Malmkroppen i Kiruna

Bergmekaniska utmaningar för LKAB
Lars Malmgren
2010-04-15
Kärnavfallsrådet – öppet rådsmöte den 15 april 2010

• Allmänt om LKAB
• Bergmekanik
Innehåll
– Bergmekaniska utmaningar
– Gruvseismicitet
– Svaga bergarter

En internationell högteknologisk
mineralkoncern som producerar
järnmalmsprodukter till stålindustrin
och industrimineralprodukter till många
olika branscher och
användningsområden.
Företaget bildades 1890.

Järnmalmsprodukter till stålindustrin
Bryter, förädlar, transporterar och
levererar järnmalmsprodukter.
Gruvor och förädlingsverk i Kiruna,
Svappavaara och Malmberget.
Malmhamnar i Luleå och Narvik.
Produktion 2008:
Råmalm 43 Mt
Färdiga produkter 23,8 Mt
Leveranser 22,7 Mt,
varav pellets 17,9 Mt

Järnmalmsmarknaden
LKABs export är cirka 3 % av den totala sjöburna världshandeln
Tre stora aktörer har 70 % av världsmarknaden.

Investeringar i världsklass pågår
• Ny huvudnivå i Malmberget (M1250)
• Ny huvudnivå i Kiruna (KUJ 1365)
• Narviks malmhamn (SILA)
• Provbrytning Gruvberget,
Svappavaara
• Nya lok och malmvagnar
• Upprustning av järnvägsterminaler i
Narvik och Svappavaara

Malmkroppen i Kiruna
En sammanhängande
malmkropp, 4 km lång, 80 meter
bred och känd till 1500 meters
avvägning (m avv).
Dagens huvudnivå ligger på
1045 m avv och ny anläggs på
1365 m avv.
Beslut om nya huvudnivån togs i
oktober 2008, beräknas till 12,4
miljarder kronor.
Brytning startade kring
sekelskiftet år 1900.

Malmkropparna i Malmberget
20-tal malmkroppar, ca
10 bryts.
Tre huvudnivåer; på
600, 815 och 1 000 m
avv.
Malmberget
Ny huvudnivå anläggs
på 1250 m avv.
Beslut togs i februari
2008, beräknas till ca
4,5 miljarder kronor.
Brytning startade 1888.

Skivrasbrytning

Huvudnivå 1045 m

• Allmänt om LKAB
• Bergmekanik
Innehåll
– Bergmekaniska utmaningar
– Gruvseismicitet
– Svaga bergarter

Bergmekaniska problemområden
Deformationsområde
Stabilitet i
bergschakt
Stabilitet nära
skivraset
Stabilitet i fältort
Stabilitet för
anläggningar på
huvudnivån

Brytningsmetodens påverkan på bergmassan
Huvudspänning, σ 1
Hängvägg
Liggvägg

Bergmekanik
• Kärnområden för bergmekanik inom
LKAB är:
– Säkerhet och tillgänglighet under jord.
– Gruvseismologi.
– Omgivningspåverkan.
– Geomodeller, som är grunden för den
bergmekaniska verksamheten.

Säkerhet och tillgänglighet under jord
Bakgrund:
‣Säker arbetsmiljö
‣Hög tillgänglighet
‣Brytning mot djupet
‣Storskalig brytningsmetod – kan
vara känsligare för störningar

• Allmänt om LKAB
• Bergmekanik
Innehåll
– Bergmekaniska utmaningar
– Gruvseismicitet
– Svaga bergarter

Vad är en seismisk händelse
• En seismisk händelse är en vågrörelse (stötvåg, vibration)
orsakad av uppsprickning eller rörelser i bergmassan.
• Kan vara sprickbildning i intakt berg eller skjuvrörelser i
befintliga spricksystem.
• Seismiska händelser är bergmassans respons på brytning av
malm / berg i gruvverksamhet. Alla uj-gruvor har seismisk
aktivitet.

Vågtyper
P-våg (kompressionsvåg)
S-våg (skjuvvåg)
Rayleigh-våg (ytvåg)

Seismisk magnitud

• I Kiruna är den hittills största händelsen ≈ 3
(Richter) enligt Uppsala.
• Den hittills största brytningsinducerade
registrerade händelsen ( Richter 5.3) inträffade i
Sydafrika Mars 2009.

Typer av smällberg enl Kaiser m fl (1996)
Smällberg
dimensionering
Volumetric stress fracturing eller strain burst
Utstötning av berg pga stötvåg ”Fault slip”
Bergutfall pga stötvåg ”Fault slip”

Magnitud=3
Bergutfall > 700 m 3
Bergutfall pga stötvåg ”Fault slip”
4 m
Ca 10 m
6 m

Bergutfall pga stötvåg ”Fault slip”
Magnitud=3
Bergutfall > 1000 m 3
Bergutfall
> 5 m

Bergmekaniskt arbete för att:
• minska risken för seismiska händelser
• samt minska risken för utfall orsakat av
seismiska händelser
• Brytningslayot
• Utbackningsstrategi
• Gruvseismicitet
– Bygga ut det seismiska
systemet
– Identifiera orsaker till de
seismiska händelserna
– Riskkartor
– Prognosmodeller
• Nytt förstärkningssystem
• Stänga av områden efter
större skjutningar
• Öppning av tidigare
stängt område

Sensor - Geofon
• Output ∝ partikelhastighet (v/m/s)
• Byggd för lägre frekvenser

Grundförutsättning för analys av seismiska händelser
• För att väl kunna registrera och lokalisera en
seismisk händelse bör den vara omringad av
geofoner.
• För att kunna övervaka en gruva så fordras det att
hela gruvan är omgiven av geofoner.
• En våg dämpas ut i bergmassan. Ju mindre
händelse man vill registrera, desto tätare nät utav
geofoner erfordras.
• Typisk noggrannhet för lokalisering av den
seismiska händelsen är ca 5% to 10% av
geofonavståndet

Exempel på analys av seismiska händelser
Klusterteknik
Magnitud samt antal händelser för
klustret

Dynamiskt belastad förstärkning
Bergbult c/c 1 m
100 stålfiber arm btg
Stålnät φ5.5 c/c 75
Ytförstärkning:
‣100 stålfiberarm. Btg (40 kg/m 3 ) Dramix
65/35 or similar
‣Stålnät φ5.5 c/c 75, avspänningsglödgad
Bergbult:
‣20 mm ingjuten bult L=3m eller
‣Swellex Mn24 eller motsvarande, L=3m
eller
‣15.2 mm kabelbult, L>7m. Används
t.ex. i korsningar.

Innehåll
• Allmänt om LKAB
• Bergmekaniska utmaningar
• Gruvseismicitet
• Svaga bergarter

Bergmekanisk problem i svagt berg
I Malmbergets gruva orsakar Biotitskiffern
många stabilitetsproblem pga av dess
låga hållfasthet

Utfall i tvärort

Utfall i längsgående ort

• Brytningslayout
Bergmekaniskt arbete för att:
• minska risken för utfall orsakat av svagt berg
(och hög bergspänningar)
• Utbackningsstrategi
• Förbättrad bergförstärkning
– Dimensionering av bergförstärkning
– Typförstärkning för bättre spårbarhet
– Kvalitetskontroll av förstärkningselement
• Omedelbar ”första” förstärkning efter bergutfall

Förstärkning i samverkan med berg
-analys
Bergets hållfasthet
Bergbult
Störd zon
Kontakten
sprutbetong - berg
Bergspänning σ 1
Ojämn yta
Sprutbetong
Bergspänning σ 2

Parameterstudie
Amplitude
2.5 m
Skjuv+normal hållfasthet
Ojämnhet
amplitud
(m)
EDZ
(m)
Kontakt hållf.
(MPa)
Berghållf.
(MPa)
Sprutbtg
tjocklek
(mm)
0.30 0 0.3 12 50
Basvärde 0.15 0.5 0.6 22 70
0.08 1 1.2 38 100
0 - - - 150

Brott i kontakt sprutbetong-berg
50%
Berg
Sprutbetong
Brott i sprutbetong
40%
30%
20%
10%
0%
0 m
Berg
Unevenness
(amplitude)
EDZ
(extent)
Interface
(strength)
Rock
(strength)
150 mm
Shotcrete
(thickness)
Interface failure (%)
0.30 m
0.15 m (B C)
0.08 m
0 m
0.5 m (B C)
1.0 m
High
B C
Low
High
B C
Low
50 mm
70 mm (B C)
100 mm
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Unevenness
(amplitude)
EDZ
(extent)
Interface
(strength)
Rock
(strength)
Shotcrete
(thickness)
Sprutbetong
Failure lining (%)
0 m
0.30 m
0.15 m (B C)
0.08 m
0 m
0.5 m (B C)
1.0 m
Low
B C
High
High
B C
Low
50 mm
70 mm (B C)
100 mm
150 mm

Dimensionering av förstärkning
Experience
General experience
Previous observations etc.
Rock
Structures
Rock mass quality
Principal stresses
Load cases
Mining-induced
Seismic load
Input data
for design
Regulations
Laws
In-house…
Level of safety
Life time
Properties of
ground support
Formalisera dimensioneringsprocessen
Design of ground support
-analytical
-numerical
-empirical
-combination
Installation of ground support
Observations
Unexpected
Observations
Expected
Observations

Samhällsomvandlingen i Kiruna
Schematisk figur som visar deformationsområdets utbredning

Tack för att du lyssnade!