BERGMEKANIKDAGEN 20 MARS

Transkript

1 PROGNOSVERKTYG FÖR INFRASTRUKTURSKADOR I KIIRUNAVAARAGRUVANS LIGGVÄGG Prognosis tool for predicting infrastructure damage in the Kiirunavaara Mine footwall Mikael Svartsjaern, Itasca Consultants AB* Karola Mäkitaavola, LKAB *Tidigare vid Luleå Tekniska Universitet Sammanfattning Vid skivrasbrytning av den lutande malmkroppen i Kiruna påverkas det omgivande berget på båda sidor av malmkroppen. Liggväggen påverkas till synes i mindre grad än hängväggen då inverkan från brytningen, på markytan, är signifikant mindre. Påverkan på bergmassan under jord i liggväggen, gällande spänningsomlagringar och uppsprickning, kan dock vara kritisk, då hängväggsuppblockningen medför att gruvans infrastruktur i huvudsak förlagts i liggväggens bergmassa. Ny infrastruktur bör generellt placeras så nära malmkontakten som möjligt för att minimera drivningskostnader och transportavstånd men samtidigt på tillräckligt avstånd för att undvika skador relaterade till spänningsomlagringen under brytning. I detta arbete har ett prognosverktyg tagits fram för att uppskatta den maximala framtida utbredningen av brytningsrelaterade infrastrukturskador i Kirunagruvans liggvägg. Verktyget har tagits fram, och applicerats, i samarbete mellan LKAB och Luleå Tekniska Universitet. Till grund ligger systematisk skadekartering under jord, där brytningens inverkan följts i hela liggväggen under fem år samt numeriska analyser i UDEC och PFC. Modellresultaten har också jämförts med mikro-seismikdata för att validera den simulerade brottsutvecklingen. Brottsutvecklingen i liggväggen visas ske i frånvaro av de vanliga numeriska brottsindikationerna t.ex. koncentrationer av töjningar i så kallade skjuvband. Istället består uppsprickningen av samverkande lokala brott vars beteende kopplas till graden av avlastning. Abstract The sublevel caving of the inclined orebody at Kiruna affects the rock mass on both sides of the ore. The footwall is affected seemingly to a smaller degree than the hangingwall as the effects of mining, particularly on the ground surface, are significantly smaller. The effects on the rock mass underground, specifically in regard to stress redistribution and fracturing could however be of critical importance as the caving of the hangingwall results in virtually all mining infrastructure being positioned inside the footwall rock mass. New infrastructure should in general be placed as close to the ore contact as possible to minimize production costs and transportation distances but 101

2 BERGDAGARNA 2018 at the same time as adequate distance to avoid damage to the infrastructure from stress redistributions from the mining advance. A prognosis tool was developed within this work aiming to estimate the ultimate future extent of production related infrastructure damage in the Kiirunavaara mine footwall. The tool was developed, and applied, as a collaboration between LKAB and Luleå University of Technology. The work is based on systematic damage mapping underground, where the effects on existing infrastructure from production have been studied throughout the footwall during a 5-year period as well as numerical studies in UDEC and PFC. The model results have also been compared to micro-seismic data to validate the simulated damage evolution. The damage development is shown to progress in absence of the usual numerical failure indicators e.g. the concentration of strains in shear bands. Contrary, the fracturing constitutes coalescing local damages whose behaviour is connected to the degree of deconfinement. 1. Introduktion Kiirunavaaragruvan är världens största skivrasgruva för järnmalm. Malmen bryts i huvudsak med tvärgående skivrasbrytning från hängväggskontakten mot liggväggen på respektive skivnivå. Allteftersom malm bryts ut på produktionsnivån sker ett rasflöde med material från hängväggen och ovanliggande (utbrutna) skivnivåer in mot produktionsområdet. På stor skala innebär materialflödet att hängväggen blockar upp med markdeformationer som följd. Även på liggväggssidan sker markdeformationer, dock i betydligt mindre skala. På liggväggssidan tydliggörs den storskaliga brytningseffekten på bergmassan framförallt genom uppsprickning i gruvans underjordiska infrastruktur, närmast den tidigare malmkontakten på nivåer ovan brytningen. De principiella brytningseffekterna åskådliggörs i Figur 1. Figur 1 Principiella storskaliga brytningseffekter på hängvägg och liggvägg från skivrasbrytning. 102

3 Inom den skadade zonen i liggväggen (konceptuellt avgränsad av liggväggskontakten och skadegränslinjen visualiserad i Figur 1) är infrastrukturen systematiskt påverkad av rörelser och spänningsomlagringar. Skador i den urdrifttagna infrastrukturen ovanför aktiv brytning innefattar allt från utfall av sprutbetong till total ortkollaps. I Figur 2 visas exempel på typiska skador av varierande typ. Sprutbetongskada längs struktur Diskontinuerlig deformation längs skadeplan Seismiskt bergutfall Samverkande och progressiva brott Figur 2 Exempel på infrastrukturskador från Kiirunavaaras liggvägg med ökande svårighetsgrad från övre bilden till vänster till nedre bilden till höger. Uppsprickningen i liggväggen innebär att infrastruktur som förväntas användas även efter att brytningen passerat nivån, bör placeras på ett sådant avstånd från liggväggskontakten att den hamnar utanför den slutgiltiga skadegränslinjen. Det är därför kritiskt att i förväg kunna uppskatta skadezonens utbredning för framtida brytningsnivåer. I denna artikel beskrivs den metod som använts för att ta fram ett prognosverktyg för den slutgiltiga utbredningen av skadezonen i Kiirunavaaras liggvägg. Verktyget kan användas för att uppskatta skadezonens avstånd in i liggväggen från malmkontakten för en given nivå, inom vilket förlagd infrastruktur löper stor sannolikhet att skadas när brytningen passerat nivån. Syftet är att dels ge stöd i planeringsprocessen av framtida 103

4 BERGDAGARNA 2018 infrastruktur men även identifiera existerande områden som sannolikt kommer behöva omförstärkas vid fortsatt brytning. 2. Metodik för utveckling av ett prognosverktyg Till grund för arbetet med att ta fram en prognosmetodik och ett prognosverktyg för den framtida uppsprickningen användes skadekarteringsdata från gruvans infrastruktur. Hela den åtkomliga infrastrukturen i liggväggen ovan brytningen karterades årligen under 5 år och resultaten jämfördes med föregående karteringsomgång samt mot tidigare karteringsdata insamlad före projektets start. Karteringsdatat analyserades med avseende på lokalisering, skadetyp, trolig mekanism samt tidpunkt för skadans uppkomst. Det storskaliga mönstret av skadelokaliseringar användes för att definiera en skadegränslinje (på engelska "Damage Extent Boundary"; DEB). Skadegränslinje definieras som en konceptuell gräns för vilken bergmassan (och i förlängningen infrastruktur) mellan liggväggens malmkontakt och skadegränszonen anses ha hög sannolikhet att vara systematiskt skadad. Skadorna innanför skadegränslinjen går att härleda till mekanismer kopplade till deformationer och spänningsomlagringar. Bergmassan utanför zonen anses ha låg sannolikhet att uppvisa systematiska skador i infrastrukturen men lokala skador relaterade till t.ex. omvandlat berg eller ofördelaktig layout kan fortfarande förekomma. Resultaten från skadekarteringen analyserades med hjälp av två uppsättningar av numeriska modeller för att förstå liggväggens storskaliga beteende. Hela brytningssekvensen från dagbrott till dagens brytningsnivå och framåt (mot större djup) simulerades för samtliga modeller. Slutligen jämfördes den indikerade brottsutvecklingen mot tillgängliga mikro-seismiska data i form av händelselokaliseringar för de senaste utbrutna produktionsskivorna. Den detaljerade jämförelsen redovisas i Svartsjaern & Eitzenberger (2017). Figur 3 visar ett flödesschema för arbetsmetodiken från kartering till prognosverktyg. 104

5 Skadekartering Konceptuella numeriska modeller Skadegränszon (DEB) Kalibrerade numeriska modeller Mekanism Skadeutvecklingskoncept Seismikdata Validering av koncept Deformationsdata Prognosverktyg Figur 3 Flödesschema för arbetsmetodiken bakom utvecklingen av prognosverktyget 3. Tolkning av infrastrukturskador från kartering Analysen av de observerade skadorna under jord delar upp liggväggen (innanför skadegränslinjen) i fem zoner vilka visualiseras i Figur 4 och beskrivs nedan i mer detalj. Zon 1 är belägen närmast markytan. Bergmassan kring infrastrukturen är allmänt uppsprucken med skador orsakade både av storskaliga rörelser men också av frost och vattensprängning. De dubbla skadeorsakerna gör skadorna svårtydda men den storskaliga rörelsen i liggväggen tycks "vika ut" mot dagbrottet längs subvertikala strukturer, vilka möter dagen i dagbrottsväggen såsom principiellt visas i Figur 5. Zon 2 börjar under dagbrottsnivån och fortsätter (för närvarande) ner till ca 740 m nivå. Bergmassan närmast liggväggskontakten uppvisar skador i sprutbetong och gravitativa utfall av block och krossat berg. Skadorna tycks begränsas västerut (in i liggväggen) av naturliga malmparallella strukturer. Zon 3 är (för närvarande) belägen mellan nivå 740 och 878 m. Bergmassan runt befintlig infrastruktur är skadad av spänningsomlagringar från den passerade brytningen. Inom zonen indikerar skadekarteringsresultaten en vinklad eller böjd begräsning av karterbara skador och bergutfall som går från liggväggskontakten i zon 3:s nedre region ut mot de yttre aktiverade strukturerna från zon 2, belägna i den övre regionen av zon 3. På grund av den ökande inspänningen, från den avsmalnande 105

6 BERGDAGARNA 2018 rasbergsvolymen med ökande djup, förhindras rörelser i den uppspruckna bergmassan i zon 3:s nedre region. Med minskande djup minskar inspänningen från rasberget vilket tillåter större rörelser i bergmassan som i sin tur leder till att den yttre begräsningen av karterbara skador flyttas längre in i liggväggen. Den succesiva utflyttningen av de karterbara skadornas begränsning in i liggväggen möjliggörs av de tidigare uppkomna bergmasseskadorna från spänningsomlagringar. Vid övergången mellan zon 3 och zon 2 ligger de karterbara skadorna i ytterkant på den tidigare skadade volymen. Vid, och bortom, denna gräns styrs uppsprickningen längre in i liggväggen av aktivering av naturliga strukturer. Viss mikroseismisk aktivitet är registrerad i zon 3. Zon 1 och 2 är i stort aseismiska. Figur 4 Konceptuell uppdelning av skadezoner i Kiirunavaara liggvägg enligt nuvarande hypotes Zon 4 är seismiskt aktiv med ökande aktivitet med ökande djup. Bergmassan är skadad av tidigare spänningsomlagringar från brytningen men viss fortsatt uppsprickning sker (främst i zonens nedre regioner) pga. fortsatt spänningsomlagring vilket i sin tur ger upphov till nya seismiska händelser. Mobilisering av bergmasseskadorna i zonen, som leder till karterbara utfall, begränsas av den relativt höga inspänningen från rasberget varför inga storskaliga mönster tycks uppkomma. Zon 5 börjar vid brytningsnivån och sträcker sig två till tre nivåer (60-90m) ner mot djupet. I zon 5 sker majoriteten av de seismiska händelserna som lokaliseras i närheten av liggväggskontakten. Händelserna uppkommer vid brott och följande förändringar i bergmassan (uppsprickning) vilket potentiellt skapar svaghetsplan i materialet. Inspänningen i zonen förhindrar aktivering och glidning längs planen men energipulsen 106

7 från uppsprickningen skadar lokal infrastruktur som ligger längs den seismiska vågens propageringsväg. Figur 5 Möjligt daggående av subvertikal struktur aktiverad av storskaliga rörelser i KUJ Slutligen visar en jämförelse av projektets karteringsresultat och tidigare skadedokumentation att skadegränslinjens position uppskattad mellan 2004 och 2016 ligger på ett relativt konstant avstånd från liggväggskontakten ovanför nivå 740 m och att denna position inte rört sig nämnvärt under perioden, se Figur 6. Figur 6 Skadegränslinjens (Damage Extent Boundary, DEB) position relativt liggväggskontakten (LV) vid Y23 för karteringar utförda 2004, 2012, 2014 samt 2016 (senaste). Hängväggens position (HV) är grovt uppskattad från malmprofiler inkluderande "strökroppar" 107

8 BERGDAGARNA 2018 Under nivå 740 m tycks skadegränslinjen för samtliga dataset, med undantag från 2012, böja av från ovanliggande trend. Skillnaden i lokalisering under nivå 740 bedöms framförallt bero på det ökande antalet datapunkter med stigande årtal. 4. Analys av skadeutveckling Svartsjaern et al. (2016) simulerade uppsprickningsbeteendet tolkat från karteringen i UDEC (Itasca Consulting Group Inc, 2011). Modellerna kalibrerades mot skadegränslinjens position med utgångspunkt från ingående bergparametrar från tidigare studier av liggväggen. Studien visade att den storskaliga brottsutvecklingen inte beskrevs väl av de förväntade släntbrottindikatorerna såsom koncentrationer av töjningar i skjuvband. Uppsprickningen kopplades istället till distinkta, och begränsade, lokala brott relaterade till enskilda brytningsnivåer vilka tillsammans gav upphov till storskaligt mönster. Svartsjaern & Saiang (2017) byggde på resultaten från studien i UDEC och studerade den storskaliga uppsprickningen direkt i PFC (Itasca Consulting Group Inc, 2015). Både modellerna i UDEC och modellerna i PFC indikerade att uppsprickningen av bergmassan sker framförallt på och under brytningsnivån. Dvs. begränsat med nya bergskador uppkommer på nivåer ovanliggande brytningen. Skadezonen som uppkommer nära brytningen lämnar dock ett "spår" av uppsprucken eller försvagad bergmassa utgående från liggväggskontakten för varje bruten nivå. Med andra ord tycks skadegränslinjens "slutgiltiga" position, dvs brottens slutgiltiga utbredning i liggväggen, påverkas främst av brytning på den aktuella nivån samt de 1 till 3 direkt ovanliggande skivorna, se Figur 7. Skadegränslinjens position verkar inte förändras signifikant efter att brytningen passerat nivån. Figur 7 Närbild av området kring aktiv brytning från Fall A med aktiv brytningsnivå X, bedömd influenszon från det enskilda brytningssteget samt skadegränslinjens slutgiltiga position d.v.s. framtida position när berget är helt avlastat Resultaten från skadekarteringen under jord samt de numeriska analyserna leder fram till den brottshypotes som visualiseras i Figur 8. Nya sprickor uppkommer och 108

9 propagerar främst inom en influenszon vid brytningsnivåns direkta närhet, vilket leder till en uppmjukning av bergmassan. Den höga inspänningen vid "liggväggstån" förhindrar signifikanta rörelser till dess att brytningen passerat och ligger ett par skivor nedanför och den försvagade bergmassan kan expandera ut mot skivraset. Konceptet för brottsutvecklingen visas i Figur 8. Figur 8 Konceptuell beskrivning av sambandet mellan uppsprickning i liggväggen, lokal inspänning och seismisk aktivitet vid brytningsnivån enligt nuvarande brottshypotes 109

10 BERGDAGARNA Prognosverktyg De numeriska analyserna indikerar ett eventuellt samband mellan skivrasets bredd och liggväggsskadornas utbredning (skadegränslinjens position) för en given nivå X. Detta utgör basen för framtagandet av ett prognosverktyg för att på ett enkelt sätt kunna uppskatta omfattningen av skador i liggväggen. Modellerna tyder även på att skadegränslinjens slutgiltiga position är relaterad främst till brott uppkomna vid brytning av den aktuella nivån samt tidigare brytning av tre närmast ovanliggande nivåerna med störst påverkan från brytning av två närmast ovanliggande nivåerna. Skivrasets bredd är inte möjligt att direkt uppskatta i fält men det är sannolikt att det finns ett direkt samband mellan malmbredden och skivrasets bredd nära brytningsnivån och en uppskattad malmbredd används därför istället bredden på skivraset för nivåer nära aktuell brytning. Eftersom sambandet från de numeriska modellerna är relaterat till den "slutgiltiga" positionen för skadegränslinjen används skadekarteringsmaterialet från KUJ mellan nivå 420 och 775 m där skadegränslinjens position inte förändrats under lång tid (jämför Figur 6). Vid nivå 775 m och underliggande nivåer bedöms inspänningen påverka skadeutvecklingen i orterna, och den "slutgiltiga" positionen är därför inte karterbar på dessa nivåer ännu (jämför Figur 8). Ur karteringsmaterialet inhämtas positionen för karterade skador på respektive nivå samt positionen för karterbar, men oskadad, infrastruktur på nivån. Den andra punkten är av vikt för att kunna bedöma sannolikheten för att bergskador uppkommer längre in i liggväggen än möjligt att bedöma vid kartering. I Figur 9 (övre) är positionen för skadad respektive oskadad infrastruktur plottad vid varje hel Y-koordinat tillsammans med en bedömning av malmbredden, båda relativt den uppskattade hängväggskontakten, i detta fall för nivå 540 m. Mellan Y25 och Y35 finns syns ett eventuellt samband mellan skadegränslinjens position (DEB) och den uppskattade malmbredden vilket i Figur 9 (övre) markerats med en grön rektangel. Norr om Y25 tycks inget, alternativt ett annat, samband råda än mellan Y25 och Y35 vilket markerats med röd rektangel i Figur 9. Samma markering finns också för motsvarande områden i en planvy över nivån i Figur 9 (nedre). Ur Figur 9 (nedre) kan utläsas att för området Y25-Y35 kan oskadad infrastruktur karteras i relativt stor omfattning "bakom" skadegränslinjen medan området Y20-25 enbart tillåter kartering av antingen skadade eller oskadade områden vilket gör skadegränslinjens position mer osäker. 110

11 Figur 9 Exempel 540 m med positionen för skadegränslinjen (DEB) relativt uppskattad malmbredd för nivån samt ovanliggande skivor. Grön rektangel visar områden där ett samband mellan malmbredd och skadedjup uppfattas som troligt, röd rektangel indikerar inget eller avvikande samband Motsvarande bedömning gällande områden med "bra" samt "sämre" infrastrukturtäckning gjordes på resterande nivåer 420 till 775 m. Områden med "bra" täckning användes som kalibreringsområde för ett eventuellt samband mellan skadedjup i liggväggen och den uppskattade malmbredden. Medianvärden för varje nivå användes där skadedjupet delades med den uppskattade malmbredden. Resultaten per nivå lades sedan ihop och en linjär approximation av sambandet togs fram. Den resulterande ekvationen (ekvation 1) applicerades därefter på de undersökta nivåerna för varje hel Y- koordinat, där malmbredden motsvarar den maximala uppskattade malmbredden för en given Y-koordinat utvärderad för nivån och ovanliggande skiva (30 m skivhöjd). (Ekvation 1) I Figur 10 (övre) har Ekvation 1 plottats i ett nomogram för nivåer i hela hundratal mot malmbredder i tiotal. Nivådjupen är uppdelade i kalibreringsdjup, där karteringsdata är tillgängligt, seismiskt djup där seismikdata för nuvarande brytning är tillgänglig samt prognostiserat djup motsvarande framtida brytningssteg. Arbetsstegen för avläsning av nomogrammet visas i Figur 10 (nedre) där gruvnivå (level) väljs följt av malmbredd (ore thickness) i studieområdet vilket tillsammans ger skadezonens slutgiltiga djup (DEB estimate). I representerat fall, för gruvnivå 900 m med en malmbredd av 80 m, förväntas den slutgiltiga skadegränslinjen hamna ca 120 m in i liggväggen räknat från malmkontakten. 111

12 BERGDAGARNA 2018 Figur 10 Nomogram av ekvation 1 beskrivande sambandet mellan malmbredd, brytningsdjup och slutgiltig utbredning av skadezonen utgående från liggväggskontakten 6. Diskussion och slutsatser Artikeln har beskrivit den arbetsmetodik som använts för att ta fram ett prognosverktyg för infrastrukturskador i Kirunagruvans liggvägg. Ur omfattande skadekartering, och med stöd av numeriska analyser, har ett samband mellan malmbredd, brytningsdjup och utbredningen på den slutgiltiga skadezonen relativt liggväggskontakten tagits fram och projicerats mot djupet. Skalningsparametrarna i sambandet är specifika för Kiirunavaaras liggvägg, men arbetsmetodiken som använts bör gå att applicera även på andra platser där förhållandena är relativt likartade, såsom andra underjordsgruvor där relativt sammanhängande malmkroppar bryts. 112

13 De numeriska analyserna (rapporterade i separata artiklar) användes som ett stöd till prognosverktyget men användes inte direkt för att ta fram en prognos. Modellerna används för att konceptuellt förstå det storskaliga beteendet och för att bedöma risken att uppsprickningsbeteendet skulle förändras signifikant med ökande brytningsdjup. De numeriska resultaten visade på fortsatt uppsprickning enligt samma mekanismer för hela den simulerade brytningssekvensen (ner ytterligare 400 m räknat från dagen djup). Detta motiverade att basera verktyget på dagens karteringsunderlag med en extrapolering mot djupet. Med ökande brytningsdjup tillkommer kontinuerligt ytterligare karterbara nivåer vilket i sin tur ökar kalibreringsmaterialet. Det presenterade sambandet ska inte ses som ett statiskt "slutgiltigt" svar utan bör kontinuerligt uppdateras allt eftersom att nya data tillkommer. Erkännande och tack Det presenterade materialet är en sammanfattning av några av slutleveranserna i ett doktorandprojekt som drivits på LTU i samarbete med LKAB. Studiens slutsatser vilar därför på ett större arbete som involverat betydligt fler än författarna till denna enskilda artikel. Speciellt erkännande för delaktighet i det bakomliggande materialet ges till Docent David Saiang, Dr Andreas Eitzenberger och Professor Erling Nordlund på LTU. Likaså den involverade personalen vid LKAB; Mirjana Boskovic, Åke Öhrn, Erik Swedberg (tidigare LKAB) och Håkan Krekula (tidigare LKAB). Ytterligare erkännande ges till Adjungerad Professor Jonny Sjöberg (Itasca) för kommentarer och förslag gällande både denna artikel och arbetet i stort. Refererade arbeten Itasca Consulting Group Inc. (2011). UDEC user s guide version 5. Minneapolis, USA: ICG. Itasca Consulting Group Inc. (2015). PFC 5.0 Documentation. Minneapolis, USA: ICG. Svartsjaern, M., & Eitzenberger, A. (2017). Determination of magnitude completeness from convex Gutenberg-Richter graphs in the central portion ofthe Kiirunavaara mine. The Southern African Journal of Mining and Metallurgy Vol 117 (6), Svartsjaern, M., & Saiang, D. (2017). Discrete Element Modelling of Footwall Rock Mass Damage Induced by Sub-Level Caving at the Kiirunavaara Mine. Minerals vol 7 (7), Paper 109. Svartsjaern, M., Saiang, D., Nordlund, E., & Eitzenberger, A. (2016). Conceptual numerical modeling of large scale footwall behavior at the Kiirunavaara mine, and implications for deformation monitoring. Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol 49(3),