⚡ elektrotechniek

Rockburst proneness evaluation and borehole pressure relief technology for deep heterogeneous rock masses: A case study of Sanshandao Gold Mine

Deze studie integreert theoretische modellering, laboratoriumtesten en PFC2D-simulaties om de gevoeligheid voor rotsbevingen te evalueren en de parameters voor boringdrukontlasting te optimaliseren voor diepe heterogene gesteentemassa's bij de Sanshandao-goudmijn, waarbij uiteindelijk een boordiameter van 0,10 m wordt geïdentificeerd als de meest effectieve oplossing voor het mitigeren van rotsbevingen.

Oorspronkelijke auteurs: Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

Gepubliceerd 2026-10-22

📖 4 min leestijd☕ Koffiepauze-leesvoer

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Diep onder de grond, waar de aardkorst met enorme kracht drukt, worden mijnbouwoperaties geconfronteerd met een verborgen en gewelddadige dreiging die bekend staat als een rotsbreuk (rockburst). Dit is geen langzame instorting, maar een plotselinge, explosieve vrijgave van opgeslagen energie in het gesteente, die in staat is tunnels te verbrijzelen en werkers in gevaar te brengen. Het gevaar is het grootst in diepe mijnen, waar het gewicht van het gesteente boven hen extreme druk creëert. De situatie wordt bemoeilijkt door het feit dat het gesteente zelf zelden uniform is; het is een heterogene mix van verschillende mineralen en barsten, waardoor de sterkte ervan van de ene plek naar de andere wild varieert. Deze onvoorspelbaarheid maakt het voor ingenieurs moeilijk om precies te weten hoeveel druk een specifiek stuk gesteente kan weerstaan voordat het bezwijkt, of hoe ze de opgebouwde energie veilig kunnen ontlasten zonder een ramp te veroorzaken. Zonder een manier om deze verborgen sterkte nauwkeurig te meten en de spanning te beheersen, wordt het diep delven van hulpbronnen een gok met hoge inzet.

Onderzoekers in de Sanshandao-goudmijn in China hebben deze uitdaging aangepakt door een nieuwe manier te ontwikkelen om de sterkte van gesteente te voorspellen en een geteste methode om de gevaarlijke druk te verlichten. In plaats van te gokken hoe sterk een gesteenteprofiel is, mat het team eerst de dichtheid en de snelheid waarmee geluidsgolven erdoorheen reizen. Ze ontdekten een betrouwbare wiskundige relatie tussen deze gemakkelijk te meten eigenschappen en de werkelijke verbrijzelingssterkte van het gesteente. Dit stelde hen in staat om het exacte breekpunt voor elk individueel gesteenteprofiel te berekenen, in plaats van te vertrouwen op een gemiddelde die voor zwakke plekken te hoog zou kunnen zijn of voor sterke plekken te laag. Met deze precieze voorspellingen konden ze veilig gecontroleerde tests uitvoeren waarbij ze het gesteente tot de rand van falen belastten en het daarna weer ontlastten, waarbij de spanningsveranderingen die tijdens de mijnbouw plaatsvinden, werden nagebootst. Deze tests toonden aan dat het diepe gesteente in de mijn gevoelig is voor matige tot sterke rotsbreuken, een bevinding die onmiddellijke actie vereiste om een ramp te voorkomen.

Om dit risico te beheersen, maakte het team gebruik van een techniek genaamd boorgatdrukontlasting (borehole pressure relief), wat inhoudt dat er gaten in het gesteente worden geboord om ruimte te creëren waar de spanning aan kan ontsnappen. Echter, het boren van een gat met de verkeerde diameter zou ofwel niets doen, of het gesteente te zwak maken om de tunnel te ondersteunen. De onderzoekers gebruikten een geavanceerde computersimulatie die rekening hield met de natuurlijke, ongelijkmatige sterkte van het gesteente om vier verschillende boorgatdiameters te testen, variërend van 5 centimeter tot 20 centimeter. Ze ontdekten dat de kleinste gaten niet genoeg druk ontlastten, terwijl de grootste gaten het gesteente zo ernstig beschadigden dat het zijn vermogen verloor om de tunnel bij elkaar te houden. Het ideale punt was een gat met een diameter van 10 centimeter. Deze specifieke grootte creëerde een zone van ontlastte spanning die perfect verbinding maakte met naburige gaten zonder de structurele integriteit van het gesteente aan te tasten, waardoor een evenwicht werd gevonden tussen de noodzaak om energie vrij te laten en de noodzaak om de tunnel stabiel te houden.

Het team nam dit door de computer geoptimaliseerde ontwerp vervolgens mee naar de echte wereld, waarbij ze 10 centimeter brede gaten met een tussenruimte van één meter in een testtraject boorden. Ze monitorden de spanning op de steunbouten die de tunnel bij elkaar houden gedurende een week na het boren. De resultaten bevestigden de simulatie: de kracht op de bouten nam gestaag en consistent af, wat erop wees dat de spanning succesvol werd weggeleid van de tunnelwanden. De bouten vertoonden geen terugslag, wat suggereerde dat de drukontlasting permanent en effectief was. Deze studie biedt een duidelijk, kwantitatief pad voor de diepe mijnbouw, en bewijst dat door de unieke sterkte van elk gesteenteprofiel te begrijpen en de precieze grootte van de ontlastingsgaten te kiezen, ingenieurs de gewelddadige energie van de diepe aarde veilig kunnen beheersen.

Technische Samenvatting: Evaluatie van de Gevoeligheid voor Gestoten Gesticht en Boorgatdrukontlastingstechnologie voor Diepe Heterogene Rotsmassa's

Probleemstelling
Diepe mijnbouwoperaties worden geconfronteerd met ernstige gevaren voor rotsgestoten (rockburst), gedreven door hoge in-situ spanningen. Een cruciale uitdaging bij het beperken van deze gevaren is de uitgesproken heterogeniteit van diepe rotsmassa's, gekenmerkt door variabele minerale composities en ontwikkelde breukzones. Deze heterogeniteit veroorzaakt significante fluctuaties in de sterkte van gesteente binnen hetzelfde mijnbouwgebied, waardoor conventionele belastings-ontlastingsproeven moeilijk te kalibreren zijn vanwege de onmogelijkheid om piekbelastingen nauwkeurig te bepalen. Bovendien vertrouwen bestaande methoden voor de evaluatie van rotsgestoten vaak op enkelvoudige indices of gaan zij uit van homogene gesteente-eigenschappen, waarbij ze falen om de onzekerheid en discretigheid die inherent zijn aan diepe heterogene rotsmassa's te verklaren. Bijgevolg is er een gebrek aan geïntegreerde kaders die gericht zijn op sterktevoorspelling, uitgebreide risico-evaluatie en geoptimaliseerde drukontlastingstechnologieën specifiek voor diepe heterogene condities.

Methodologie
Deze studie maakt gebruik van een veelzijdige aanpak die theoretische afleiding, laboratoriumtesten, numerieke simulatie en veldmonitoring combineert, waarbij de Sanshandao Goudmijn als casestudy wordt gebruikt.

Sterktevoorspellingsmodel: Een fysiek beperkt power-law model is ontwikkeld om de uniaxiale druksterkte ( $S$ ) te voorspellen met behandeling van niet-destructieve parameters: dichtheid ( $\rho$ ) en P-golf snelheid ( $v_p$ ). Het model, uitgedrukt als $S = A(\rho v_p^2)^b$ , is gekalibreerd tegen 30 heterogene gesteenteprofielen en gevalideerd met leave-one-out en five-fold cross-validatie. Dit model werd gebruikt om geïndividualiseerde piekbelastingen te bepalen voor daaropvolgende belastings-ontlastingsproeven, waardoor fouten die geassocieerd worden met het gebruik van een gemiddelde sterkte worden vermeden.
Multi-parameter Evaluatie: Zes indices voor de gevoeligheid voor rotsgestoten werden geïntegreerd: impactenergie-index ( $W_{cf}$ ), brosheidscoëfficiënt ( $B$ ), elastische rekenergie-index ( $W_{et}$ ), deformatie-brosheidsindex ( $K_u$ ), grondspanningsindex ( $S$ ) en tangentiële spanningsindex ( $T$ ). Een game-theory combinatie-wegingsmethode werd gebruikt om subjectieve gewichten (uit de Analytic Hierarchy Process) en objectieve gewichten (afgeleid van entropie en de variatiecoëfficiënt om heterogeniteit te verklaren) te fuseren. Deze gewogen indices werden verwerkt via een standaard normale cloud-model om de vaagheid en willekeur van de evaluatie te kwantificeren, wat resulteerde in een uitgebreide zekerheidsgraad voor de gradaties van rotsgestoten.
Numerieke Simulatie (PFC2D): Een 2D Particle Flow Code (PFC2D) model werd opgezet met een Weibull willekeurig veld om de heterogene sterkteverdeling van de Sanshandao rotsmassa te simuleren. Simulaties werden uitgevoerd voor boorgaten met vier diameters (0,05 m, 0,10 m, 0,15 m en 0,20 m) onder 40 MPa hydrostatische spanning. Een nieuwe metriek, de Efficiëntie-index voor Drukontlasting en Stabiliteit van het Omringende Gesteente (PRSEI), werd voorgesteld om de drukontlasting ( $\eta_S$ ) af te wegen tegen de genormaliseerde schade ( $D_n$ ).
Veldverificatie: Op basis van de simulatieresultaten werd een industriële test uitgevoerd in een gang met boorgaten van 0,10 m diameter met een tussenruimte van 1,0 m. Met trillende draad spanningmeters op harsankers werd de verandering in axiale kracht gedurende zeven dagen gemonitord om de effectiviteit van de spanningsontlasting te verifiëren.

Belangrijkste Resultaten

Sterktevoorspelling: Het power-law model bereikte een hoge aanpassingsnauwkeurigheid ( $R^2 = 0,958$ ) en voorspelde succesvol de sterkte van individuele monsters, wat het ontwerp van veilige en betrouwbare belastings-ontlastingsproeven mogelijk maakte. Cross-validatie bevestigde het generalisatievermogen van het model ( $R^2 = 0,951$ ).
Evaluatie van Rotsgestoten: De multi-index evaluatie met behulp van het cloud-model en de game-theory weging gaf aan dat de diepe rotsmassa van het Sanshandao mijnbouwgebied een "matige tot sterke" gevoeligheid voor rotsgestoten bezit. De regionale risicoscore werd berekend op 3,2. De analyse benadrukte dat de impactenergie-index ( $W_{cf}$ ) het hoogste gecombineerde gewicht (0,318) had vanwege de hoge discretigheid veroorzaakt door heterogeniteit.
Optimalisatie van Drukontlasting: PFC2D-simulaties toonden een unimodale relatie aan tussen de boorgatdiameter en de PRSEI.
- 0,05 m boorgaten boden onvoldoende ontlasting (PRSEI = 0,283).
- 0,15 m en 0,20 m boorgaten veroorzaakten overmatige ontlasting en excessieve schade, wat de stabiliteit verminderde (PRSEI = 0,173 en 0,000, respectievelijk).
- Het 0,10 m boorgat bereikte de maximale PRSEI van 0,466, waarbij een kritisch verbonden plastic zone (straal = 0,50 m) werd gecreëerd zonder de integriteit van het gesteente in gevaar te brengen.
Veldverificatie: Veldmonitoring toonde een monotone afname van de axiale krachten in de ankerbouten (reducerend naar 83,23%–86,97% van de initiële waarden) over zeven dagen zonder rebound. Ho"-wel de omvang van de reductie lager was dan de numerieke spanningsontlastingscoëfficiënt vanwege systeemstijfheid en de meetlocatie, bevestigde de trend de succesvolle overdracht van spanning en de vrijgave van elastische rekenergie.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert een kwantitatieve basis te bieden voor de evaluatie van rotsgestoten en de optimalisatie van drukontlasting, specifiek afgestemd op diepe heterogene rotsmassa's. De primaire bijdragen zijn:

Geïndividualiseerde Testen: Het vaststellen van een niet-destructief sterktevoorspellingsmodel dat het probleem van de bepaling van de piekbelasting voor heterogene monsters oplost, wat de betrouwbaarheid van belastings-ontlastingsproeven waarborgt.
Heterogeniteit-bewuste Evaluatie: Het ontwikkelen van een evaluatiekader voor de gevoeligheid voor rotsgestoten dat de heterogeniteit van de rotsmassa expliciet incorporeert in het wegingproces, de cloud-parameters en de onzekerheidsintervallen, wat een betrouwbaardere beoordeling biedt dan conventionele enkelvoudige-index of standaard fuzzy-methoden.
Geoptimaliseerde Drukontlasting: Het voorstellen van de PRSEI-metriek om de afweging tussen drukontlasting en gesteentestabiliteit te kwantificeren, waarbij 0,10 m als de optimale boorgatdiameter is geïdentificeerd voor de bestudeerde condities.
Geïntegreerd Kader: Het valideren van een volledig technisch systeem dat sterktevoorspelling, risicobeoordeling en technische beheersmaatregelen koppelt, geverifieerd door zowel numerieke simulatie als veldtoepassing bij de Sanshandao Goudmijn.

De auteurs erkennen beperkingen, waarbij zij opmerken dat de modellen zijn gekalibreerd op één enkel mijnbouwgebied en dat de 2D-simulatie 3D-spanningsstaten vereenvoudigt. Zij suggereren dat verdere validatie vereist is voor generalisatie naar andere diepe mijnen en dat langetermijnmonitoring noodzakelijk is om de langetermijn effecten van drukontlasting volledig in kaart te brengen.

Meer zoals dit