DISEO DEL PILAR Y RESISTENCIA DEL CARBNRESUMENUna base de datos completa fue creado que incluye ms de 4.000 resultados de resistencia a la compresin uniaxial cada procedente de ms de 60 capas de carbn. Estos datos se compararon con 100 casos de estudio de rendimiento de pilar en la mina desde la base de datos del Anlisis de estabilidad de Pilares en Retroceso (ARMPS).El anlisis estadstico se encontr ninguna correlacin entre el entonces ARMPS factor de estabilidad de los pilares fallidos y resistencia ejemplar carbn. Diseo columna era mucho ms fiable cuando se utiliz una fuerza de carbn uniforme de 6,2MPa (900Psi) en todas las historias de casos. La conclusin es que las pruebas de laboratorio no debe utilizarse para determinar la resistencia de carbn para ARMPS.Otros anlisis proporcionaron pruebas de por qu la resistencia de laboratorio no se correlaciona con la resistencia pilar. Los datos muestran claramente que el "efecto tamao" observado en las pruebas de laboratorio se relaciona con la estructura del carbn. La frmula Gaddy ampliamente utilizada, que prev una reduccin de la resistencia significativa a medida que aumenta el tamao de la muestra, se encontr que slo se aplican a los carbones "en bloques". Para carbones friables, el efecto tamao era mucho menos pronunciada, o incluso inexistente. Las pruebas de laboratorio no tienen en cuenta las discontinuidades a gran escala, como las interfaces de techos y pisos, que aparentemente no tienen ms efecto en la resistencia pilar de estructura a pequea escala.ANTECEDENTESLa resistencia a la compresin uniaxial del carbn fue uno de los primeros temas abordados por los primeros investigadores de mecnica de rocas. Bunting (1911) observ que "a la ma sin resultar apoyo adecuado pilar, ms pronto o ms tarde, en un apretn; los efectos tanto inherentes de los que estn aplastando de los pilares, la espeleologa de la cubierta, y el agitado de la parte inferior." Al poner a prueba las muestras de antracita de varios tamaos y formas en el laboratorio, Bunting y sus colaboradores esperaban para ayudar operadores de minas en "establecer el ancho de cmaras y pilares." Pronto encontraron que "la resistencia al aplastamiento de pequeos cubos es mayor que la de los cubos grandes, y, con una superficie de base constante, la resistencia al aplastamiento se vuelve menos como que aumenta la altura" (Daniels y Moore 1907). Bunting aparentemente lleg a la conclusin de que estas dos cuestiones, el "efecto tamao" y el "efecto de forma", impidieron que el uso directo de los resultados de resistencia de laboratorio en el diseo. Su ecuacin de diseo fue la primera frmula de resistencia pilar carbn emprica EEUU:

Donde Sp=Resistencia del pilarS1= parmetro de resistencia del carbnW= ancho del pilarYh= altura del pilarBunting utiliza los resultados de laboratorio para determinar la forma de la frmula (figura 1). El parmetro de resistencia del carbn era el determinado a partir de anlisis de fallo en pilar in situ ("compresiones reales" en la figura 1). Para pilares de antracita, que se fij en 7 MPa (1000 psi).El enfoque bsico empleado por Bunting y sus coleagues sigui siendo el estado de la tcnica durante gran parte del siglo 20. Por ejemplo, Zern present la siguiente ecuacin en la edicin 1928 de la "de bolsillo del minero de carbn":

Valor sugerido de Zern del parmetro de resistencia carbn es 4,8-7 MPa (700 a 1000 Psi).Ms de 20 aos despus, Gaddy (1956) trat de establecer el vnculo entre las muestras de laboratorio y la fuerza del campo. Atac el efecto tamao probando cubos de carbn de diferentes tamaos a partir de cinco juntas. Gaddy concluy que la disminucin de resistencia con el aumento de tamao de la muestra podra expresarse como

Donde k= constante de Gaddyresistencia estimada de un 2,5 cm (1 pulgada) del cubo,S=resistencia espcimen carbnYd= modelo de dimensin (in)

Su trabajo condujo a la frmula de resistencia pilar Holland-Gaddy ampliamente utilizado (Holanda y Gaddy 1956):

La frmula Holland-Gaddy parece haber sido la primera en los Estados Unidos de emplear un parmetro de resistencia de juntas especfica determinada a partir de las pruebas de laboratorio.En las pruebas in situ de los pilares a gran escala en frica del Sur durante la dcada de 1960 como resultado el concepto de un tamao de muestra "crtica" a partir del cual la resistencia es constante (Bieniawski 1968). La frmula de resistencia del pilar de Bieniawski emplea continuacin este concepto:

Donde S1 = Resistencia in situ del carbn Siguiendo Hustrulid (1976), Bieniawski recomienda que la resistencia en situ determinarse a partir de las pruebas de laboratorio y que la frmula Gaddy usarse para reducir la resistencia a la de un 1 m (36 in) muestra-crticos de tamao (Bieniawski 1984).Otros propusieron versiones del Obert-Duvall (Bauschinger) frmulas que emplean el parmetro de resistencia in situ (Bieniawski 1984) Holland-Gaddy y. Cabe sealar que la resistencia de carbn in situ en la ecuacin 5 es funcionalmente equivalente a la "parmetro de resistencia de carbn" en las ecuaciones 1 y 2.A pesar de que los libros de texto han considerado el laboratorio de anlisis en una parte integral del diseo de pilar durante casi 30 aos, se ha mantenido controvertido. Una de las razones es que el carbn sigue siendo muy difcil de ensayar. El carbn contiene muchos tipos de discontinuidades, incluyendo microfracturas, cornamusas, planos de estratificacin, separaciones, cizallas, y pequeas fallas. Tres fuentes de poca fiabilidad han sido identificados:1. variabilidad del Material dentro de una junta particular: Unrug et al. (1985) probaron mltiples estratos de Las juntas Warfield y el Coalburg y encontraron que los estratos ms fuertes eran seis veces ms fuerte que el ms dbil de cada costura. Newman y Hoelle (1993) reportaron resultados similares de la junta Harlan.

Figura 1. Datos utilizados para desarrollar la primera frmula de resistencia del pilar estadounidense (despus de Bunting (1911)2. La variacin en el muestreo, preparacin de espcimen, y pruebas tcnicas: Townsend et al. (1977) encontraron que las pequeas probetas cilndricas eran tpicamente 30% ms dbil que las muestras cbicas de la misma rea de seccin transversal. Khair (1968) document grandes efectos debido a la friccin de la placa.3. variacin en el efecto de el tamao y la forma entre juntas: Panek (1994) y Mrugala y Belesky (1989), entre otros, han especulado que el tamao del efecto exponente de Gaddy de -0,5 puede ser el mximo y no universalmente aplicable. El efecto de la forma ha sido el objeto de numerosos estudios.Algunos han sostenido que estas dificultades y que resulta una gran variabilidad en los resultados son suficientes para invalidar en gran medida las pruebas de laboratorio. Otra escuela de investigadores en la Repblica de Sudfrica, Australia y los Estados Unidos han argumentado que, a pesar de la resistencia puede caer dentro de un rango estrecho (Salomon 1991: Galvin 1995, Marcos 1990). En cada caso, sus conclusiones se basaron en el anlisis de las fallas del pilar en la mina. Salomon y Munro (1967) analizaron originalmente 27 colapsos de pilares y 92 casos intactos. Su frmula, tal vez el ms utilizado en el mundo, explic los datos muy bien sin hacer referencia a resistencia de cada junta. En 1991, Madden volvi a analizar una versin actualizada de su conjunto de datos. A pesar de que encontr algunas diferencias en la fuerza entre juntas, concluy una vez ms que la resistencia media podra representar todas las juntas. Galvin (1995) realiz un anlisis probabilstico de 30 trabajos bord y pilares colapsados y estables de Queensland y Nueva Gales del Sur, Australia. Lleg a la conclusin de que "resistencia pilar en el campo slo depende marginalmente en la resistencia de la junta una vez que el w / h supera 2." En los Estados Unidos, Mark y Chase (1997) present datos de 140 historias de casos, que fueron analizados utilizando el anlisis de estabilidad Minera de Pilares en Retiro (ARMPS). ARMPS estima resistencia del pilar utilizando una versin ligeramente modificada de la frmula Bieniawski; los anlisis asumieron una resistencia uniforme del carbn in situ. Mark y Chase (1997) encontraron que las fallas del pilar ocurrieron en 83% de los casos cuando el factor de estabilidad ARMPS (SF) fue inferior a 0,75, pero slo el 8% de los casos cuando era mayor que 1,5 (Figura 2).Todos estos investigadores han determinado que el valor de la resistencia en carbn situ se encuentra entre 5,4-7,4 MPa (780-1,070 Psi). La gama es muy pequea, teniendo en cuenta que se determin a partir de tres conjuntos de datos que abarcan todo el mundo. Por otro lado, al menos una junta de Sudfrica ha sido demostrado por respaldo-clculo a ser significativamente ms dbil que la media (Van der Merwe 1993). En la India, los investigadores llegaron a la conclusin de la parte posterior-anlisis de 43 historias de casos del pilar que la fuerza del carbn debe ser considerado en el diseo (Sheorey et al. 1987).

El inters en la resistencia a la compresin uniaxial del carbn tambin ha disminuido en los ltimos 15 aos porque los investigadores han dedicado su energa a frmulas de resistencia del pilar analticas y modelos numricos. Estas teoras se desarrollan a partir de los principios de la mecnica en lugar de ajuste de curvas para probar datos. El cambio en el nfasis se ha relacionado con el reciente enfoque en el diseo del pilar para la minera de tajo largo. Tajos largos emplean pilares que son mucho ms "okupa" que los utilizados tradicionalmente en las operaciones de la cmaras y pilares. Jams se han realizado unos ensayos de resistencia a la compresin, donde la Relacin del ancho y altura de la muestra (w /h) super 4; sin embargo, a menudo emplean pilares de tajo largo W / h proporciones de 10, 20 o ms.Obviamente, el concepto mismo de la insuficiencia del pilar adquiere un significado diferente para pilares en cuclillas. La amplia gama de teoras contradictorias sobre la mecnica de los pilares en cuclillas y las dificultades sustanciales con la obtencin de datos de campo para confirmar o refutar cualquiera de ellas se han descrito en otra parte (Mark y Iannacchione 1992). Por otra parte. Marcos et al. (1994) Hace muestra que el rendimiento del tailgate de tajo largo se puede predecir con precisin sin hacer referencia a resistencia de carbn costura especfico. Existe una clara evidencia abrumadora, terica y emprica, que la resistencia a la compresin uniaxial es irrelevante para la resistencia de un pilar en cuclillas.Las Minas de tajo largo, sin embargo, representan slo el 45% del carbn extrado bajo tierra en los Estados Unidos. Gran parte del resto proviene de pequeas minas de camaras y pilares generalmente operan en profundidades relativamente poco profundas. Estas minas usan muchos pilares "esbeltos" y pueden ocurrir fallas tradicionales en los pilares. La base de datos ARMPS contiene 60 casos de compresiones del pilar, golpes, o colapsos que han tenido lugar en los ltimos aos. Alrededor de un medio de stos se produjo a las profundidades de menos de 150 m (500 pies) y pilares involucradas cuya proporcin w / h era de menos de 5. El fallo se produjo en una variedad de juntas. Debido a que algunas juntas aparecen en bloques y fuerte, y otros parecen dbiles y extremadamente friable, es razonable esperar que estas diferencias estructurales obvias podran afectar a resistencia pilar. Como muestra el grfico 2, diseos exitosos y no exitosos se producen en proporciones aproximadamente iguales en el rango ARMPS SF de 0,75 a 1,5. Podra costura especficos de datos de resistencia de carbn de laboratorio explican algunos de esta variabilidad? Esa fue la pregunta esta investigacin se inici para responder.DISCUSIN DE LA INVESTIGACINA pesar de la gran cantidad de resistencia de carbn reportado en la literatura, que nunca haba sido compilado en una sola base de datos. El Centro de Investigacin de Pittsburgh, por lo tanto, emprendi la tarea. La Base de datos de resistencia del Carbn contiene ahora los resultados de ms de 4000 pruebas de resistencia a la compresin uniaxial individuales que cubren ms de 60 juntas y los obtenidos a partir de ms de 30 referencias. Todos los datos se han entrado en una hoja de clculo y son fcilmente accesibles para una amplia variedad de estudios estadsticos.Se incluyen dos tipos de datos. Por cerca de 2.300 pruebas, se proporcion informacin sobre las muestras individuales. Estos datos se introdujeron de forma individual, a continuacin, agrupados por referencia, junta, geometra de la muestra, y el tamao de la muestra. Cada grupo o privado, de las pruebas se coloc en una pgina separada dentro de la base de la fecha. Una "lnea de resumen" que contiene la resistencia a la compresin media y la desviacin estndar para la suite tambin se gener. Las lneas de resumen se recogieron y se colocan en la tabla de resumen. La tabla de resumen tambin incluye lneas que representan cerca de 1.700 pruebas que se informaron de forma resumida en la referencia original. La tabla de resumen contiene informacin sobre alrededor de 380 suites de prueba. La estructura de la Base de Datos de la Resistencia uniaxial del Carbn (Duques) se ilustra en la figura 3.Una sola copia del la DUCS se puede obtener mediante el envo de tres formato, disquetes de doble cara, alta densidad a: Timothy M. Barton, el NIOSH, Pittsburgh, PA 15236 hasta 0070. Por favor, especifique si prefiere .xls, .wk3 o separada por comas formato de valores.Una tabla de promedio de resistencia en capas de carbn de Estados Unidos se deriva de las estadsticas de resumen (tabla 1). Para minimizar el tamao y la forma de efectos, esta tabla slo se utiliza especmenes cuya proporcin w / h es de aproximadamente 1,0 y cuya dimensin ms pequea es de aproximadamente 8.5 cm (3.2 pulgadas). La resistencia media en capas de carbn se calcula como la media ponderada de todas las lneas de resumen para una costura especial que cumplen estos criterios geomtricos. Adems de los datos de resistencia, la Resistencia de carbn Base de datos tambin incluye una variedad de informacin de la calidad del carbn para cada costura probado. El ms relevante es quizs el ndice de Molienda Hardgrove (HGI), que es una medida relativa de la molturabilidad de carbn. Valores HGI ms grandes implican ms fcil molturabilidad y una mayor friabilidad. El HGI es casi universalmente requerido por los servicios pblicos que compran el carbn, por lo que la informacin es fcilmente accesible. Tambin se incluyen los valores representativos de el rango, contenido de carbono, contenido voltil, contenido de cenizas, y el valor de calentamiento. Debido a que los datos de calidad del carbn se recogieron de forma independiente de los datos de intensidad de carbn y de diferentes fuentes, que son aproximaciones slo con fines comparativos.Durante los ltimos 6 aos, muestras de carbn que miden alrededor de 0.003 m2 (0,1 pies3) tambin han sido recogidos de 45 costuras. Estos se clasificaron mediante el siguiente sistema simple:

Composicin: Bright (> 90% de carbn brillante)Semibright (60% -90% de carbn brillante)Intermedio (40% -60% de carbn brillante)Semidull (60% -90% de carbn mate)Dull (> 90% de carbn mate)

Estructura:Blocky (mayor espaciamiento cornamusa> 8 cm (3 pulgadas))Semiblocky (mayor espaciamiento cornamusa 8.3 cm (1.3 in))Friable (cornamusa espaciamiento 70 tienen una fuerza de menos de 20 Mpa (3000) psi). Estas costuras incluyen todas las costuras voltiles-media y baja en la base de datos. Del mismo modo, el 85% de las costuras con HGI