Semi-empirical model for predicting pot-hole depth in underground coal mining

Semi-empirical model for predicting pot-hole depth in underground coal mining

Lokhande D. Ritesh1,*, V. M. S. R. Murthy2 and Singh Kalendra3

Subsidence lubang-lubang dapat diinduksi dengan mengekstraksi lapisan batubara di bawah pada kedalaman yang dangkal dan merupakan masalah yang sangat memprihatinkan. Ini telah menjadi kasus di beberapa tambang batubara South Eastern Coalfields Limited, anak perusahaan dari Coal India Limited. Banyak tambang batubara bawah tanah lama yang dikembangkan dengan metode bord dan pillar yang terletak di kedalaman dangkal menimbulkan masalah stabilitas pada habitat karena runtuhnya pilar dan pelebaran galeri di bawah pemuatan creep dan pelapukan. Ini membutuhkan studi sistematis untuk mengembangkan analisis mendalam pada berbagai parameter yang mempengaruhi kejadian lubang-pot dan juga untuk meramalkan model prediksi yang sesuai. Sebuah penelitian dilakukan untuk menganalisis data amblesan lubang-lubang terkait dengan 34 kasus lubang-lubang dan mengembangkan model semi-empiris untuk mensimulasikan kedalaman lubang-pot. Studi ini dilakukan di beberapa tambang batubara India selama berbagai tahap ekstraksi, pengembangan dan depilling batubara. Analisis data menunjukkan bahwa tinggi dan lebar ekstraksi, ketebalan lapisan tanah dan batuan, kepadatan tertimbang dan kekuatan tekan merupakan parameter utama yang berkontribusi terhadap terjadinya subsidensi lubang-pot. Hasil yang diprediksi cocok dengan kedalaman lubang pot aktual yang diukur di lapangan, memvalidasi model.

Pertambangan, khususnya penambangan bawah tanah, sangat penting daripada penambangan terbuka karena masalah lingkungan. Karena lapisan batubara dengan kedalaman yang dangkal sedang habis dengan kecepatan yang cepat, diharapkan bahwa fokus di masa depan adalah pada penambangan bawah tanah karena dampak penggalian yang lebih dalam pada lapisan atasnya dan lingkungannya. Namun, penambangan batubara bawah tanah pada kedalaman dangkal hingga sedang dapat merusak lapisan permukaan dan lapisan bawah permukaan karena pergerakan tanah yang besar. Kerusakan lingkungan yang berbahaya dapat disebabkan oleh deformasi pada penambangan bawah tanah di permukaan tanah. Ini bisa bersifat jangka panjang, didistribusikan secara luas dan dapat menyebabkan bencana skala besar1. Turunnya lubang pot adalah masalah yang paling umum, karena sebagian besar tambang bawah tanah pada kedalaman yang dangkal dan tambang tua dikelilingi oleh habitat manusia. Karena pembentukan lubang pot tidak pernah terjadi dengan indikasi sebelumnya, hal itu dapat menimbulkan bahaya bagi kehidupan dan harta benda manusia. Fitur permukaan dapat meruntuhkan rumah yang berdekatan dengannya (Gambar 1). Ketika ada aliran masuk limpasan permukaan ke tambang dan emisi gas tambang, pembentukan lubang pot menjadi berbahaya. Menghirup udara di tambang melalui lubang di bawah tanah dengan kondisi di bawah tanah 2-5. Diperlukan model prediksi lubang-pot agar tindakan pencegahan yang tepat dapat diambil untuk menahan subsidensi lubang-pot.

Mechanism of pot-hole

Alasan utama terjadinya lubang-pot adalah jatuhnya lapisan atasnya ke area yang digali, terutama di atasnya

persimpangan tambang atau aliran material melalui diskontinuitas geologis seperti sesar / patah di hadapan air. Beban overburden setelah ekstraksi batubara dialihkan ke pilar batubara terdekat. Akibatnya, nilai tegangan material di atas area yang ditambang akan meningkat. Tergantung pada keadaan awal tegangan, tegangan tarik di atap langsung dan / atau tegangan tekan tinggi di sudut atas bukaan dapat terjadi6. Jika atap mengandung patah atau sambungan vertikal, tegangan tarik tidak akan berkembang; namun, pembentukan keretakan dapat terjadi Pada masing-masing kasus, akan ada sedikit perlindungan atap dan lengkungan linier mandiri akan terbentuk. Akhirnya, subsidensi lubang-pot dapat terbentuk di permukaan. Model konseptual diberikan pada Gambar 2

Studi lapangan

Parameter lapangan seperti kondisi penambangan dan diskontinuitas geologis memainkan peran penting dalam terjadinya subsidensi lubang-pot. Studi lapangan dilakukan di tujuh tambang yang berlokasi di tiga wilayah berbeda di South Eastern Coalfields Limited (SECL), India, yaitu, wilayah Jamuna Kotama, Hasdeo dan Bisrampur di mana masalah lubang-pot sering terjadi (Gambar 3). Studi ini membahas 34 kasus lubang pot yang berbeda kondisi penambangannya

Analisis model yang ditinjau.

Beberapa model dikembangkan untuk prediksi amblesan lubang-lubang dan masing-masing digunakan terkait dengan kondisi geo-mining, geometri ekstraksi, kekuatan atap langsung dan geometri lubang-pot2,7-30. Dari tinjauan literatur, tiga model diidentifikasi yang secara langsung terkait dengan penelitian dan dapat digunakan untuk menentukan kedalaman lubang pot. Model-model ini diusulkan 16,21,25 digunakan untuk memahami kesesuaian mereka dalam kondisi India dengan memasukkan data lapangan yang dikumpulkan.

Whittaker and Reddish model

Dalam model ini, jumlah rongga pengisian volume dan volume yang dibuat karena penggalian adalah dasar utama untuk estimasi kedalaman lubang pot. Faktor bulking 1,2 dan 30 sudut istirahat diasumsikan untuk batuan penutup yang lunak dan tanah yang dihadapi masing-masing, dalam analisis ini. Kedalaman lubang pot yang diprediksi diberikan oleh persamaan. (1)

Z = )x(2 x w M² x cot ϕ + M x w²)

di mana k adalah faktor bulking (1,33 hingga 1,5); z ketinggian lubang pot (m); D diameter lubang pot (m); lebar kamar tambang (m); M ketinggian galian ruang tambang (m) dan ϕ adalah sudut diam batu caving di dalam ruang tambang yang bersebelahan.

Data yang dikumpulkan dianalisis untuk menghubungkan pengaruh tinggi galian dan diameter lubang pot karena kedalaman lubang pot. Hasilnya digambarkan dalam Gambar 4 dan 5 masing-masing. Diamati bahwa ketika ketinggian galian meningkat, volume kosong juga meningkat yang akan memicu dan mengakomodasi lebih banyak material dari lapisan atasnya yang lemah. Dengan demikian, kedalaman lubang pot cenderung meningkat. Gambar 5 menunjukkan bahwa kedalaman lubang pot berkurang dengan peningkatan diameter lubang pot, menghasilkan kecocokan yang cukup baik

Figure 4. Influence of height of extraction on pot-hole depth in Whit- taker and Reddish model.

Dyne model

Dyne model secara eksklusif dikembangkan untuk Southwestern Pennsylvania, di mana penerapan Whittaker dan model Kemerahan ditemukan terbatas. Model ini dikembangkan hanya untuk pekerjaan yang dikembangkan. Model menggunakan parameter yang berbeda untuk estimasi lubang pot kedalaman, yaitu, ketinggian digali, diameter lubang pot di permukaan dan di pangkalan, lebar ekstraksi dan faktor bulking yang diasumsikan 1,2 dan sudut istirahat 30 °. Persamaan (2) diberikan oleh

Z = 12/π(k-1)( d_base²+ d_surf + d_base d_surf) (π/I2_t (d_base² + D² + Dd_base)-((D-w)/6 tan θ)(D²acros(w/D) -D²/2sin(2acros(w/D))-πD²/4+w²))

di mana z adalah ketinggian lubang pot (ft); k faktor bulking (1,33 hingga 1,5); t tinggi galian ruang tambang (ft); dbase diameter lubang pot di pangkalan (ft); dsurf diameter lubang pot di permukaan bumi (ft); D = dbase + 2t cot θ; dengan lebar ruang tambang (ft) dan θ sudut istirahat batu caving di dalam kamar tambang yang bersebelahan dengan area runtuh.

Development of pot-hole depth prediction model

Untuk memprediksi kedalaman lubang pot untuk ekstraksi kedalaman dangkal, model dikembangkan berdasarkan studi sub-lubang pot dan analisis parameter kritis. Parameter awalnya diakui dari tinjauan literatur, studi lapangan saat ini dan analisis hubungan. Parameter yang digunakan untuk pengembangan model kedalaman lubang pot adalah tinggi dan lebar ekstraksi, ketebalan lapisan tanah dan batuan, kepadatan tertimbang dan kekuatan tekan tertimbang dari lapisan batuan.

Untuk mengidentifikasi parameter kritis, pemahaman menyeluruh adalah penting untuk mengembangkan model prediksi. Juga, penting untuk dicatat bahwa kedalaman lubang pot juga berubah seiring waktu. Mempertimbangkan bahwa bagian tanah akan selalu dikonversi menjadi lubang pot, kedalaman lubang pot minimum mungkin sama dengan ketebalan lapisan tanah. Selanjutnya, peningkatan kedalaman akan tergantung pada sifat strata di bawah lapisan tanah dan kompetensinya. Untuk menentukan persentase lapisan batuan yang akan dikonversi menjadi kedalaman lubang pot: Misalkan  adalah persentase lapisan batuan yang diubah menjadi lubang pot. Dengan asumsi di atas, persamaan. (6) menunjukkan estimasi kedalaman lubang pot.

Z = S +  x T

Diskusi

Model prediksi kedalaman lubang pot yang dibahas dalam makalah tidak dapat diterapkan secara langsung pada kasus yang dipelajari dan dibatasi oleh kondisi batas tertentu. Dengan model Whitter dan Reddish, nilai kedalaman lubang pot pasangan lebih besar dari nilai yang diamati dalam kondisi India. Model ini dibuat untuk ekstraksi dengan lebar terbatas dan tidak berguna untuk kondisi depillaring.

Model Dyne memprediksi kedalaman lubang pot hanya untuk kasus pengembangan. Selanjutnya, dalam pengembangan, hasil yang diperoleh dari model ini tidak sesuai dengan data lapangan yang diamati. Dalam model ini, ketebalan lapisan penutup dan ketebalan lapisan dihitung dari rencana dan bukan dari kondisi lapangan aktual. Lebar ekstraksi, faktor bulking dan sudut istirahat diasumsikan untuk pengembangan model ini. Model Tajdus dan Sroka cocok untuk pekerjaan yang dikembangkan, tetapi dalam pekerjaan depillaring, kedalaman lubang pot yang diperkirakan jauh lebih tinggi daripada nilai yang diamati di lapangan. Mempertimbangkan keterbatasan di atas, model baru dikembangkan dari penelitian ini dan model yang dikembangkan divalidasi untuk pengembangan depillaring gabungan, dan pengembangan, dan depillaring terpisah. Model menghasilkan indeks penentuan yang masuk akal (R2) dengan masing-masing 0,75, 0,68 dan 0,52, antara kedalaman dan lubang pot yang diukur. Itu juga menemukan bahwa model gabungan bekerja dengan baik untuk estimasi kedalaman lubang pot dalam berbagai kondisi.

Kesimpulan

Studi ini menyoroti masalah-masalah bekerja di penambangan kedalaman dangkal terkait dengan subsidensi lubang-lubang, khususnya, di SECL dan di collieries serupa. Semi-empiris Model yang dikembangkan ternyata bermanfaat dan membantu menentukan jumlah kedalaman lubang pot. Model ini menghasilkan hasil yang baik dengan tingkat kepercayaan yang wajar. Model prediksi yang dikembangkan untuk menilai kedalaman lubang pot akan berguna bagi industri pertambangan secara umum dan juga di area di mana studi ini dilakukan. Model yang dikembangkan tidak mewakili kondisi di mana sesar dan badan air ada atau tidak ada. Lebih banyak studi kasus harus dikumpulkan dengan beragam kondisi geo-mining, yang dapat dimasukkan ke dalam model-model yang dikembangkan sehingga dapat menganalisis kasus-kasus kompleks dengan lebih tepat.