Probabilistic stability analysis of open stopes in sublevel stoping method by numerical modeling

Over the past years, maintaining the stability of underground excavations has grabbed attention with the growing tendency of exploitation of deep underground mineral resources. Since sublevel stoping is recognized as the most widely applied method in Canadian underground mines, assessing the open stope stability develops concern for rock mechanics engineers over preserving mining production capacity and providing safety for workers and equipment. Stress-induced failure is among the most common causes of instability for underground open stopes. The probability of failure (POF) depends on a number of factors including rock mass properties, in situ stress state and stope geometry. One of the most reliable approaches for evaluating the influence of the above mentioned factors on open stope stability, is the use of probabilistic methods in conjunction with numerical analysis. Various powerful probabilistic methods (e.g. Monte Carlo Simulation, Random Monte Carlo Simulation and Response Surface Methodology) in conjunction with the finite difference code FLAC3D have been applied throughout our research. In fact, the present research provides a comprehensive methodology to perform a numerical evaluation of the effect of open stope geometrical parameters (i.e., stope strike length, stope width, and etc.) on the potential of rock mass brittle damage, as well as the probability of stope failure (POF) by considering two modes of relaxation-related gravity driven (tensile) failure, and rock mass brittle failure. Monte Carlo Simulation (MCS) and Response Surface Methodology (RSM) are employed to determine the significant individual effects and their interactions of the geometric parameters. This study applies geometrical parameters derived from a survey of numerous open stopes from the Canadian Shield. Evaluation of the effect of stope geometry on the rock mass brittle damage indicates that independent from mining depth, the highest range of brittle damage is observed for the stopes with moderate range of hanging wall hydraulic radius (HR) and high range of hanging wall dip. While the lowest values of brittle damage is observed for the stopes having low-moderate values of hanging wall HR and low-moderate values of hanging wall dip. Also, the individual and interactive effect of stope geometrical parameters on the rock mass brittle damage is found to be significant. Assessing of the effect of stope geometry on the probability of tensile failure (POF) has pointed out that three parameters, which are the stope hanging wall HR, stope span width and stope hanging wall dip, have a strong influence on the stope stability state. Also it was found that the POF is significantly controlled by interaction effects between span width / hanging wall HR and hanging wall dip / hanging wall HR. Moreover, according to the results of the mathematical optimization, the maximum stability (in terms of POF) occurs for shallow dipping narrow stopes having large hanging wall HR. Whereas, the minimum stability would happen in moderately to steeply dipping wide stopes with small hanging wall HR values. Also, a probabilistic stability analysis was performed on seven primary open stopes located in mining blocks V and VI at the Niobec underground mine (Saint-Honoré, Québec). Probabilistic methods with the finite difference code FLAC3D, are employed to evaluate the stability state of each studied stope, taking into onsideration the inherent variability associated with the geomechanical parameters of the rock mass. The stability state is defined via the tensile and compressive probabilities of failure (POF) and the probability of brittle damage initiation (PDI). Monte Carlo simulation generates the probabilistic rock mass input parameters while Random Monte Carlo simulations applied a random spatial distribution of the geomechanical parameters within the rock mass. The results indicate that for the evaluated open stopes, tensile and compressive failures share similar POFs. However, according to the PDI values around all the open stopes, no brittle failure is expected to occur under the existing conditions of rock mass quality and in-situ stress regime in mining blocks V and VI at the Niobec Mine.
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\nPendant les dernières années, le maintien de la stabilité des excavations souterraines a attiré l'attention avec la tendance croissante à l'exploitation des ressources minérales souterraines profondes. Étant donné que la méthode des chantiers ouverts est reconnue comme la méthode la plus largement utilisée dans les mines souterraines canadiennes, l'évaluation de la stabilité de ces chantiers suscite des inquiétudes chez les ingénieurs en mécanique des roches quant à la préservation de la capacité de production minière et à la sécurité des travailleurs et de l'équipement. La rupture induite par la concentration des contraintes est l'une des causes les plus courantes d'instabilité pour les chantiers souterrains ouverts. La probabilité de rupture (POF) dépend d’un certain nombre de facteurs, dont les propriétés du massif rocheux, l’état de contrainte in situ et la géométrie du chantier. L’utilisation de méthodes probabilistes en conjonction avec l’analyse numérique est l’une des approches les plus fiables pour évaluer l’influence des facteurs susmentionnés sur la stabilité des chantiers. Diverses méthodes probabilistes ayant fait leurs preuves (par exemple, la simulation de Monte Carlo, la simulation de Monte Carlo aléatoire et la méthodologie de surface de réponse), associées au code de différences finies FLAC3D, ont été appliquées tout au long de la présente recherche. En fait, la présente recherche fournit une méthodologie complète pour effectuer une évaluation numérique de l’effet des paramètres géométriques des chantiers ouverts (c’est-à-dire la longueur du chantier, la largeur du chantier, etc.) sur le potentiel des dommages et la probabilité de rupture du chantier (POF) en considérant deux modes de rupture, soit celle due à la gravité (traction) liée à la relaxation et la rupture fragile de la masse rocheuse. La simulation de Monte Carlo (MCS) et la méthodologie de surface de réponse (RSM) sont utilisées pour déterminer les effets individuels et d’interaction significatifs des paramètres géométriques. Cette étude applique des paramètres géométriques dérivés d'un inventaire de nombreux chantiers ouverts dans le Bouclier canadien. L’évaluation de l’effet de la géométrie du chantier sur des dommages fragiles du massif rocheux indique qu’indépendamment de la profondeur des chantiers, les chantiers présentant un rayon hydraulique modéré et une pente élevée montre un plus grand dommage fragile. Par contre, les chantiers avec les valeurs de rayon hydraulique du toit bas à modéré, et un pendage de toit également bas a modéré montrent une dommage fragile minimal. En outre, l’effet individuel et interactif des paramètres géométriques du chantier sur les dommages fragiles du massif rocheux s’avère significatif. L’évaluation de l’effet de la géométrie du chantier sur la probabilité de rupture en traction a montré que trois paramètres, qui sont le rayon hydraulique du toit, la largeur du chantier et le pendage de la paroi, ont une forte influence sur la stabilité du chantier. Il a également été constaté que le POF est contrôlé de manière significative par des effets d’interaction entre la largeur du chantier / le rayon hydraulique du toit, et le pendage du toit / le rayon hydraulique du toit. De plus, selon les résultats de l’optimisation mathématique, la stabilité maximale (en termes de POF) se produit pour les chantiers étroits peu profonds, à faible pendage et ayant de fortes valeurs de rayon hydraulique du toit. Alors que la stabilité minimale se produirait pour des chantiers larges et de pendage modéré à élevé, avec un toit ayant faibles valeurs de rayon hydraulique. De plus, une analyse de stabilité probabiliste a été est effectuée sur sept chantiers principaux parmi les ouvrages souterrains situés aux niveaux V et VI de la mine souterraine Niobec (Saint-Honoré, Québec). Les méthodes probabilistes utilisant le code de différences finies FLAC3D sont utilisées pour évaluer l’état de stabilité de chaque chantier étudié, en tenant compte de la variabilité inhérente associée aux paramètres géomécaniques de la masse rocheuse. L'état de stabilité est défini par les probabilités de rupture en traction et en compression (POF), et la probabilité d'initiation de dégradation fragile (PDI). La simulation de Monte Carlo génère les paramètres probabilistes du massif rocheux tandis que les simulations aléatoires de Monte Carlo ont appliqué une distribution spatiale aléatoire des paramètres géomécaniques dans le massif rocheux. Les résultats indiquent que pour les chantiers ouverts évalués, les ruptures de traction et de compression partagent des POF similaires. Cependant, selon les valeurs de PDI autour de tous les chantiers ouverts, aucune défaillance fragile ne devrait se produire dans les conditions existantes de la qualité du massif rocheux et du régime de contraintes in situ aux niveaux V et VI de la mine Niobec.

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