with the JRC inversely calculated from the peak shear strength that is obtained from the shear test for each fracture using Barton's empirical equation. As a result, JRC evaluated by the JRC-profiles was much smaller than the inversely calculated JRC. On the other hand, it became clear that JRC evaluated by the JRC-diagram is almost the same with the inversely calculated JRC, if the size of interlocking is evaluated correctly. Therefore, for the JRC evaluation, it is thought that the JRC-diagram is more applicable than the JRC-profiles. Als ein neues Verfahren zur Bewertung des Rauheitsindexes JRC für die Bruchfläche von Felsenschichten anhand eines fraktalen Modells, wobei auch der Maßeffekt berücksichtigt wird, wird ein JRC-Diagramm vorgeschlagen. Um die Angemessenheit der Bewertung vom JRC mit diesem JRC-Diagramm festzustellen, wurden die JRC-Werte an einer Bruchfläche zwischen Granit und Sandstein sowohl mit dem JRC-Diagramm als auch mit dem herkömmlichen JRC-Profilverfahren bewertet. Anschließend wurden die durch die beiden Verfahren ermittelten Werten mit den JRC-Werten verglichen, die von den Schertestergebnissen mit Hilfe von Bartonschen Erfahrungsformel zurückgerechnet werden können. Daraus ergab sich, daß das JRC-Profilverfahren ziemlich kleinere JRC-Werte gibt als bei der Zurückrechnung, während die JRC-Werte durch das JRC-Diagramm unter entsprechender Bewertung des Ineinandergreifungsmaßes an der Bruchfläche beinahe gleich sind wie die zurückgerechneten Werte. Diese Tatsache weist darauf hin, daß das JRC-Diagramm eine bessere JRC-Bewertungsmethode als das JRC-Profilverfahren darstellt. Nous avons proposé le diagramme JRC, nouvelle méthode d'évaluer JRC qui est un indice de rugosité superficielle d'une fracture de roche à l'aide du modèle de fracturation, compte tenu de son effet d'échelle. Pour vérifier la validité de JRC évalué au moyen de ce diagramme, nous avons évalué JRC d'une fracture de roche, granite et grès, par le diagramme JRC et le profil JRC, méthode conventionnelle, et les résultats ainsi obtenus ont été comparés avec la valeur de JRC calculée en sens inverse à l'aide de la formule empirique Barton sur la base des résultats de l'essai de cisaillement des fractures. Il en résulte que la valeur de JRC obtenue par le profil JRC était assez faible en comparaison avec la valeur calculée en sens inverse alors que celle de JRC obtenue par le diagramme JRC correspondait approximativement à la valeur calculée en sens inverse à condition d'évaluer l'échelle d'endentement d'une fracture. Par conséquent, nous considérons que le diagramme JRC est une meilleure méthode d'évaluation de JRC par rapport au profil JRC.

Jan 1, 2003

By D. Boldini, R. Lackner, H. A. Mang

ABSTRACT: In this paper, the strong interaction between the hardening shotcrete lining and the surrounding ground in NATM tunneling is investigated by means of axisymmetric analyses, accounting for the three-dimensional nature of the excavation process. The effect of the hydration of shotcrete on strength, stiffness, chemical shrinkage as well as microcracking and creep are accounted for. For the description of the mechanical behavior of the ground, a multi-surface plasticity model is employed. The performed analyses of the excavation process provide insight into the influence of each phenomenon accounted for in the material model for shotcrete on the response of the ground-shotcrete compound structure. ZUSAMMENFASSUNG: In diesem Beitrag soll die Interaktion zwischen dem erhärtenden Spritzbeton und dem Boden auf der Basis axisymmetrischer Berechnungen untersucht werden. Derartige Berechnungen ermöglichen die Berücksichtigung des drei-dimensionalen Charakters des Vortriebprozesses. Die Auswirkung der Hydratation auf die Entwicklung der Festigkeit, Steifigkeit und der chemischen Schwindverzerrungen, sowie das Reißen und das Kriechen des Spritzbetons wurde berücksichtigt. Das mechanische Verhalten des Bodens wurde mittels eines Mehrflächenplastizitätsmodells simuliert. Die durchgeführten Berechnungen des Vortriebprozesses geben Einblicke in die Auswirkungen der Spritzbetoneigenschaften auf das Tragverhalten des Boden-Spritzbeton-Komposits. RÉSUMÉ: La stricte interaction entre le soutènement en béton projeté durcissant et le terrain dans un tunnel creusé avec la NATM est étudiée par des analyses axisymétriques, compte tenu de la nature tridimensionnelle des processus de creusement. Les effets de l’hydratation du béton sur la résistance, la rigidité et la contraction chimique, ainsi que sur la micro-fissuration et le fluage, sont mis en compte. Pour la description du comportement mécanique du terrain on emploie un modèle de plasticité multi-surface. Les analyses conduites mettent en évidence l’influence de chaque phénomène considéré dans le modèle constitutif du béton projeté sur la réponse de la structure composite terrain-béton projeté.

Jan 1, 2003

By J. -H. Wu, S. Nishiyama, Y. Ohnishi

The behaviors and stress distributions of the inclined jointed rock masses with different dip angles obtained from DDA are compared to the results of laboratory tests. By calculating the block stress distributions, it is confirmed that DDA can reproduce the arching around the trap door when lowering the trap door. The shapes of arching change with the angles of inclined layers. In addition, the earth pressures acting on the trap door shows non-symmetrical distributions when the layers are not horizontal. The stress concentration occurs in one side of the rock masses close to the trap door. Furthermore, the surface settlements are also related to the inclined angle, and the loosening zone in rock masses can be different from Terzghi’s theory [1]. Since, simulations have good agreements with the laboratory test , it demonstrates the applicability of DDA to explain the mechanical behaviors of tunnel, such as arching phenomenon, non-symmetrical earth pressure distributions acting on the trap door, and the surface settlement profile in the jointed rock masses. Dans cet article est décrite l’étude numérique du perçage d’un tunnel dans un massif de couches rocheuses jointes inclinées. La simulation à l’aide de l’Analyse de Déformation Discontinue (DDA), en faisant varier l’angle d’inclinaison des couches de roche, nous apporte des résultats en termes de distributions de contraintes et de comportement des couches, résultats qui sont ensuite comparés avec des résultats de tests en laboratoire. Les résultats confirment le fait que la DDA est capable de reproduire le phénomène d’arcage autour de la trappe lorsque la trappe s’abaisse. Les formes d’arcage varient selon l’angle d’inclinaison des couches de roche. Par ailleurs, lorsque les couches ne sont pas horizontales, la distribution de pression agissant sur la trappe est assymmétrique. La concentration de contraintes se produit du coté proche de la trappe. De plus, les tassements de surface dépendent eux aussi de l’angle d’inclinaison. En conséquence, les résultats de simulation sont en accord avec les tests en laboratoire, ce qui prouve que la DDA permet d’expliquer des comportements mécaniques du tunnel tels que l’arcage, les distributions assymmétiques de pression du sol sur la trappe, ainsi que le profil du tassement de surface dans la masse de roches jointes. Dieser Beitrag beschreibt eine numerische Studie über Tunnel im geklüftetem Fels. Das Verhalten und die Druckverteilungen in den unterschiedlich geneigten und geklüfteten Felsenmassen wird mit Hilfe des Discontinuous Deformation Analysis Programms (DDA) simuliert, und mit Laborversuchen verglichen. Die Resultate bestätigen, dass DDA der Gewölbewirkung im „Trapdoor“ Experiment gut reproduzieren kann. Die Form des Gewölbes, ändert sich mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der Schichten. Bei geneigten Schichten entstehen unsymmetrische Druckverteilungen. Auch die Oberflächenabsenkung ist von dem Neigungswinkel abhängig. Die gute Übereinstimmung der Simulationen mit den Laborversuchen zeigt, dass die DDA-Methode gut geeignet ist, um das mechanische Verhalten von Tunneln, wie z.B. den Effekt der Gewölbewirkung, die unsymmetrischen Druckverteilungen bei geneigten Schichten, oder die Oberflächenabsenkung in geklüfteten Felsenmassen, zu erklären.

Jan 1, 2003

By M. B. Shongwe

Pt-based alloys are being developed for high-temperature applications with the aim of replacing some of the currently used Ni-based superalloys (NBSAs) in the highest temperature applications. The Pt-based alloys have a similar structure to the NBSAs, and since Pt is more chemically inert than nickel and has a higher melting point, they can potentially be used at higher temperatures, up to 1300°C, and in more aggressive environments. Several experimental Pt-based alloys were studied at Mintek, and an optimum composition was found to be Pt84:Ahi:Ru2:Cr3 (at.%). On the basis of hardness and microstructure, a later study identified a new optimum: Ptr8:A111:Ru5:Cr6 (at.%). There are at least two Pt3A1 allotropes, and the high-temperature cubic structure has better properties than the lower temperature tetragonal form, and so needs to be stabilized. This work describes the latest results obtained in transmission electron microscopy (TEM) studies of the quaternary Pt-based superalloys. These results are both interesting and important, because the samples have a higher precipitate density compared to those from earlier work. The precipitate morphology is mainly cubic, with minor areas having irregular-shaped precipitates. The high volume fraction of the precipitates is a major breakthrough, since the objective of this work is to improve the alloys. A prior disadvantage was that the proportion of the precipitates was too low in samples before this work, especially compared with the work from Germany on Pt-Al-Cr-Ni¬-based alloys as well as the NBSAs. TEM -Pt3A1 diffraction patterns were studied, and for each diffraction pattern, many possible lattice point combinations were tried, with the angle between the lattice spots as well as interplanar spacings being calculated for each phase (cubic or tetragonal) to match the measured results. An overall analysis of the diffraction results indicates that the cubic phase fitted the experimental lattice points with much lower errors compared to the tetragonal phase. Thus, with the close match achieved with the cubic structure, the structure of -Pt3A1 precipitates is likely to be cubic. X-ray diffraction has been carried out on selected samples, and the results confirmed the presence of cubic -Pt3A1 and (Pt). Different X¬ray diffractometers were used to further verify the results, and the results were also compared with those from TEM.

Jan 1, 2012

By Y. -J. Park, K. -H. You, Y. -T. Choi, Lee. H. -W.

Many large caverns are being constructed in great depths in Korea mainly for the storage of oil and LPG. These caverns are mostly located near the port where rock conditions are reasonably good. In some instances, the horizontal stress is very high and endangers the stability of the cavern. The purpose of this study is to assess the stability of large caverns excavated in a rock mass with high horizontal stress where Ko value is close to 3. Result shows that stress exerted in the shotcrete at crown exceeds allowable value when the 3rd bench is excavated. Also found is the tensile failure of shotcrete near the boundaries between benches. In Korea werden viele grosse Kaverne fuer Aufbewahrung vom Oel und Fluessiggas in grosser Tiefe gebaut. Am Meisten befinden sich diese Kaverne in der Naehe von Haefen, wo der Fels gute Verhaeltnisse zum Bauen einer Kaverne besitzt. In einigen Faellen ist die Horizontalspannung sehr gross und dadurch wird die Stabilitaet vom Kaverne gefaerdet. Der Zweck dieser Arbeit ist die Stabilitaet des im Fels gebauten grossen Kavernes mit hoher Horiaontalspannung zu schuetzen, wo Ko-Wert sich auf 3 naehrt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannung im Spritzbeton an der Krone den zulaessigen Wert ueberschreitet, wenn das dritte Bank ausgegraben wird. Im Bereich des Spritzbetons zwischen Baenke wurde das Zugversagen festgestellt. Des larges cavités nombreuses sont en train d’être construites en grand profondeur en Corée prin-cipalement pour le stocage du pétrole et LPG. Ces cavités sont pour la plupart situées près de la porte oú les conditions des roches sont résonablement bons. En quelques cas, la contrainte hori-zontale est trés haute et met en danger la stabilité de la cavité. L’objet de cet étude est d’estimer la stabilité des large cavités excavées dans une masse de roche ayant une haute contrainte horizontale oú la valeur de Ko est proche à 3. Le résultat montre que la contrainte exercée dans le shotcrete à la couronne dépasse la valeur admissible quand le troisième banc est excavé. En plus une faillite en tension du shotcrete près de la frontière entre des bancs est trouvée.

Jan 1, 2003

By V. Jovicic, J. Likar

The knowledge of the geological sequence and hydrological conditions in the area of portals was the basis for the design of the entry of the highway into tunnel Trojane. Mudstone, claystone and sandstone dominate the rock layering, which is tectonically reworked and contains structural anomalies. The complexity of the sequence makes it impossible to survey all the relevant features along the full 3km length of the tunnel. Sudden and frequent transitions between litological sequences impose potential instabilities and make the excavation of the tunnel particularly difficult. The initial survey established the zones of potential failures. These were monitored using topographic survey and inclinometers with an aim to make further geotechnical analyses more reliable and adjusted to the ground conditions. The analyses of the wall construction and the results of the monitoring showed that the design of the retaining wall was adequate. La connaissance de la séquence géologique et des conditions hydrologiques dans l'aire des portails a été la base pour la planification de l'entrée de l'autoroute dans le tunnel Trojane. Le schiste, l'argilite et le grès dominent la couche rocheuse qui est tectoniquement transformée et contient les anomalies structurales. A cause de la complexité de la séquence, il est impossible de revoir toutes les particularités le long des 3 kilomètres de la toute longueur du tunnel. Les transitions soudaines et fréquentes entre les séquences lithologiques imposent l'instabilité potentielle et font l'excavation du tunnel particulièrement difficile. La revue initiale a été établie sur les zones où il existe l'éboulement potential. Elles étaient contrôlées à l'aide de la revue topographique et de l'inclinomètre pour que les analyses géotechniques suivantes soient plus sûres et adaptées aux conditions du sol. Les analyses de la construction des murs et des résultats du contrôle ont montré que la planification du mur réteneur était correspondante. Der Autobahneingang in den Trojane Tunnel war projektiert auf Basis von der Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen Bedingungen in dem Portalgebiet. Das Gebiet besteht aus dem Tonstein und dem Sandstein. Die Schichten sind tektonisch verformt und sind deswegen sehr heterogen. Die anfaenglichen Untersuchungen haben die Zonen von den potentiellen Bruechen definiert. Weitere geotechnische Analysen waren fitted an reale geologische Bedingungen durch das Monitoring der potentiellen Bruchzonen, welches aus den topographyschen Messungen und Inklinometerdaten entstand. Die Analyse des Wandbaues und die Resultate von dem Monitoring haben erwiesen, dass die Wandprojektierung entsprechend war.

Jan 1, 2003

By K. Thuro, R. J. Plinninger

ABSTRACT: Determining tunnel stability is a key issue during preliminary site investigation. In contrast, problems of excavatability have been largely ignored. While the choice of an economic tunnelling method is admittedly a clear priority in the planning stage, special investigations focus-sing on rock fragmentation (e.g. drilling or cutting performance, rock mass blastability or tool wear) are rarely carried out. This paper explores possibilities to quantify key parameters for rock mass excavatability in drilling, blasting and cutting by TBMs and roadheaders. RÉSUMÉE: La détermination de la stabilité du tunnel est une question clé lors des études prélimi-naires. En revanche, les problèmes d'excavabilité sont souvent en grande partie ignorés. Tandis que le choix d'une méthode de percement économique est évidemment une priorité claire dans l'étape de planification, des investigations spéciales se concentrant sur la fragmentation de la roche (par exemple le comportement de la roche au forage, à l’excavation ou au dynamitage et l’usure des outil) sont rarement effectuées. Cet article explore les possibilités pour quantifier les paramè-tres clé de la roche lors d’excavation par forage, dynamitage, au tunnelier (TBMs) ou à l’excavatrice. ZUSAMMENFASSUNG: Beim Tunnelbau wir meist die Vorhersage der Stabilität des ausgebrochenen Hohlraums als Schlüsselfragestellung betrachtet. Im Gegensatz dazu werden Probleme der Gebirgslösung weitgehend ignoriert. Während der Wahl einer wirtschaftlichen Vortriebsmethode während der Planungsphase meist noch eine gewisse Priorität beigemessen wird, werden spezielle Untersuchungen zur Gebirgslösung (Bohr- oder Schneidbarkeit, Sprengbarkeit oder Werkzeugverbrauch) nur sehr selten durchgeführt. Diese Publikation zeigt Möglichkeiten der Quantifizierung von Schlüsselparametern für die Gebirgslösbarkeit auf, also der Bohr- und Sprengbarkeit, der Fräsbarkeit mit Teilschnittmaschinen und der Schneidbarkeit mit TBMs.

Jan 1, 2003

By V. Labiouse, P. K. Kaiser, F. Descoeudres, F. Rojat

In this paper some failure phenomena observed in the crossing of brittle rock formations at the Lötschberg base tunnel are presented. A brittle failure criteria, recently developed by Canadian researchers, is applied through finite element calculations together with a semi-empirical failure criterion, to explain these behaviours. Good agreement is found between predicted and observed failures at the tunnel walls. This study also shows some of the limitations of this approach. Dans cet article sont présentés certains phénomènes de rupture observés durant la traversée de zones de roches fragiles lors de l’excavation du tunnel du Lötschberg. Un critère de rupture développé récemment par la recherche canadienne est utilisé à travers des calculs par éléments finis. En parallèle, les résultats sont comparés avec ceux d’un critère semi-empirique. Au niveau des parements, l’ampleur des ruptures observées est assez proche des résultats de calcul. Cette étude a également permis de mettre en avant certaines limites de l’approche choisie. In diesem Artikel werden verschiedene Brucharten dargestellt, die bei der Durchfahrung von sprödem Gestein im Rahmen des Ausbaus des Lötschberg-Basistunnels beobachtet wurden. Zur Erklärung des vorliegenden Verhaltens wurden die erst kürzlich in Kanada entwickelten Theorien zur Beschreibung von Sprödbrüchen herangezogen und bei der Berechnung mittels der Finite-Elemente-Methode und eines semi-empirischen Kriteriums angewendet. Die so vorhergesagten Versagenszonen an den Tunnelwänden stimmen mit den Beobachtungen gut überein. Die Studie hat auch dazu beigetragen, die bei der Anwendung des Lösungsansatzes angetroffenen Schwierigkeiten aufzuzeigen.

Jan 1, 2003

By B. P. Watson

The first crush pillars on the Bushveld platinum mines were introduced at Union Section in 1978. Before the introduction of crush pillars, serious problems were experienced when stoping advanced to a point 30 m to 40 m on both sides of the centre gully. At least three to four stopes were collapsing per month. The introduction of the pillars stopped the stope collapses in the mining area where they were introduced. The residual stresses of these pillars were never measured; however, the successful elimination of the ?back-break? problem suggests that the original pillars had a residual strength of at least 8 MPa. Apart from back analyses, very little work has been done to determine the residual strength of crush pillars and only very recently have any measurements been made. The lack of knowledge in this field has resulted in pillars being designed based on experience. Concerns about stope collapses, similar to the Coalbrook disaster, have led to larger pillars being cut in more recent times. If such pillars were cut in brittle quartzites they would always fail violently but the ductile nature of the Merensky Reef generally allows large pillars to fail without bursting. Occasionally, however, one would burst in a working area. Increased incidence of bursting has been reported on some mines at deeper levels but most of these bursts occur in the back areas. Nevertheless, the incidence of bursting increases the risk of falls of ground in already dangerous areas, and the larger pillars decrease the extraction ratio. This paper describes the evaluation of stress measurements conducted in two boreholes over a crush pillar with dimensions 2.5 m x4.0 m, and a height of 1.2 m. Boussinesq equations for vertical and shear stress were used to analyse the original measurements and provide a stress profile across the pillar as well as the residual strength of the pillar. The results showed an unexpectedly high peak stress of 280 MPa at the centre of the pillar and a residual strength of 48 MPa. The reason for the high residual strength is suspected to be the result of the stiff environment under which the pillar failed and the small height of the siding on the up-dip edge of the pillar. More measurements should be conducted on several mines to establish a range of residual strengths for narrow crush pillars.

Jan 1, 2008

By N. A. Sithole, S. A. C. Hockaday, P. J. A. Bezuidenhout

The Northern Cape Province in South Africa has high levels of annual direct normal solar irradiance and reserves of zinc (Zn) ores. The question arises as to the benefits of integrating renewable solar energy into the beneficiation routes of these reserves. The paper evaluates a novel flowsheet for the production and beneficiation of Zn in this region, maximising localised solar energy as a source for both electricity and process heat. Solar variability is discussed and the cost and benefits of thermal storage in the flowsheets are evaluated by its influence on the levelised costs of electricity and process energy over the project life-time at a possible implementation site. The results of the developed scoping model showed that solar photovoltaic integration to provide electricity for electrowinning without battery storage can lead to more than 10% cost saving on electricity over the lifetime of the project. Additional savings potential was identified when battery storage was included to enable the solar PV system to supply electricity during peak tariff periods. The solar thermal case showed the most promise with savings of 70% on heating costs for casting, while solar PV electricity without storage resulted in a 16% cost saving on heating for casting over the lifetime of the project. Solar PV electricity generation resulted in the avoidance of more than 20% of CO2 emissions from grid electricity use. Solar thermal heating can avoid up to 80% of the CO2 emissions associated with grid electricity use for remelting of Zn cathodes for casting. The CO2 emissions are indirect and not subject to South African carbon tax. Keywords: Solar process energy, zinc beneficiation, flowsheet evaluation

Jan 1, 2020

By S. Escoffier, A. Giraud, K. Su, F. Homand, N. Hoteit

Abstract For the feasibility study of an underground waste disposal the characterization of the coupled behaviour of the host rock is required: Because of the very low permeability of these formations few experimental data are generally available. In this framework the uses of the sensitivity studies could orient the experimental efforts by highlighting the key parameters of the formation. This paper gives a first approach of the sensitivity studies performed with probabilistic methods in the geomechanical field. A one dimensional model which characterizes the thermohydromechanical response of an argillaceous rock to the excavation of a waste canister site and its setting up, is considered. Zusammenfassun Die Machbarkeitsstudie eines tiefliegenden Endlagers für radioaktive Abfälle beinhaltet die Untersuchung des gekoppelten Verhaltens des im Lagerbereich anstehenden Gesteins. Aufgrund der sehr geringen Wasserdurchlässigkeit dieser Formationen liegen häufig nur wenige experimentelle Angaben vor. Die Verwendung von Sensibilitätsstudien kann in diesem Zusammenhang als Hilfsmittel zur Entscheidungsfindung dienen. Dabei sollen die maßgeblichen Eigenschaften der Formation festgestellt werden, anhand derer der Umfang der experimentellen Erkundung festgelegt werden kann. Dieser Artikel stellt einen ersten Ansatz zur Durchführung von Sensibilitätsstudien mittels einer mechanisch-probablistischen Kopplung im Bereich der Geomechanik sowie die Vorteile gegenüber Parameterstudien vor. Zur Abbildung des thermohydromechanischen Stoffverhaltens von tonigem Fels während der Schachterstellung und der Einlagerung der Abfälle wird ein eindimensionales Model verwendet. Résumé L'étude de faisabilité d'un centre de stockage de déchets radioactifs en profondeur passe par la caractérisation du comportement couplé de la roche hôte. Du fait de la très faible perméabilité de ces formations, souvent peu de données expérimentales sont disponibles. Dans ce cadre l'utilisation d'études de sensibilité permettrait d'orienter les efforts expérimentaux en faisant ressortir les caractéristiques primordiales de la formation. Cet article présente une première approche de la réalisation d'études de sensibilités à l'aide de couplages mécano-fiabilistes dans le domaine de la géomécanique. Un model unidimensionnel caractérisant la réponse thermohydromécanique d'une roche argileuse au creusement d'un puit de stockage et à la mise en place de conteneurs de déchets est considéré.

Jan 1, 2003

By J. Riss, S. Gentier, A. Marache

The study of the hydromechanical behaviour of fractured rock masses requires a detailed knowledge of the isolated fractures. The aim of the paper is the simulation of the evolution of the void space, located between both walls of a fracture, during a shear test under constant normal stress. Results of the mechanical simulation model are first validated then analyzed in detail. We observe that, during the shear process, there is an opening of the fracture with the creation of preferential channels. These channels are determined at the early phase of the shear process (pre-peak phase), and we observe during the post-peak phase that void areas increase in size rather than the creation of new apertures. Die Untersuchung des hydromechanischen Verhaltens eines zerlegten Felsmassivs erfordert genaue Kenntnisse der einzelnen Spalten. Ziel dieses Artikels ist die Simulation der Evolution des Hohlraumes zwischen den beiden Wänden eines Spaltes während eines Abscherungsexperimentes unter konstantem senkrechtem Druck. Die Ergebnisse der Modellierung werden zunächst mit dem Abscherungsexperiment verglichen und dann im Einzelnen ausführlich analysiert. Während des Abscherungsprozesses tritt eine Öffnung des Spaltes auf, die die Bildung von bevorzugten Fliesswegen fördert. Diese Kanäle werden bereits in einer frühen Phase des Abscherungsprozesses (pre-peak Phase) festgelegt. In der post-peak Phase tritt dann eher eine Vergrößerung dieser Kanäle, als die Bildung neuer Hohlräume auf. L’étude du comportement hydromécanique d’un massif rocheux fracturé ne peut se faire sans une connaissance approfondie des fractures le constituant. L’étude présentée dans cet article concerne la simulation de l’évolution de l’espace des vides présent entre les deux épontes d’une fracture au cours d’un essai de cisaillement à contrainte normale constante. Les résultats du modèle sont tout d’abord validés puis analysés en détail. On constate que, au cours du cisaillement, il apparaît une ouverture de la fracture permettant la création de chenaux préférentiels. Ces derniers sont déterminés très tôt dans le cisaillement (phase pré-pic), et on observe dans la phase post-pic davantage un accroissement de la taille des chenaux plutôt que la formation de nouvelles zones de vides.

Jan 1, 2003

By A. Rejeb, A. Millard

ABSTRACT: An evaluation of the importance of the thermo-hydro-mechanical couplings (THM) on the performance assessment of a deep underground storage design has been made as part of the international DECOVALEX III project. It is a numerical study that simulates a generic repository configuration in the near field in a granite medium. The thermo-hydro-mechanical evolution of the whole configuration is simulated over a period of 100 years. The model used to represent the unsaturated behaviour of the various porous media makes allowance for moisture transfers through the effect of thermal and water gradients. The paper presents a comparison of the temperature, water pressure and stress fields obtained by TM, TH, HM and THM coupled calculations. The results demonstrate that temperature is hardly affected by the couplings. In contrast the influence of the couplings on the mechanical stresses is considerable. This is attributed to the key role that water has on bentonite swelling or shrinkage effects that are dependent on its saturation level variations. KEY WORDS: Modelling, thermo-hydro-mechanical couplings, temperature, pressure, stress. ZUSAMMENFASSUNG : Im Rahmen des internationalen Projekts DECOVALEX III wurde untersucht, wie groß der Einfluss thermisch-hydraulisch-mechanischer Kopplungen (THM) auf die Leistungsfähigkeit eines Konzeptes zur Lagerung hoch radioaktiver Abfälle zu bewerten ist. Bei dieser numerischen Behandlung wird eine generelle Lagerungskonfiguration in granitartigem Milieu simuliert. Die thermisch-hydraulisch-mechanischen Prozesse werden für eine Dauer von 100 Jahren simuliert. Bei dem Modell, mit dem das Verhalten der verschiedenen, unterschiedlich porösen Milieus in ungesättigtem Zustand dargestellt werden soll, werden die Feuchtigkeitstransporte infolge thermischer und hydraulischer Vorgänge berücksichtigt. Verglichen werden in diesem Artikel verschiedene Temperatur-, Wasserdruck- und Beanspruchungsfelder, die sich aus TM-, TH-, HM- und THM gekoppelten Berechnungen ergaben. Dabei stellte sich heraus, dass die Temperatur nur gering von den Kopplungen berührt wird. Die Einflüsse der Kopplungen auf die Mechanik sind hingegen bedeutend; ausschlaggebend dafür ist der Faktor Wasser, der den Bentonit je nach Sättigungsgrad quellen oder trocknen lässt. SCHLÜSSELWÖRTER: Modellbildung, thermisch-hydraulisch-mechanische Kopplungen, Temperatur, Druck, Beanspruchung. RESUME : Dans le cadre du projet international DECOVALEX III, une évaluation de l’importance des couplages thermo-hydro-mécaniques (THM) sur les performances d’un concept de stockage de déchets fortement radioactifs a été menée. Il s’agit d’une étude numérique simulant une configuration générique de stockage en champ proche dans un milieu granitique. L’évolution thermo-hydro-mécanique de l’ensemble est simulée sur une période de 100 ans. Le modèle utilisé pour représenter le comportement non saturé des différents milieux poreux prend en compte les transferts d’humidité sous l’effet de gradients thermiques et hydriques. L'article présente une comparaison des champs de température, de pression d’eau et de contraintes obtenues par des calculs couplés TM, TH, HM et THM. Les résultats montrent que la température est peu affectée par les couplages. En revanche, l’incidence des couplages sur la mécanique est importante; ce qui est attribué au rôle majeur joué par l’eau à travers les effets de gonflement ou de retrait de la bentonite selon la variation de son degré de saturation. MOTS-CLEFS : modélisation, couplages thermo-hydro-mécanique, température, pression, contrainte.

Jan 1, 2003

By G. van Aswegen

Large structures in mines (faults, dykes, pillars, abutments) fail when the load exceeds the strength. If the loading system stiffness (LSS, also referred to as the ‘local mine stiffness’) is lower than the stiffness of the structure the failure will be unstable. The greater the difference between these stiffnesses, the greater the energy release during unstable failure. A method has been formulated by which the LSS is established through cost-effective numerical modelling while insight into the structure stiffness (source stiffness - SS) is provided by apparent stiffness, a parameter based on the empirical relation between seismic moment and radiated seismic energy of small seismic events from the area/volume of interest. By plotting LSS vs SS a ‘stiffness diagram’ is constructed that is useful for seismic hazard ranking of different structures. A comparative back-analysis of the Dagbreek fault in Welkom, South Africa, (source of the 1990 Matjhabeng earthquake) and two other nearby faults confirm the applicability of the method. An extension of the method, where ‘hazard magnitude’ is used as a measure of the LSS, allows a ‘stiffness diagram’ to be constructed using seismic data only. Les larges structures dans les exploitations minières (failles, dikes, piliers, culées) s’écroulent lorsque la charge dépasse la résistance. Si la raideur du système de chargement (LSS, aussi appelé la « raideur de la mine locale ») est plus basse que la raideur de la structure, l’éboulement sera instable. Plus la différence est grande entre ces deux raideurs, plus l’énergie dégagée pendant l’éboulement instable est grande. Une méthode a été formulée selon laquelle le LSS est établi par modélisation numérique rentable, tandis que la raideur de la structure (SS – raideur de la source) est établie par la raideur apparente, un paramètre basé sur la relation empirique entre le moment sismique et l’énergie sismique radiée de petits moments sismiques dans l’aire/volume en question. On trace le « diagramme de raideur » en relevant les deux mesures (LSS et SS), ce qui est utile pour classer les risques sismiques de structures différentes. On vérifie l’applicabilité de la méthode en comparant la faille de Welkom, Afrique du Sud (foyer du séisme de Matjhabeng en 1990) avec deux autres failles proches. Une extension de cette méthode, dans laquelle on utilise la « magnitude du risque » comme mesure du LSS, permet de construire le « diagramme de raideur » avec des données sismiques seulement. Große Strukturen in den Gruben (Verwerfungen, Dämme, Pfeiler, Auflager) scheitern, wenn die Last die Stärke übersteigt. Wenn die Steifheit des Ladesystems (LSS, auch bezeichnet als `lokale Grubensteifheit’) niedriger ist als die Steifheit der Struktur wird der Bruch instabil. Je grösser der Unterschied zwischen diesen Steifheiten, desto grösser die Energiefreigabe während des instabilen Bruches. Es wurde eine Methode formuliert, durch die das LSS durch eine kosteneffektive numerisches Modell erstellt wird, während ein Einblick von der offensichtlichen Steifheit in die Struktursteifheit (Quellensteifheit - SS) gegeben ist, ein Parameter der auf der emipirischen Relation zwischen seismischem Moment und ausgestrahlter seismischer Energie von kleinen seismischen Ereignissen vom Interessens-/Volumenbereich basiert. Durch das Kartograpahieren der LSS in Bezug auf die SS wird ein `Steifheitsdiagramm ' konstruiert, welches für seismische Gefahrklassifizierung der unterschiedlichen Strukturen nützlich ist. Eine vergleichende Postanalyse der Dagbreek Verwerfung in Welkom, Südafrika, (Zentrum des Matjhabeng Erdbebens 1990) und in zwei anderen nahe gelegenen Verwerfungen bestätigen die Anwendbarkeit der Methode. Eine Verlängerung der Methode, in der die `Gefahrengröße' als Maß für das LSS verwendet wird, gestattet, daß ein `Steifheitsdiagramm' konstruiert wird, welches nur seismische Daten verwendet.

Jan 1, 2003

By P. Sun

Abstract: From the viewpoint of interaction mechanics of solid and gas, a coupled mathematical model is presented for coal/rock mass deformation and gas leak flow in parallel deformable coal seams. Numerical simulations for the prediction of the safety range of mining of protection layer are performed with experimental data from a mine with potential danger of coal/gas outbursts. Analyses show that the numerical simulation results are consistent with the measured data on the spot. Therefore, the coupled model shows a positive future for applications in a wide range. ZUSAMMENFASSUNG:Von der Veranschaulichung der Abhängigkeit Mechaniker für Körper und Gas, wird ein verbundenes mathematisches Modell für festen coal/rock Deformation und Gasleckstelle Fluß in parallele deformable Kohlenähte dargestellt. Numerische Simulationen für die Vorhersage der Sicherheit Strecke, die Schutzschichtbergbau verwendet, werden mit experimentellen Daten von einer Grube mit möglicher Gefahr der coal/gas Ausbrüche durchgeführt. Analysen zeigen, daß die numerischen Simulation Resultate mit den gemessenen Daten bezüglich des Punktes gleichbleibend sind. Folglich zeigt das verbundene Modell eine positive Zukunft für Anwendungen in einer breiten Strecke. RÉSUMÉ: Du point de vue de la mécanique d'interaction pour le solide et le gaz, un modèle mathématique couplé est présenté pour l'écoulement plein de déformation de coal/rock et de fuite de gaz dans les filons houillers deformable parallèles. Des simulations numériques pour la prévision de la gamme de sûreté employant l'exploitation de couche de protection sont effectuées avec des données expérimentales d'une mine avec le danger potentiel des accès de coal/gas. Les analyses prouvent que les résultats numériques de simulation sont conformés aux données mesurées sur place. Par conséquent, le modèle couplé montre un futur positif pour des applications dans un éventail.

Jan 1, 2003

By I. Hague

Support liners for underground applications include steel and timber sets, meshing and lacing, screen/mesh, shotcrete and thin support liners (superskins). Over the past few years, major advances have been made in the design and application of liners; especially shotcrete and thin support liners. For shotcrete in mines these advances include the common use of slick-lines to solve logistics problems, the design of alkali free accelerators, the use of synthetic fibres and the new generation application equipment. The field of thin support liners is a new one but advances have been dramatic. This paper discusses the progress made and the need for standardization in definitions and testing for thin support liners. It concludes that the newer technologies have a huge potential positive impact on the industries, from both safety and cost points of view. Le chemisage de soutènement pour extraction souterraine comprend des cadres d’acier ou de boisage, mailles et chapeau, cribles/mailles, béton projeté et des chemisages minces de soutènement (super-peaux). Dans les dernières années, des progrès considérables ont été fait dans la conception et application des chemisages, en particulier les chemisages de soutènement en béton projeté et les chemisages minces. Pour le béton projeté dans les mines, ces progrès comprennent l’utilisation courante de lignes de minerais broyés fin pour résoudre des problèmes de logistique, la création d’accélérateurs sans alcali, l’usage de fibres synthétiques et d’une nouvelle génération d’outillage. Le domaine des chemisages minces de soutènement est très récent mais les progrès ont été rapides. Cette étude présente les progrès accomplis et discute du besoin de standardisation dans les définitions et les tests pour chemisages minces de soutènement. La conclusion est que les technologies nouvelles présentent un énorme impact potentiel positif sur les industries, du point de vue à la fois de la sécurité et de la rentabilité. Unterstützungsverkleidungen für Untertaganwendungen inkludieren Flecht und Seilwerk, Gitter/Geflecht, Spritzbeton und dünne Unterstützungsverkleidungen (superskins). Während der letzten Jahre wurden grosse Fortschritte im Design und in der Anwendung der Verkleidungen gemacht; besonders bei Spritzbeton und dünnen Unterstützungsverkleidungen. In Bezug auf Spritzbeton in den Gruben schließen diese Fortschritte den allgemeinen Gebrauch von Rutschbahnen ein um Logistikprobleme zu lösen, das Design von alkalifreien Akzeleratoren, den Gebrauch von synthetischen Fasern und die neue Generation von Anwendungsausrüstung. Der Bereich der dünnen Unterstützungsverkleidungen ist neu, aber die Fortschritte sind drastisch gewesen. Diese Arbeit behandelt den erzielten Fortschritt, die Notwendigkeit der Normierung in den Definitionen und in der Prüfung dünner Unterstützungsverkleidungen. Sie kommt zum Schluß, daß die neueren Technologien, sowohl vom Gesichtspunkt der Sicherheit als auch der Kosten, eine sehr große potentielle positive Auswirkung auf die Industrien haben.

Jan 1, 2003

By M. Kwasniewski, M. Takahashi

Prismatic samples of a medium-grained sandstone from Slask Colliery (Upper Silesian Coal Basin, Poland) were tested under uniaxial compression, conventional triaxial compression and true triaxial compression conditions. The conventional triaxial compression tests were carried out at confining pressure (p) equal to 12.5, 25.0 and 37.5 MPa. In the true triaxial compression tests the minimum principal stress (s3) was equal to 25.0 MPa and the intermediate principal stress (s2) was 1.5, 2 and 2.5 times higher than s3. Results of the studies show that confining pressure strongly inhibited dilatant behavior of rock samples tested under conventional triaxial compression conditions; the increasing confinement resulted in the growing compaction of the rock material. The effect of dilatancy was also highly suppressed by the intermediate principal stress. While important dilatant, negative volumetric strain corresponded to the peak differential stress at low intermediate principal stress conditions, at high intermediate stresses the rock material was damaged to much lesser extent. As a result, faulting of rock samples in the post-peak region was much more violent and was accompanied by a strong acoustic effect. Les échantillons parallélépipédiques du grès à grains moyens de la mine ‘Slask’ (Bassin Houiller de Haute Silésie, Pologne) ont subi les essais de compression monoaxiale (compression simple), de compression triaxiale conventionnelle (compression triaxale de révolution) et de compression triaxiale vraie. Les essais de la compression triaxiale conventionnelle ont été effectués à la pression de confinement de 12,5, 25,0 et 37,5 MPa. Dans les essais de compression triaxiale vraie la contrainte principale minimale (s3) était de 25,0 MPa et la contrainte principale intermédiaire (s2) était 1,5, 2 et 2,5 fois supérieure de s3. Il résulte des essais que la pression de confinement inhibe fortement le processus de dilatance dans les échantillons testés dans les conditions de compression triaxiale conventionnelle; l’augmentation de la pression provoquait l’augmentation du compactage du matériau rocheux. Le phénomène de dilatance était également limité de façon significative par la contrainte principale intermédiaire. Alors que l’importante déformation volumique négative correspondait à la contrainte différentielle ultime avec les faibles contraintes principales intermédiaires, dans les conditions de fortes contraintes intermédiaires, le matériau rocheux subissait l'endommagement de façon beaucoup moins importante. En résultat, la rupture des échantillons rocheux au stade post-maximum était beaucoup plus violente et accompagnée d’un fort effet acoustique. Prismatische Probekörper des mittelkörnigen Sandsteines aus dem Bergwerk ‘Slask’ (das Oberschlesische Kohlengebiet, Polen) wurden unter der einaxialen Druckbeanspruchung, konventionellen dreiaxialen Druckbeanspruchung und der echten dreiaxialen Druckbeanspruchung geprüft. Konventionelle dreiaxiale Druckversuche wurden bei dem Manteldruck von 12,5 25,0 und 37,5 MPa durchgeführt. Bei den echten dreiaxialen Druckversuchen betrug die kleinste Hauptspannung (s3) 25,0 MPa und mittlere Hauptspannung (s2) war 1,5-, 2- und 2,5-mal höher als s3. Aus den durchgeführten Versuchen ergibt sich, dass der Manteldruck die Dilatanzentwicklung bei den Probekörpern unter der konventionellen dreiaxialen Druckbeanspruchung stark bremst; die Erhöhung des Druckes rief die ansteigende Kompaktion des Gesteinsmaterials hervor. Die Dilatanz wurde auch durch die mittlere Hauptspannung beschränkt. Während die wesentlichen volumetrischen, dilatanten Verformungen der Grenzdifferenzspannung bei den niedrigen mittleren Hauptspannungen entsprachen, bei den hohen mittleren Hauptspannungen wurde das Gesteinsmaterial viel weniger beschädigt. Im Ergebnis war der Scherbruch der Gesteinsproben im Post-Peak-Bereich viel heftiger und mit kräftigen akustischen Effekten verbunden.

Jan 1, 2003