Modelizacin Numrica en Tres Dimensiones de la mina de carbn Roadways Bajo Altos Campos esfuerzo horizontalResumen los efectos perjudiciales de altas tensiones horizontales en la estabilidad del camino de minas es un hecho bien conocido entre la comunidad de mecnica de rocas. La orientacin de las tensiones horizontales juega un papel importante en la definicin de la cantidad de dao; Observaciones de campo confirman que altas tensiones horizontales paralelas al resultado de la excavacin de tnel en significativamente menos dao compararon con tneles conducidos perpendicular a altas tensiones horizontales. Los tres efectos dimensionales pueden ser modeladas utilizando dos programas dimensionales. Anlisis dimensional completo tres es necesario para capturar los detalles de estos efectos dainosSe realiz una investigacin sobre los efectos nocivos de altas tensiones horizontales para una carretera de la mina de carbn. El anlisis se realiza utilizando nuevo tres dimensiones FEM programa de Rocscience de RS3. Los parmetros del modelo se obtuvieron de dos campos de la mina de Reino Unido y la India. Inicialmente un modelo simple de una carretera de la mina de carbn fue creado y analizado para diferentes altas tensiones horizontales. Los resultados se muestra que las tensiones en un ngulo del tnel de distribucin asimtrica de las zonas de produccin y los desplazamientos en la cara del tnel. El anlisis mostr tambin un estrs ms agudo y ms daada la zona para el caso paralelo de estrs y sesgada distribucin de la tensin para los tneles de clavarse con un ngulo en el campo del esfuerzo.El autor desea agradecer a su supervisor profesor John Coggan, para su estmulo y apoyo a lo largo de la tesis. El autor desea agradecer a Federacin de minerales programa Consejo Europeo y la Unin Europea por la beca para la realizacin de estudios. El autor desea dar las gracias al equipo de Rocscience por brindar generosamente el software RS3 para la tesis. El autor quisiera agradecer al equipo de soporte tcnico para sus pronta respuestas a las preguntas con respecto al software. Finalmente el autor desea reconocer el apoyo de sus padres y amigos por su motivacin y estmulo.1.1 Descripcin de la InvestigacionLa tesis investiga los efectos de altas tensiones horizontales sobre las excavaciones en las medidas del carbn. Inicialmente un modelo relativamente simple de una etapa de un camino de la mina de carbn es modelado para diferentes orientaciones de la alta tensin horizontal y progresivamente el modelo se hace cada vez ms complejo mediante la introduccin de mltiples excavaciones escenario simulando un minero continuo, techo apernado, modelado de un carbn medir empalmes y finalmente se convirti en una mina de la sala y Pilar de escala completa.Para validar el caso de modelo dos ejemplos son utilizados en esta tesis. El primero es del norte Reino Unido complejo de Selby para validar los desplazamientos de empernado carbn mina calzadas. El segundo es de un indio mina conocida como inclinacin de VK-7 para validar los efectos de estrs debido a un avance goaf. El estudio muestra los efectos perjudiciales de altas tensiones horizontales en las excavaciones y concluye que accin tensin perpendicular al eje del tnel resulta en ms dao que la paralela situacin de estrs. Tensiones horizontales actuando en un ngulo provoca una distribucin asimtrica de las zonas de produccin. Tambin muestra que las capas dbiles inmediatamente por encima del techo tienen un papel importante en el gobierno de la magnitud del dao inducido. La investigacin en el proceso de extraccin de Pilar de la sala y Pilar mina demuestra las altas tensiones en el punto de observacin con acercarse goaf. Las tensiones obtenidas del modelo fue en acuerdo con las mediciones de campo.2. procedimientos de modelizacin numricos para excavaciones subterrneas Soluciones analticas a problemas prcticos son difciles de obtener, por lo tanto se resuelven numricamente las ecuaciones que gobiernan en un enfoque aproximado. Su flexibilidad para aplicar en una variedad de campos que mtodos numricos muy populares. Hoy en da, es ampliamente utilizado en todos los campos de la ingeniera y aplicacin a problemas geotcnicos fueron limitados debido a la compleja impredecible comportamiento difusa del suelo y las rocas. Tambin en das olden, ingenieros dieron poca atencin en el diseo de estructuras en roca, (Pande et al (1990)), simplemente porque las rocas se crean que es suficientemente competente. Esto result para ser incorrecto y algunos fracasos catastrficos como presa de Malpasset en 1960 y los retos en la atencin de depsitos se volvi ms profundo minera de ingenieros hacia la mecnica de rocas. 2.1 mtodos de modeladoampliamente, mtodos de modelado para problemas de ingeniera de la roca se puede clasificar en las siguientes categoras (Jing y Hudson (2002), Coggan et al (2012), Jing (2003)).

Figura: Metodos de modelamiento para problemas de mecnica de rocas.

2.1.1 Mtodos Continuos2.1.1.1 Mtodo de Elementos FinitosCon el mtodo de elementos finitos (MEF) es el dominio de todo problema, dividido en regiones no superpuestas, conectadas entre s a travs de puntos llamados nodos. El comportamiento de cada elemento que cumpla las condiciones de equilibrio, compatibilidad y comportamiento constitutivo material condiciones de lmite se describe y los elementos se ensamblan juntos. Este es el mtodo ms popular para problemas de ingeniera, pero el mtodo tiene gran poder de computacin. Un gran conjunto de ecuaciones simultneas (varios miles) tienen que ser almacenados y resuelto para obtener las soluciones.2.1.1.2 Mtodo de diferencias FinitasAqu el cuerpo slido se divide en diferencias finitas que consta de elementos rectangulares, pero el esquema de la solucin adoptado es diferente. La solucin de problemas cuerpo slido utilizando FDM invoca las leyes de Newton del movimiento, las relaciones constitutivas y las condiciones de contorno. En un clculo del ciclo nuevas velocidades y desplazamientos se obtienen de las tensiones y tensiones usando las ecuaciones de movimiento, se obtuvieron tasas de cepa de velocidades nuevos y nuevas tensiones de las tasas de tensin. A diferencia de la implcita FEM no procedimiento iterativo (Itasca (2005). Modelos altamente no-lineales son mejor manejados por esquemas de solucin explcita. Requisitos de memoria de la computadora son menores, no es necesario almacenar matrices grandes pero el tiempo de solucin podra ser ms grande debido a pequeos pasos de tiempo para asegurar estabilidad numrica.2.1.1.3 Mtodo de los elementos limiteEn BEM las discretizaciones se realizan slo en los lmites del modelo. el mtodo es adecuado para los problemas que tienen baja proporcin de superficie lmite al volumen. el conjunto concepto de mtodo BEM se puede describir de la siguiente manera; la excavacin se supone ser una serie de contracciones negativas aplicado a la Figura 2 lmite, el lmite superficie de la excavacin es discretizada y para cada elemento de una fuerza de traccin ficticio se aplica la cual se supone que es igual y opuesta a la tensin in situ antes de la excavacin. Se adopta un procedimiento matemtico iterativo para igualar las 17 fuerzas ficticias de tal manera que componentes normales y cortante externo es igual al cortante negativa interna y tracciones (Hoek y Brown (1980)).

2.1.2 Mtodos Discontinuos2.1.2.1 Mtodo de elementos discretos (DEM)En DEM cada cuerpo est compuesto de elemento independiente que se comunica con los elementos que rodean a travs de los contactos de lmites que pueden cambiar en funcin del tiempo. En contraste con FEM / FDM no hay nodos comunes a ms de un elemento. En tpicos aplicaciones mecnica de rocas los elementos representaran la roca intacta, mientras que los espacios entre los elementos pueden ser representados como articulaciones. Puede tratar linealidades que puedan derivarse de gran desplazamiento, rotacin, deslizamiento, y la separacin. El mtodo es particularmente adecuado para macizos rocosos fracturados, donde se espera grandes desplazamientos. En otras palabras si las fracturas de roca son comparables a las dimensiones de la excavacin DEM mtodos son los ms adecuados (Pan y Reed (1991)).2.1.2.2 Red de Fracturas Discretas (DFN - Discrete Fracture Network)Este mtodo es ms adecuado para el estudio de flujo de fluidos y transporte de masa en rocas fracturadas que un modelo equivalente continuo es difcil de modelar o establecer (Jing y Stephansson (2007)). Este es un modelo discreto especial que considera procesos de flujo y transporte de fluidos en macizos rocosos fracturados mediante un sistema de fracturas conectadas (Jing y Hudson (2002)).2.1.2.3 Anlisis de la deformacin discontinua (DDA)DDA es un anlisis totalmente discontinuo que se asemeja y sigue los procedimientos desarrollados por el FEM con un esquema de solucin implcita. DEM tiene un mtodo de solucin explcita mientras que DDA es implcito, en DEM tensiones y fuerzas incgnitas mientras que DDA desplazamientos desconocidos similares a desplazamiento basado en programas de FEM (Bobet (2010))2.1.3 modelos hbridosModelos hbridos son la combinacin de los mtodos mencionados para optimizar los resultados y la potencia de clculo. Diferentes combinaciones de modelado se mencionan en la literatura como BEM/FEM, FEM/DEM DEM-BEM (Jing (2003)). Pan y Reed (1991) mencionan que en un entorno de minera de carbn prctica la combinacin de DEM/FEM puede dar resultados ms realistas. Cada uno de estos softwares tienen empinadas curvas de aprendizaje.2.1.4 paquetes comerciales utilizados para la modelizacin numrica en la mineraLa siguiente tabla muestra la lista de los populares paquetes comerciales que se utilizan para el modelado de excavaciones subterrneas y superficiales.Tabla 1: Paquetes comerciales populares para la modelizacin de una excavacin.

2.2 seleccin de mtodos adecuadosNo existen pautas para decidir cundo un modelo en particular tiene que ser utilizado, en general puede decirse que cuando el tamao del modelo es el mismo orden como la dimensin caracterstica del diseo de un modelo discontinuo parece ser ms conveniente. Si muy pocas o ninguna discontinuidades estn presentes, los modelos continuos parecen ser ms adecuados (Bobet et al (2009)). Si el tamao del bloque determinado por las discontinuidades es mucho ms pequeo que el de la abertura se puede modelar como modelo pseudo continuo. Todos estos mtodos de modelizacin tienen curva de aprendizaje, exitosa aplicacin de estos modelos depende de la experiencia de los modelizadores. Segn Coggan et al., (2012) conocer las limitaciones y capacidades de un software es esencial para obtener resultados exitosos.

2.3 beneficios del uso de tcnicas de modelado numricoEl mtodos numrico proporciona alternativas viables en lugar de usar modelos fsicos desperdiciadores de tiempo complejos y costosos. Ganaron ms popularidad con el desarrollo de la potencia de clculo econmico. ofrece mtodos rpidos y sistemticos para resolver problemas complejos. posibilidad de utilizar la amplia gama de modelos constitutivos disponibles. ms fcil de ejecutar y optimizar los resultados, si se hace con la ayuda de un ordenador.2.4 necesidad de tres dimensiones modelizacin en mecnica de rocasMinas y tneles problemas en roca en la mayora de los casos no se aproxima a un anlisis de tensin de dos dimensiones plano. Las razones pueden resumirse la siguiente manera En muchos casos, la orientacin de tensiones principales ser de tal manera que la aproximacin en dos dimensional es imposible. El normal a los planos de conjuntos no mienten en el plano de anlisis dimensional dos (Pande et al., (1990)). en caso de excavacin subterrnea complicada que las tensiones ya no se pueden analizar razonablemente con en modelo 2D, puesto que los efectos 3D son significativos, por ejemplo el caso de un pilar de la mina (Hoek y Brown (1980) obtener un perfil de desplazamiento longitudinal para el anlisis de convergencia confinamiento para geometras complejas con slo es posible un anlisis completamente en 3D, (Vlachopoulos y Diederichs (2009))