Stability analysis of an olivine quarry at Åheim, Western Norway

Abstract

Denne oppgaven presenterer en stabilitetsanalyse av Sibelco Nordics olivinbrudd på Aheim. Analysen undersøkte stabiliteten til dagens bakvegg og bakveggen i det endelige bruddet. Analysen ble utført ved bruk av numerisk modellering av bakveggen, likevektanalyse av kiler og ved a evaluere observasjoner og malinger fra feltkartlegging. Inngangsparametrene til de dataprosesserte analysene ble bestemt fra estimeringer og malinger som ble foretatt i felt og i laboratoriet i forbindelse med arbeidet med forfatterens prosjektoppgave høsten 2019.

Den numeriske analysen ble utført med den kontinuerlig metoden endelig elementmetode (FEM) ved bruk av programmet RS2 Rocscience (2019b). Analysen ble utført ved a modellere snitt vinkelrett på dagens bakvegg og den endelige bakveggen. Et snitt av dagens bakvegg ble brukt til a kalibrere skjærstyrken til en sprekkeoverflate ved a gjenskape et plant brudd. Den numeriske analysen ble utført ved å bruke to ulike analysemetoder. Den ene analysen ble utført ved a bruke metoden for redusering av skjærstyrke (Shear strength reduction (SSR)). Den andre analysen ble utført med modeller som inkluderer sprekkesett og analysere stabiliteten til modellen med inngangsparameterene fra feltkartlegging og laboratorietesting. Vannstrømning i bergmassen ble ikke inkludert i analysen. Analysen av kiler ble gjennomført ved å undersøke stabiliteten av fire kiler som ble observert i dagbruddet under feltkartlegging. Analysen ble utført med tørre sprekker og vannfylte sprekker.

Kalibreringen av plane brudd gikk utenfor anvendelsesomradet til FEM. Den numeriske analysen ved bruk av SSR metoden ga CSRF lik 5.62 for dagens bakvegg og 2.97 for den endelige bakveggen. Bakveggen ble ustabil ved CSRF som følge av brudd i bergmassen i nedre del av veggen. Bergmassen i nedre del av bakveggen forvitrer raskt, og forvitringsdybden etter lang tids eksponering vil bestemme faren for at et stort ras kan skje. De numeriske modellene indikerte ingen fare for strukturelt bestemte brudd eller ustabiliteter i pallene i dagens bakvegg eller den endelige bakveggen, men under feltkartlegging ble plane brudd observert enkelte steder langs pallfronten. Plane brudd forekommer som følge av underkutting av paller.

De identifiserte kilene har en sikkerhetsfaktor F > 5 ved tørre forhold. Analysen utført med vannfylte sprekker ga F < 1 for en av kilene. Fallet og fallretningen til sprekkene som danner kiler, gir skjæringslinja mellom sprekkene en lav vinkel som resulterer i liten fare for ustabiliteter.

Det ble ikke identifisert fare for et stort ras i dagens bakvegg. Faren for et stort ras i den endelige bakveggen vil avhenge av forvitringsdybden i den nedre delen av veggen. Den planlagte utformingen av dagbruddet kan bli brukt dersom underkutting av foliasjon unngas. En analyse ved bruk av ikke- kontinuerlig numerisk modellering kan bli utført for å få en bedre forståelse av foliasjonens betydning for stabiliteten.

This thesis presents an analysis of the stability of Sibelco Nordic’s olivine quarry at Aheim. The analysis was carried out by investigating the stability of the current back wall in the quarry and the planned final back wall at life of mine. The analysis was performed by numerical modelling of the back wall, limit equilibrium analysis of wedges, and evaluation of observations and measurements from field mapping. The input parameters in the computer analysis were determined from estimations and measurements in the field and the laboratory, carried out as the authors Project work autumn 2019.

The numerical analysis was performed by continuum method finite element modelling (FEM) using the software RS2 Rocscience (2019b). The analysis was carried out by modelling sections perpendicular to the current and final back wall. One section of the current back wall was used to calibrate joint shear strength by reproducing a plane failure. The analysis by numerical modelling was performed using two different methods. One analysis was performed using the shear strength reduction method (SSR) on a model without joint network. The second analysis was performed by creating models including a joint network and analyse the stability with the input parameters determined from field mapping and laboratory testing. The flow of water in the rock mass was not included in the analyses. The analysis of wedges was carried out by investigating the stability of four wedges observed in the quarry during field mapping. The analysis was performed for dry and completely water filled joints.

Calibration of plane failure went beyond the limitations of FEM. The numerical analysis by the SSR method gave CSRF equal to 5.62 for the current back wall and 2.97 for the final back wall. The wall become unstable at CSRF by rock mass failure at the bottom of the slope. The rock mass at the bottom of the wall has a high weathering rate, and the depth of weathering after long term exposure will determine the risk of global failure in the final back wall. The numerical models did not indicate any risk structural failure or instability in the benches in the current and the final wall, but plane failure along the bench faces were observed during field mapping. The plane failure occurs due to undercutting of benches.

The identified wedges had a factor of safety FS > 5 for dry conditions. Analysis with water filled joints gave a FS < 1 for one of the wedges. The dip and dip direction of the discontinuities forming the wedges result in a low dip of the intersection line resulting in a low risk of instability.

There was not identified any risk of global failure in the current back wall. The risk of global failure in the final back wall will depend on the depth of weathering at the bottom of the wall. There is a risk of structural instability along the bench face in the uppermost part of the current and the final back wall. The planned mine design can be used as long as undercutting of the foliation is avoided. An analysis using discontinuum numerical modelling can be performed to give a better understanding of the influence of the foliation on the stability.