Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

Τίτλος εργασίας: Επίδραση Μικρό-Ρωγμάτωσης στην Ευστάθεια Στύλου Υπογείων.
Τίτλος εργασίας στα αγγλικά: The Effect of Micro-Cracking on the Stability of Underground Pile.

Τριμελής εξεταστική επιτροπή

1.Γεώργιος Ξηρουδάκης, Επικ. Καθηγητής σχολής ΜΗΧΟΠ (επιβλέπων)

2.Γεώργιος Εξαδάκτυλος, Καθηγητής (ΣΕΜΦΕ)

3. Δρ. Γεώργιος Σαράτσης, μέλος ΕΔΙΠ σχολής ΜΗΧΟΠ

Περίληψη

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση και η αποτίμηση της επίδρασης της μικρο-ρωγμάτωσης στην ευστάθεια στύλων σε υπόγειες εκμεταλλεύ-σεις με τη μέθοδο θαλάμων και στύλων. Η βραχόμαζα στη φύση σπάνια αποτελεί ένα ιδανικό, συνεχές και ομοιογενές μέσο· αντίθετα, χαρακτηρίζεται από ατέλειες, όπως πόροι, ασυνέχειες και μικρορωγμές, οι οποίες υποβαθμίζουν δραστικά τις μηχανικές ιδιότητες του πετρώματος. Σκοπός της εργασίας είναι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτή η μικρο-ρωγμάτωση μεταφράζεται σε μακροσκοπική απώλεια της φέρουσας ικανότητας του στύλου, ένα από τα πιο σύγχρονα και απαιτητικά προβλήματα της μηχανικής πετρωμάτων. Για τον σκοπό αυτό, η μελέτη συνδυάζει δύο συμπληρωματικές αριθμητικές προσεγγίσεις: την αναλυτική Μέθοδο Ασυνεχών Μετατοπίσεων (DDM), υλοποιημένη σε περιβάλλον MATLAB και προσανατολισμένη στη γεωμετρία και τη μηχανική συμπεριφορά της ίδιας της ρωγμής, και προσομοιώσεις πεπερασμένων διαφορών μεγάλης κλίμακας στο λογισμικό FLAC2D, οι οποίες αποτυπώνουν τη μακροσκοπική ελαστοπλαστική συμπεριφορά της βραχομάζας βάσει του κριτηρίου Mohr-Coulomb.
Αρχικά παρουσιάζεται το γενικό πλαίσιο των υπόγειων εκμεταλλεύσεων και των μεθοδολογιών εξόρυξης, με έμφαση στον κύκλο παραγωγής της μεθόδου θαλάμων και στύλων και στον ρόλο του λόγου πλάτους προς ύψος (W/H) στην ευστάθεια του στύλου. Στη συνέχεια αναπτύσσεται το θεωρητικό υπόβαθρο του προβλήματος: για την ελαστική συμπεριφορά του υλικού υιοθετείται ο γραμμικός και ισότροπος νόμος του Hooke με σταθερές ελαστικές παραμέτρους, ενώ η πλαστική παραμόρφωση θεωρείται μόνιμη και μη αναστρέψιμη, με έναρξη στο όριο διαρροής· παρουσιάζο-νται επίσης τα κριτήρια αστοχίας Mohr-Coulomb, Griffith και Hoek-Brown, καθώς και οι μηχανισμοί μικρο-ρωγμάτωσης και προοδευτικής αστοχίας του πετρώματος, όπως ο αξονικός σχισμός και η επιφανειακή αποφλοίωση. Ακολουθεί η περιγραφή της υλοποίησης των αριθμητικών μοντέλων στο FLAC2D και του αντίστοιχου κώδικα DDM στο MATLAB, καθώς και η επεξεργασία και παρουσίαση των αποτελεσμάτων.
Τα αποτελέσματα των δύο μεθόδων συγκλίνουν ικανοποιητικά για την περίπτωση αναφοράς χωρίς ασυνέχεια (FS = 3.32 στο FLAC2D έναντι FS = 3.19 στη DDM, απόκλιση ~4.1%), επιβεβαιώνοντας την ορθότητα των παραδοχών και των ελαστικών ιδιοτήτων του μοντέλου. Η μελέτη ευαισθησίας του FS ως προς τη γωνία τριβής της ασυνέχειας (φ = 10°-45°) επιβεβαιώνει την άμεση επίδραση των
μηχανικών χαρακτηριστικών της ασυνέχειας στην ευστάθεια: για φ < 17.5° ο στύλος βρίσκεται σε ζώνη υψηλής αστάθειας (FS ≤ 1.2), για φ = 25°-35° ο FS κυμαίνεται από 1.85 έως 2.25, ενώ για φ > 40° ο FS συγκλίνει ασυμπτωτικά, χωρίς να την υπερβαίνει, προς την τιμή αναφοράς του συμπαγούς πετρώματος. Παράλληλα, η στοχαστική ανάλυση της επίδρασης της πυκνότητας ρωγμάτωσης f αναδεικνύει μια έντονα μη γραμμική σχέση μεταξύ ρωγμάτωσης και κινδύνου αστοχίας: για f = 0.25 m/m² η πιθανότητα αστοχίας υπολογίζεται περίπου στο 15%, ενώ αυξάνεται απότομα σε περίπου 40-43% για f = 0.50 m/m² και σε 46-47% για f = 0.75 m/m², υποδεικνύοντας ότι η αύξηση της πυκνότητας των μικρορωγμών δεν επιδρά απλώς προσθετικά αλλά επιταχύνει δυσανάλογα τον κίνδυνο ολικής κατάρρευσης του στύλου. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν την αναγκαιότητα ενσωμάτωσης πιθανοτικών κριτηρίων, πέραν των παραδοσιακών ντετερμινιστικών προσεγγίσεων, στον γεωτεχνικό σχεδιασμό στύλων σε ρηγματωμένη βραχομάζα. Τέλος, προτείνονται κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα, όπως η αξιοποίηση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και στατιστικής ομαδοποίησης, η πειραματική και αριθμητική προσομοίωση τεχνητών ασυνεχειών, η εισαγωγή ανισότροπων και μη γραμμικών καταστατικών μοντέλων, καθώς και η διερεύνηση δυναμικών και χρονικά εξαρτώμενων φαινομένων ερπυσμού.
Λέξεις-κλειδιά: Μικρο-ρωγμάτωση, Ευστάθεια στύλων, Μέθοδος θαλάμων και στύλων, DDM, MATLAB, FLAC2D.
 

Abstract: The subject of this diploma thesis is the investigation and assessment of the effect of micro-cracking on the stability of pillars in underground mining operations using the room-and-pillar method. Rock mass in nature is rarely an ideal, continuous, and homogeneous medium; on the contrary, it is characterized by imperfections such as pores, discontinuities, and micro-cracks, which drastically degrade the mechanical properties of the rock. The aim of the thesis is to understand how this micro-cracking translates into a macroscopic loss of the pillar's load-bearing capacity, one of the most contemporary and demanding problems in rock mechanics. To this end, the study combines two complementary numerical approaches: the analytical Displacement Discontinuity Method (DDM), implemented in the MATLAB environment and oriented toward the geometry and mechani-cal behavior of the crack itself, and large-scale finite-difference simulations in the FLAC2D software, which capture the macroscopic elastoplastic behavior of the rock mass based on the Mohr-Coulomb criterion.
The general framework of underground mining operations and excavation methodologies is presented first, with emphasis on the production cycle of the room-and-pillar method and the role of the width-to-height ratio (W/H) in pillar stability. The theoretical background of the problem is then developed: the linear, isotropic Hooke's law with constant elastic parameters is adopted for the elastic behavior of the material, while plastic deformation is considered permanent and irreversible, beginning at the yield limit; the Mohr-Coulomb, Griffith, and Hoek-Brown failure criteria are also
presented, along with the mechanisms of micro-cracking and progressive rock failure, such as axial splitting and surface spalling. This is followed by a description of the implementation of the numerical models in FLAC2D and the corresponding DDM code in MATLAB, as well as the processing and presentation of the results.
The results of the two methods converge satisfactorily for the reference case without a discontinuity (FS = 3.32 in FLAC2D versus FS = 3.19 in DDM, a deviation of ~4.1%), confirming the validity of the model's assumptions and elastic properties. The sensitivity study of FS with respect to the friction angle of the discontinuity (φ = 10°-45°) confirms the direct effect of the discontinuity's mechanical characteristics on stability: for φ < 17.5°, the pillar lies within a zone of high instability (FS ≤ 1.2); for φ = 25°-35°, FS ranges from 1.85 to 2.25; while for φ > 40°, FS converges asymptotically, without exceeding it, toward the reference value of the intact rock. In parallel, the stochastic analysis of the effect of fracture density f reveals a strongly nonlinear relationship between fracturing and failure risk: for f = 0.25 m/m², the probability of failure is estimated at approximately 15%, while it rises sharply to approximately 40-43% for f = 0.50 m/m² and to 46-47% for f = 0.75 m/m², indicating that increasing micro-crack density does not act merely additively but disproportionately accelerates the risk of total pillar collapse. These findings highlight the need to incorporate probabilistic criteria, beyond traditional deterministic approaches, into the geotechnical design of pillars in fractured rock masses. Finally, directions for future research are proposed, including the use of machine learning and statistical clustering algorithms, experimental and numerical simulation of artificial discontinui-ties, the introduction of anisotropic and nonlinear constitutive models, and the investigation of dynamic and time-dependent creep phenomena.
Keywords: Micro-cracking, Pillar stability, Room-and-pillar method, DDM, MATLAB, FLAC2D.