Strength, fallouts and numerical modelling of hard rock masses

The prediction of compressive stress-induced failures is of concern for the design and construction of deep underground excavations in mining and civil engineering. An overstressed rock mass may result in fallouts of rock, which may cause occupational safety hazards, damage of equipment, and/or production disturbances. The purpose of this thesis was to improve on how to model compressive stress-induced failure and fallouts with appropriate material models and strength parameters. The thesis focuses on commonly used design methods for underground excavation with special application to hard rock mass strength assessment. The aim was to suggest the most appropriate material model for fallout prediction and to identify factors governing the strength of hard rock masses. A comprehensive literature review of existing classification/characterisation systems and rock mass failure criteria used to estimate the rock mass strength was conducted. Existing rock mass failure criteria and classification/characterisation systems were evaluated through three case studies. A Round Robin Test was conducted for two of these cases. The evaluation was performed in order to identify robust systems and criteria, as well as to identify the parameters having the strongest impact on the calculated rock mass strength. The case studies revealed that the N, Yudhbir - RMR76, RMi, Q-, and Hoek-Brown - GSI methods, appeared to yield reasonable agreement with the measured stresses at failure. The parameters reflecting joint shear strength have a major influence on the estimated rock mass strength. The RMi method has proven difficult to use. For quality determination of the rock mass, a stress reduction free Q-system (or N) is preferable, as the Q-system covers a wider range of geological situations and the parameters are better described than for the RMR system. For massive rock masses in areas with high stresses and tight interlocks the impact of jointing is less obvious and the GSI method can be used for determination of the rock mass quality. In the subsequent work, a total of six selected case histories of fallouts in hard rock masses were studied. These were collected based on a comprehensive investigation and survey of well described compressive stress- induced fallouts, in drifts, raises and/or tunnels. All six cases considered civil and mining engineering rock excavations where the rock mass properties, measured stresses, behaviour and fallout were well documented. The field observations were compared with predictions from numerical modelling using the finite element analysis program Phase2. The results of the applied brittle-plastic models were sensitive to changes of the peak strength parameters and less sensitive to variations in residual parameters. A cohesion-softening friction-hardening (CSFH) model, using peak cohesion equal to the intact rock strength, proved to be the most appropriate material model for capturing the observed rock behaviour. Yielded elements failed in shear and intersecting shear bands were found to be good indicators of compressive-stress induced fallouts. This is likely since shear is often the final mechanism in the failure process before fallout occurs. The potential compressive stress-induced fallouts can, using a CSFH model, be predicted using the following indicators: (i) intersecting shear bands with significantly elevated strains and which connect to the excavation boundary, and (ii) shear bands being located within the region of yielding. Both criteria must be fulfilled simultaneously. The results showed that the developed shear bands and the zone of yielded elements were sensitive to changes in mesh density. By using small elements (0.01 m) at and close to the boundary of the excavation and in the region of the predicted failure, the results showed no significant changes of the predicted failure zone, with a further decrease in zone size. The CSFH model was applied for prediction and follow-up of compressive stress-induced failure and fallouts of footwall drifts in the Kiirunavaara underground mine. A multi-stage analysis was carried out in order to gradually change the stresses to simulate mining progress. A parametric study was conducted in which strength properties, location, and shape of the footwall drift were varied. The modelling results were sensitive to the shape of the drift. The location of the predicted fallouts in the model was in good agreement with the location of observed fallouts for the case when the drift roof was simulated flatter than the theoretical cross-section. The results indicate that the true shape of the drift was different from the planned one. Simulating actual fallout by removing the indicated region of fallout in the model showed fewer occurrences of compressive-stress induced fallouts in later loading stages for footwall drifts in the Kiirunavaara mine. By scaling the damaged rock and creating a v-notch in the roof (similar to the predicted fall-out shape), in an access drift in the Kristineberg mine, the stability of the excavation was improved.Att förutsäga och bedöma tryckspänningsinducerade skador och utfall av berg är av stor betydelse för djupt belägna konstruktioner inom både gruv- och tunneldrift. Höga bergspänningar kan leda till utfall av berg, vilket i sin tur är en säkerhetsrisk för de som arbetar under jord samt att maskiner kan skadas och/eller att produktionsstörningar uppstår. Syftet med denna avhandling har varit att studera lämpliga materialmodeller för att kunna bedöma utfall orsakade av höga tryckspänningar. Denna avhandling fokuserar på vanligt förekommande metodiker för design av underjordskonstruktioner med tillämpning på hårda bergmassors. Målet är att föreslå den mest lämpade materialmodellen för att bedöma utfall samt att identifiera de faktorer som är styrande för hårda bergmassors hållfasthet.En omfattande litteraturstudie av existerande klassificeringssystem och brottkriterier för bergmassan har genomförts i detta arbete. För att utvärdera dessa system och kriterier användes tre fallstudier. Ett så kallat "Round Robin Test" utfördes för två av dessa fall. Baserat på fallstudien så bedömdes "rock mass quality" (Q-system), "rock mass Number" (N-system), "Rock Mass index" (RMi), Yudhbir - "Rock Mass Rating" (RMR76) and Hoek-Brown - "Geological Strength Index" (GSI) vara de brottkriterier och system som gav en relativt god överensstämmelse med de spänningar som uppmätts vid brott. De parametrar som återspeglar sprickans skjuvhållfasthet hade störst påverkan på de uppskattade hållfasthetsvärdena. RMi metoden visade sig vara svår att använda. För att bedöma kvaliteten av en bergmassa ansågs ett spänningsreduceringsfritt Q-system (eller N metoden) vara mest lämpligt, då beskrivningen av parametrarna i detta system är bättre och omfattar fler geologiska förhållanden än för RMR-systemet. För massiva bergmassor som är kraftigt sammanpressade av höga spänningar, är påverkan av sprickornas egenskaper av mindre vikt och GSI metoden anses vara lämplig för att bedöma bergmassans kvalitet.För att kunna utvärdera lämplig materialmodell så har resultaten från numeriska analyser jämförts med fältobservationer av skador och utfall. Totalt beskrivs sex fallstudier, hämtade från gruvor och tunnlar, där utfall har skett i hårda bergmassor. Uppmätta spänningar i berget, bergmassans egenskaper och beteende är väl dokumenterade för respektive fall. Dessa fall baseras på en omfattande studie och insamling av välbeskrivna utfall orsakade av höga spänningar i tunnlar och schakt. Fältobservationerna har jämförts med beräknade resultat från numeriska analyser i Finita Element programmet Phase2. Efter att ha tillämpat fallstudier och utvärderat resultat från numeriska analyser ansågs den mest lämpade materialmodellen vara kohesions-mjuknande friktions-hårdnande.Resultaten i denna avhandling visar också hur man kan tolka resultat från numeriska analyser med hänsyn till potentiella brott och utfall då man använder en kohesionsmjuknande friktions-hårdnande materialmodell. Korsande skjuvband med genomgående höga värden, som mynnar ut på randen av utbrytningen samt som finns inom den plasticerade zonen bör tolkas som potentiellt utfall. Skjuvbanden och zonen av plasticerade element var elementberoende. Genom att använda små element (0.01 m) på och nära randen av utbrytningen och i det område där potentiellt utfall var möjligt så innebar fortsatt reducering av elementstorleken inte någon större påverkan på resultatet.Tillämpningen för att förutsäga brott och utfall med hjälp av en kohesions-mjuknande friktions-hårdnande modell utfördes för Kiirunavaaragruvans fältorter i liggväggen. En flerstegsanalys utfördes för att kunna simulera förändringar i spänningar påverkade av gruvbrytningen. En parameterstudie genomfördes där hållfasthetsparametrar, lokalisering av orterna med avseende på avstånd till produktionen samt tvärsnitten på liggväggsorternas varierades. Resultaten påverkades mycket av formen på orten. För fältorter på samma nivå som produktionen fanns en tydlig tendens till tryckspänningsinducerade utfall i anfanget i riktning mot malmen. Lokaliseringen av det beräknade brottet i anfanget var mer tydligt för ett platt tak kontra den teoretiska profilen av tvärsektionen. Resultaten indikerar att den verkliga formen på fältorterna skiljer sig från den teoretiska profilen.Genom att ta bort de element i modellen som motsvarade verkliga utfall visade resultaten från simuleringen att färre utfall av tryckspänningsinducerade utfall kunde förväntade i senare belastningsskeden för Kiirunavaaras fältorter. Genom att skrota bort skadat berg och skapa en v-formad kil i taket (liknande den som förväntas ske vid simuleringen) för en ort i Kristinebergsgruvan kunde stabiliteten förbättras.Godkänd; 2008; 20081113 (ysko)