STABILNOŚĆ WYROBISK KOPALŃ ODKRYWKOWYCH WĘGLA BRUNATNEGO PODCZAS ICH ZALEWANIA WODĄ. PORÓWNANIE UPROSZCZONEGO NARZĘDZIA ANALITYCZNEGO I ANALIZY METODĄ RÓWNOWAGI GRANICZNEJ
STABILITY OF OPEN PIT LIGNITE EXCAVATIONS DURING FLOODING. COMPARISON OF A SIMPLIFIED ANALYTICAL TOOL WITH LIMIT EQUILIBRIUM COMPUTATIONAL ANALYSIS
Orestis Kontopidis, Alexandros I. Theocharis, Nikolaos C. Koukouzas – Chemical Process & Energy Resources Institute, Centre for Research & Technology Hellas, Athens, Greece
Ioannis E. Zevgolis, School of Mining and Metallurgical Engineering, National Technical University of Athens, Greece
Powszechną praktyką rekultywacji byłych kopalń odkrywkowych jest zalewanie ich wodą w celu utworzenia zbiornika pokopalnianego. Stabilność zboczy na terenach poeksploatacyjnych jest parametrem krytycznym ze względu na przypadki zniszczeń występujące w kopalniach odkrywkowych podczas eksploatacji i rekultywacji. Ostatnio przedstawiony został model analityczny dotyczący oceny stateczności zboczy zbiornika poeksploatacyjnego przy obecności strefy osłabienia. W niniejszej pracy porównano ten model z obliczeniową metodą równowagi granicznej dla stateczności kopalń węgla brunatnego.Omówiono założenia każdego z modeli oraz wykorzystano identyczne geometrie i parametry geotechniczne. Stwierdzono, że w modelu analitycznym współczynnik bezpieczeństwa i jego zmiany są bardzo wrażliwe na reżim wodny i głębokość zbiornika. Z drugiej strony, analiza metodą równowagi granicznej, uwzględniająca te same poziomy wody w piezometrach i zbiorniku, wskazuje na radykalnie inny proces zmian współczynnika bezpieczeństwa. Ogólnie rzecz biorąc, różnice pomiędzy modelem analitycznym a metodą równowagi granicznej mogą w praktyce odnosić się do różnych warunków wodnych
i powinny być wdrażane z należytą ostrożnością.
A common practice for valorizing abandoned open-pit mines is flooding them to form pit lakes. Slope stability in post-coal areas is critical due to failure incidents reported in surface coal mines during operation and valorization. An analytical model was recently presented concerning evaluating the pit lake’s slope stability in the presence of a weak zone. The present work compares that analytical model with a limit equilibrium computational approach for lignite mines’ stability. Assumptions of each model are discussed, and identical geometries and geotechnical parameters are implemented. It is concluded that the Safety Factor and its evolution are very sensitive to the water regime and the lake’s depth for the analytical model. On the other hand, the limit equilibrium analysis considering the same piezometric and lake levels proposes a drastically different SF evolution. Overall, the differences between the analytical and the limit equilibrium analysis might refer to different water conditions in practice and should be implemented with due caution.
WYZWANIA ZWIĄZANE Z MODELOWANIEM FIZYCZNYM W SKALI LABORATORYJNEJ MATERIAŁÓW O WYSOKIEJ PLASTYCZNOŚCI ZE ZWAŁOWISK POGÓRNICZYCH
THE CHALLENGES ASSOCIATED WITH LABORATORY SCALE PHYSICAL MODELLING OF HIGH-PLASTICITY SPOIL MATERIALS
Thejesh Kumar Garala, Ge Cui, Naman Kantesaria, Charles M. Heron, Alec M. Marshall -Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom
Charakterystyka odpadów pogórniczych (nadkładu kopalni odkrywkowych) jest niezbędna przy badaniu zagadnień geotechnicznych związanych ze zwałowiskami, np. w celu zbadania stabilności pokopalnianych zbiorników wodnych utworzonych ze zwałowanych materiałów lub interakcji zwałowisko-konstrukcja budowlana dla wszelkich konstrukcji zbudowanych na zwałowisku w ramach zasady zrównoważonego rozwoju. Znaczna część materiału zwałowego występującego w krajach europejskich jest klasyfikowana głównie jako ił pylasty o znacznym wskaźniku plastyczności i niskiej przepuszczalności.
W niniejszej pracy omówiono trudności związane z badaniami laboratoryjnymi wysoce plastycznych materiałów pogórniczych uzyskanych z różnych terenów pokopalnianych w Europie. Szczegółowo omówiono zagadnienia związane z badaniami laboratoryjnymi w małej skali próbek materiału pobranego w terenie, opracowaniem materiału równoważnego do przeprowadzenia modelowania fizycznego oraz trudności związane z badaniami w wirówce geotechnicznej modeli materiałów zwałowych.
Characterisation of spoil (surface mine overburden) material is essential when investigating geotechnical issues associated with the spoil, e.g., for investigating the stability of pit lakes formed with spoil or spoil-structure interaction for any structures built on the spoil as part of sustainable developments. A significant proportion of spoils found across European countries are classified predominantly as silty clay with significant plasticity index and low permeability. In this paper, the difficulties associated with laboratory testing of highly plastic spoil materials obtained from different post-mining sites within Europe are discussed. The issues associated with small-scale laboratory testing of field spoil samples, development of an equivalent spoil for performing physical modelling tests, and the difficulties of centrifuge tests with spoil models are discussed in detail.
WYBRANE ZAGROŻENIA DLA JAKOŚCI WÓD PODZIEMNYCH ZWIĄZANE Z REKULTYWACJĄ WYROBISKA ODKRYWKOWEGO ZA POMOCĄ ODPADÓW POGÓRNICZYCH – STUDIUM PRZYPADKU KOPALNI PIASKU PODSADZKOWEGO
SELECTED HAZARDS TO QUALITY OF GROUNDWATER RESULTING FROM THE RECLAMATION OF AN OPEN PIT WITH WASTE ROCKS – A CASE STUDY OF A BACKFILL SAND MINE
Katarzyna Niedbalska, Przemysław Bukowski – Główny Instytut Górnictwa, Katowice, Poland
Stosowanie do rekultywacji wyrobisk odkrywkowych materiału skalnego stanowiącego odpad po wydobyciu i przeróbce węgla kamiennego jest powszechną formą przywracania tym terenom funkcji użytkowych. Pochodzenie tych odpadów, ich właściwości, skład petrograficzny i mineralny oraz sposób i czas deponowania w wyrobisku wpływają bezpośrednio na zakres emisji zanieczyszczeń do środowiska gruntowo-wodnego. Zanieczyszczenia te w różnym stopniu mogą kształtować jakość wód podziemnych w rejonie odkrywki i istotnie wpływać na możliwość gospodarczego ich wykorzystania. Na przykładzie kopalni piasku podsadzkowego CTL Maczki-Bór S.A. dokonano analizy wymywalności wybranych składników z odpadów pogórniczych, zróżnicowanych pod kątem czasu ich deponowania i ekspozycji na czynniki zewnętrzne. Analizie poddano zawartość składników (pierwiastków i/lub jonów) w formie ich stężeń w roztworze oraz w przeliczeniu na jednostkę suchej masy badanych odpadów. Dokonano oceny korelacji pomiędzy wartościami stężeń wybranych składników uzyskanymi w badaniach laboratoryjnych w wyciągach porowych, a obserwowanymi in-situ w studzience odciekowej wykonanej na zwałowisku skał płonnych.
The use of rock wastes after mining and processing of hard coal for reclamation of opencast workings is a common form of restoring utility functions to these areas. The origin of these wastes, their properties, petrographic and mineral composition as well as the method and time of depositing in the excavation directly affect the emissions to the soil and water environment of pollutants, which may affect the quality of groundwater in the area of the open pit and significantly affect the possibility of their economic use. On the example of CTL Maczki-Bór S.A. backfill sand mine an analysis of the leachability of selected components from post-mining wastes, differentiated in terms of their deposition time and exposure to external factors, was performed. The article presents the results of analyzes of the content of components (elements and/or ions) in the form of their concentrations in the aqueous solution and per unit of dry mass of the tested wastes. The correlation was assessed between the concentration values of selected components, obtained in laboratory tests in pore extracts, and those observed in-situ in the drainage well made in the waste dump.
MODELOWANIE WIRÓWKOWE ZBOCZY ZWAŁOWISK W RAMACH REKULTYWACJI KOPALNI ODKRYWKOWYCH W KIERUNKU WODNYM
CENTRIFUGE MODELLING OF SPOIL SLOPES WITHIN PIT-LAKE MINE RECLAMATIONS
Ge Cui, Thejesh Kumar Garala, Naman Kantesaria, Koushik Halder, Nhat-Phi Doan, Charles M. Heron, Alec M. Marshall Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom
Zbiorniki wodne są powszechną formą rekultywacji terenów, na których prowadzono wydobycie metodą odkrywkową. Do ich budowy często wykorzystuje się wcześniejsze materiały nadkładowe, czyli materiał zwałowy, który jest łatwo dostępny. W zależności od lokalnej geologii, materiał ten może zawierać duże ilości iłów o wysokiej plastyczności, co stanowi wyzwanie w zakresie analizy i projektowania nachylonych brzegów budowanych w celu utworzenia nowych zbiorników. W niniejszej pracy opisano badania, w których wykorzystano modelowanie w wirówce geotechnicznej do zbadania stabilności i zachowania, pod względem skumulowanych przemieszczeń w cyklach obniżania i podwyższania poziomu wody w zbiorniku, zboczy zbudowanych z iłów o wysokiej plastyczności. Aby odtworzyć kluczowe cechy materiałów zwałowych ze znanych hałd w Europie, w badaniach użyto materiału równoważnego. W artykule opisano modele wirówkowe i procedurę badawczą opracowaną na potrzeby badań, jak również wyzwania napotkane przy stosowaniu iłów o wysokiej plastyczności. Testowano dwa kąty nachylenia zbocza: 15°, aby pasowało do typowych zboczy w znanym miejscu w terenie, oraz bardziej strome nachylenie 24°. Ciśnienia porowe w obrębie zboczy były mierzone przez kilka cykli zmian poziomu wody w zbiorniku. Przemieszczenia zbocza były mierzone przy użyciu lokalnych przetworników umieszczonych na szczycie i u podnóża zbocza, jak również przy użyciu techniki analizy obrazów PIV. Wykazano, że zbocza ulegają deformacjom plastycznym, a przemieszczenia kumulują się w kolejnych cyklach zmian poziomu wody w zbiorniku. Zbocze o nachyleniu 24° rozwinęło nieco większe skumulowane przemieszczenia niż to o nachyleniu 15°, jednak żadne ze nich nie wykazywało oznak ostatecznego zawalenia. Wyniki badań wirówkowych dostarczają bezcennych danych, które mogą być wykorzystane do weryfikacji modeli numerycznych uwzględniających podobne scenariusze stateczności.
Pit lakes are a common form of reclamation of areas where open pit mining activities have taken place. The development of these lakes often uses previous overburden materials, or “spoils”, that are readily available. Depending on the local geology, these spoil materials can contain large proportions of high-plasticity clays, which poses challenges in terms of the analysis and design of the sloped banks constructed to form new lakes. This paper describes a study in which geotechnical centrifuge modelling was used to investigate the stability and performance, in terms of accumulated displacements over cycles of lowering and raising the lake water elevation, of slopes constructed with a high-plasticity clay. A “replica-spoil” material was used in the tests to replicate key characteristics of spoil materials from known spoil heaps in Europe. The paper describes the centrifuge models and testing procedure developed for the tests, as well as the challenges encountered with the use of the high-plasticity clay. Two slope angles were tested: a 15° slope to match the typical slopes at a known field site, and a steeper 24° slope. Pore pressures within the slope were measured over several cycles of lake water elevation change. Slope displacements were measured using local transducers placed at the slope crest and toe, as well as using a PIV image analysis technique. The slopes were shown to experience plastic deformations, with displacements accumulating over subsequent cycles of lake water level change. The 24° slope developed slightly larger accumulated displacements than the 15° slope, though neither slope showed signs of ultimate collapse. Results from the centrifuge tests provide invaluable data which can be used for the verification of numerical models considering similar stability scenarios.
BADANIA GRUNTÓW ZWAŁOWYCH W WYBRANYCH REJONACH ZWAŁOWISKA WEWNĘTRZNEGO KOPALNI „PAK KOPALNIA WĘGLA BRUNATNEGO KONIN S.A.”
INVESTIGATIONS OF SPOIL DUMP SOILS IN SELECTED AREAS OF THE INTERNAL SPOIL HEAPS OF THE „PAK KONIN LIGNITE MINE S.A”.
Urszula Koniuch, Sławomir Szymanowicz – „Poltegor-Instytut” Instytut Górnictwa Odkrywkowego, Wrocław, Poland
W artykule przedstawiono zakres oraz metodykę badań wykonanych w wybranych dwóch lokalizacjach zwałowiska wewnętrznego PAK Kopalni Węgla Brunatnego Konin S.A.: odkrywek Jóźwin IIA oraz Jóźwin IIB. Omówiono również uzyskane wyniki. W ramach przeprowadzonych badań wykonano m.in wiercenia geologiczne z poborem próbek NNS oraz rdzeni wiertniczych, sondowania statyczne SCPTu oraz badania laboratoryjne.
Prace wykonano w ramach projektu SUMAD „Zrównoważone wykorzystanie zwałowisk górniczych” finansowanego ze środków Funduszu Badawczego Węgla i Stali UE współfinansowanego przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.
The article presents the scope and methodology of investigations carried out in selected two locations of the internal spoil heaps of Jóźwin IIA and Jóźwin IIB open pits, PAK Konin S.A. Lignite Opencast Mine. The results obtained are also discussed. The studies carried out included geological drilling with undisturbed specimen sampling and borehole core sampling, SCPTu static soundings, and laboratory tests.
The work was carried out in the frame of the international project „SUMAD Sustainable Use of Mining Waste Dumps”, financed by the Research Fund of Coal and Steel and co-financed by the Polish Ministr y of Science and Higher Education.
NARZĘDZIE DO ZARZĄDZANIA RYZYKIEM WSPIERAJĄCE REWITALIZACJĘ ZWAŁOWISK POGÓRNICZYCH
RISK MANAGEMENT TOOL TO SUPPORT SPOIL DUMPS REVITALIZATION
Andrzej Białas – Łukasiewicz Research Network—Institute of Innovative Technologies EMAG, Katowice, Poland
Artykuł przedstawia wyniki pracy zespołowej w Instytucie Łukasiewicz – EMAG w ramach projektu SUMAD. Skupiono się na wykorzystaniu opracowanego Narzędzia Zarządzania Ryzykiem SUMAD (SUMAD RMT), które wspomaga proces rewitalizacji hałdy pogórniczej. Narzędzie to umożliwia:
- rozpoznanie i ograniczenie czynników ryzyka związanych z hałdą i procesem rewitalizacji,
- finansowe oszacowanie procesu rewitalizacji,
- monitorowanie czynników pozafinansowych, które są bardzo ważne, ponieważ mogą pozytywnie lub negatywnie kształtować odbiór społeczny i polityczny całego procesu rewitalizacji.
W artykule pokrótce opisano metodykę opartą na trzech filarach (trzy rodzaje analiz):
- RRA – Ocena Redukcji Ryzyka (zarządzanie ryzykiem),
- CBA – Ocena Kosztów i Korzyści (oszacowanie czynników finansowych),
- QCA – Ocena Kryteriów Jakościowych (oszacowanie czynników pozafinansowych).
Metodologia ma charakter iteracyjny, a jej główne etapy są następujące:
- Identyfikacja hałdy przeznaczonej do rewitalizacji oraz wstępne działania rewitalizacyjne,
- Analizy wstępne RRA, CBA, QCA,
- Tworzenie i analiza alternatywnych rozwiązań rewitalizacyjnych,
- Ocena alternatywnych rozwiązań w odniesieniu do czynników ryzyka (RRA), finansowych (CBA) i niefinansowych (QCA),
- Podejmowanie decyzji w oparciu o zebrane zagregowane dane.
Metodykę zilustrowano przykładami z procesu rewitalizacji.
The paper features the results of Łukasiewicz – EMAG’s team work within the SUMAD project. The focus has been put
on how to use the developed SUMAD Risk Management Tool (SUMAD RMT) which supports the revitalization process of
a post-mining heap. The tool enables the following:
- to identify and reduce risk factors related to the heap and to the revitalization process,
- to estimate financially the revitalization process,
- to monitor non-financial like political, environmental, social, etc. factors which are very important because they can positively or negatively shape the social and political reception of the whole revitalization process.
The paper describes shortly the methodology based on three pillars (three kinds of analyses):
- RRA – Risk Reduction Assessment (risk management),
- CBA – Cost–Benefit Assessment (estimation of financial factors),
- QCA – Qualitative Criteria Assessment (estimation of non-financial factors).
The methodology has an iterative character and its main steps are the following:
- Identification of the heap to be revitalized and preliminary revitalization activities,
- Preliminary RRA, CBA, QCA analyses,
- Composing the revitalization alternatives,
- Alternative assessment with respect to risk (RRA), financial (CBA) and non-financial (QCA) factors,
- Decision making based on the acquired aggregated data.
The methodology was illustrated by examples from the revitalization process.
OPRACOWANIE ZAAWANSOWANEGO MODELU KONSTYTUTYWNEGO DLA ODDZIAŁYWAŃ ZWAŁOWISKO-KONSTRUKCJA BUDOWLANA
DEVELOPMENT OF AN ADVANCED CONSTITUTIVE MODEL FOR SPOIL-STRUCTURE INTERACTION PROBLEMS
Nhat-Phi Doan, Anna Liakou, Thejesh Kumar Garala, Ge Cui, Naman Kantesaria, Koushik Halder, Charles M. Heron, Alec M. Marshall – Faculty of Engineering, University of Nottingham, United Kingdom
Możliwości rewitalizacji zwałowisk są ważnym zagadnieniem przy planowaniu zagospodarowania terenów pogórniczych. Jedną z opcji jest instalacja na hałdach turbin wiatrowych, które stanowią zrównoważone źródło energii. Opcja ta stanowi wyzwanie dla projektowania fundamentów biorąc pod uwagę charakter materiału zwałowego, który ze względu na sposób deponowania jest zwykle wysoce niejednorodny i może zawierać dużo wysokoplastycznych gruntów spoistych (iłów). W artykule przedstawiono wyniki uzyskane przy użyciu zaawansowanego modelu konstytutywnego, który został opracowany w celu symulacji zachowania spoistego materiału zwałowego oraz zaprezentowano wyniki modelowania dla przewidywania reakcji fundamentu będącego zarówno pod obciążeniem monotonicznym jak i cyklicznym. Model jest zmodyfikowaną wersją oryginalnego izotropowego modelu plastyczności powierzchni granicznej, który dodatkowo zawiera moduł plastyczności oparty na zniszczeniu w celu realistycznego przedstawienia degradacji wytrzymałości gruntu wywołanej działaniem cyklicznym. Model jest wykorzystywany do symulacji płytkich fundamentów turbin wiatrowych na iłach spoistych o niejednorodnej (liniowo wzrastającej) wytrzymałości na ścinanie bez odpływu (nie uwzględniono losowej zmienności przestrzennej). W pracy rozpatrzono dwa różne scenariusze obciążenia płytkiej ławy fundamentowej: czyste obciążenia moment- pionowe (M-V) oraz obciążenia moment-poziome-pionowe (M-H-V). Rozważono również wpływ przyjętego rodzaju styku zwałowisko-fundament: (1) całkowicie związany oraz (2) beznaprężeniowy. Wyniki pokazują, że choć nośność pionowa tylko w niewielkim stopniu zależy od właściwości styku, to okazuje się, że nośność momentu jest silnie uzależniona od zdefiniowanych wcześniej warunków kontaktowych. Dla systemu stopy fundamentowej pod obciążeniem M-H-V, w przypadku lekkich konstrukcji uzyskuje się dominujący mechanizm unoszenia stopy, a w przypadku konstrukcji silnie obciążonych odwrotny, gdzie podczas cyklicznego obciążenia następuje znaczna akumulacja osiadań. Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że nośność systemu stopy fundamentowej maleje wraz ze wzrostem współczynnika smukłości i/lub pionowego współczynnika bezpieczeństwa, a odwrotny mechanizm uzyskuje się wraz ze wzrostem stopnia niejednorodności wytrzymałości.
Revitalisation options for mine spoil heaps is an important issue to consider when planning for post-mining land use. One option is the installation of wind turbines on the spoil heaps, which provide a sustainable energy source. This option poses challenges for foundation design due to the nature of the spoil material, which is usually highly heterogeneous due to the way spoils are deposited, and can contain high proportions of high-plasticity cohesive soils (clay). This paper presents results obtained using an advanced constitutive model that was developed to simulate cohesive mine spoil behaviour and presents model results for the prediction of foundation response under both monotonic and cyclic loading. The model is a modified version of the original isotropic bounding surface plasticity model that additionally involves a damaged-based plastic modulus in order to realistically represent soil strength degradation induced by cyclic action. The model is used for the simulation of shallow foundations for onshore wind turbines on a cohesive clay with a heterogeneous (linearly increasing) undrained shear strength (random spatial variability is not considered). Two different loading scenarios of a shallow strip foundation are considered in the paper: a pure moment-vertical loading (M-V), and a moment-horizontal-vertical loading (M-H-V). The effect of the adopted spoil-foundation interface type is also considered: (1) a fully-bonded interface and (2) a tensionless interface. Results demonstrate that, though the vertical bearing capacity is only slightly affected by the interface properties, the moment capacity is shown to be strongly influenced by the predefined contact conditions. For the footing system under M-H-V loading, a dominant footing uplift mechanism is obtained for light structures and the opposite holds for heavily loaded structures, where significant settlement accumulation occurs during cyclic loading. Based on the analysis, the moment bearing capacity of the footing system decreases as the slenderness ratio and/or the vertical safety factor increase, and the opposite mechanism is obtained as the strength heterogeneity degree increases.