Pillar Failure in Deep Coal Seams: Numerical Simulation

ABSTRACT: The use of coal pillars at depth is fraught with problems due roof control difficulties and the possible occurrence of coal or pillar bumps. In the USA the largest and most important application of pillars at depth is in longwalling, where chain pillars are the customary supports of the multiple entry developments. At first, the chain pillars were designed using conventional approaches, where the principle is that the strength of the pillar should exceed the load imposed on it. Such approach to design led to larger and larger pillars at great depths, but instead of eliminating, it tended to aggravate the roof control problems. Eventually the idea was born that small sized yielding pillars, which have proved to be successful elsewhere, might provide the answer to this pressing problem as well. The aim of this paper is to study the modes of pillar failure at great depths, using two solution methods. The first of these comprises some elementary solutions obtained with the aid of a simplified conceptualization of the rock mass. This model consists of a strain-softening coal seam sandwiched between two stratified masses. The second approach utilizes FLAC3D, which is a commercially available three-dimensional numerical modeling software package. To gain a better insight, both the strain-softening and ideally plastic Mohr-Coulomb constitutive laws embodied in FLAC3D were exploited. As expected, the width to height ratio of the pillar has proved to be the primary factor that determined the behavior of the pillars. Narrow pillars fail in a stable manner without the occurrence of instabilities. Intermediate w/h ratio pillars under the appropriate loading conditions, may fail suddenly and may even collapse totally. Squat pillars do show the potential for sudden, coal bump like side failure, but because the remaining large width of the inner core, the ruble around the pillar provides sufficient confinement so as to reestablish stability. Finally, the study revealed that the traditional Mohr-Coulomb law does not provide a useful insight into the failure of coal pillars. RESUME: L’utilisation des piliers de charbon dans les mines souterraines de grande profondeur occasionne des problèmes due aux difficultés de control de plafond et possibles fracture ou explosions au niveau des piliers. Aux Etats-Unies d’Amérique, l’utilisation des piliers dans les mines souterraines de charbon comme moyen de support est considèrees comme étant la plus grande et la plus importantes des méthodes utilisée dans le ‘’ longwalling method’’ ou une série des piliers sont disposé de manière à supporter les multiple entrées d’exploitation de charbon. En premier lieu, cette série des piliers étaient construit de manière conventionnelle avec un principe basé sur le fait que le poids exerce sur les piliers doit être inférieur a la force que ces piliers exerce sur le plafond. Ce principe a conduit a ce que le volume des piliers augmente au fur et à mesure que la profondeur au de la mine augmente. Malheureusement, au lieu de résoudre le problème de support, ce principe n’a fait qu’aggraver le problème de contrôle de plafond. Eventuellement une idée s’est dégagé allant du fait que les piliers endommagés de taille moyenne qui se sont avérés être efficaces ailleurs, pourraient fournir un indice à ce particulier problème. Le but de cette recherche est celui d’étudier les différent types de ruptures qu’un pilier peut occasionner lorsqu’il est utilisé a grande profondeur, tout en utilisant deux possible méthodes. La première d’entre elle comprend quelques solutions élémentaires obtenues avec l’aide d’une méthode simplifié et conceptuelle de la masse de la roche. Ce modèle consiste à prendre en sandwich la bande de minerais de charbon entre deux masses stratigraphiques sans pour autant endommager le plafond. La seconde méthode nécessite l’utilisation du ‘’ FLAC3D’’, qui est un logiciel commercialisé disposant d’un modèle numérique en 3 dimensions. Dans le but d’obtenir