analytical tools for managing rock fall hazards in australian coal mine roadways

150
ACARP PROJECT C14029 PUBLISHED February 2009 ANALYTICAL TOOLS FOR MANAGING ROCK FALL HAZARDS IN AUSTRALIAN COAL MINE ROADWAYS R Seedsman, N Gordon & N Aziz CIVIL, MINING AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING, UNIVERSITY OF WOLLONGONG, SEEDSMAN GEOTECHNICS PTY LTD & GORDON GEOTECHNIQUES PTY LTD

Upload: scott-downs

Post on 01-Dec-2015

51 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

Mining Geomechanics

TRANSCRIPT

Page 1: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

ACARP PROJECT C14029 PUBLISHED February 2009

ANALYTICAL TOOLS FOR MANAGING ROCK FALL HAZARDS IN AUSTRALIAN COAL MINE ROADWAYS

R Seedsman, N Gordon & N Aziz CIVIL, MINING AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING, UNIVERSITY OF WOLLONGONG, SEEDSMAN GEOTECHNICS PTY LTD & GORDON GEOTECHNIQUES PTY LTD

Page 2: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

DISCLAIMER No person, corporation or other organisation (“person”) should rely on the contents of this report and each should obtain independent advice from a qualified person with respect to the information contained in this report. Australian Coal Research Limited, its directors, servants and agents (collectively “ACR”) is not responsible for the consequences of any action taken by any person in reliance upon the information set out in this report, for the accuracy or veracity of any information contained in this report or for any error or omission in this report. ACR expressly disclaims any and all liability and responsibility to any person in respect of anything done or omitted to be done in respect of the information set out in this report, any inaccuracy in this report or the consequences of any action by any person in reliance, whether wholly or partly, upon the whole or any part of the contents of this report.

Page 3: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

 

ANALYTICAL  TOOLS  FOR  MANAGING ROCK  FALL HAZARDS  IN AUSTRALIAN COAL MINE ROADWAYS 

 ROSS SEEDSMAN1,2 

NICK GORDON3 

NAJ AZIZ1 

 

1 Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong 

2 Seedsman Geotechnics Pty Ltd 

3 Gordon Geotechniques Pty Ltd 

Page 4: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

 

UNIVERSITY OF WOLLONGONG DISCLAIMER  

The  information contained  in this report  is for general  information purposes only.   The University of Wollongong,  its officers, employees and agents make no  representations or warranties, express or implied as to the accuracy, reliability or completeness of the information contained within this report.  All  liability  for  loss  or  damage  of  any  kind  at  all, whether  indirect  or  consequential,  against  the University of Wollongong,  its officers, employees and agents arising from or through the use of the information  in this text  is excluded.   Your use of this text  is acknowledgement that the  information provided herein is to assist you with undertaking your own enquiries and analysis and that you should always seek independent professional advice before acting on the information contained therein. 

 SEEDSMAN GEOTECHNICS PTY LTD DISCLAIMER 

The  information  contained  in  this  report  is  for  general  information  purposes  only.    Seedsman Geotechnics,  its directors and servants make no representations or warranties express or  implied as to  the  accuracy,  reliability  or  completeness  of  the  information  contained  therein.  Seedsman Geotechnics Pty Ltd, its directors and its servants exclude all liability for loss or damage of any kind at all (including indirect or consequential loss or damage) arising from the information in this text or use of such information. You acknowledge that the information provided in this text is to assist you with undertaking  your  own  enquiries  and  analysis  and  that  you  should  seek  independent  professional advice before acting in reliance on the information contained therein. 

GORDON GEOTECHNIQUES PTY LTD DISCLAIMER 

The  information  contained  in  this  report  is  for  general  information  purposes  only.    Gordon Geotechniques,  its directors and servants make no representations or warranties express or  implied as  to  the  accuracy,  reliability  or  completeness  of  the  information  contained  therein.  Seedsman Geotechnics Pty Ltd, its directors and its servants exclude all liability for loss or damage of any kind at all (including indirect or consequential loss or damage) arising from the information in this text or use of such information. You acknowledge that the information provided in this text is to assist you with undertaking  your  own  enquiries  and  analysis  and  that  you  should  seek  independent  professional advice before acting in reliance on the information contained therein. 

Page 5: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

 

 

ABSTRACT  

This  report  provides  a  reference  source  for  the  design  of  ground  control measures  in  coal mine roadways  using  analytical methods.   Analytical methods  are  based  on  identifying  potential  failure modes  from  knowledge  of  the  geology,  followed  by  simple  analyses  based  on  hand  calculations, spreadsheets and design charts.    It  is  intended  that  this  report will complement other publications that provide empirical and more intensive numerical approaches.  

Coal mining  is  conducted  in  layered materials  – different  rock  types, different  strengths, different layer  thickness, different  joint  spacing.   Underground  coal mines openings  are  rectangular,  and  at least  in Australia,  the  roadway  axes  are parallel  to  the dominant discontinuity  sets – bedding  and joints.  The stress field on development has the principal axes parallel to the roadway axes, and there can be major changes in and around extraction panels. 

These geometrical factors require a different approach to the empirical rock mass rating approaches used  in metal mines.    Fortunately,  the  comparatively  simple  geometry  allows  analytical methods based  on  identifying  collapse modes  associated with  jointed  and  bedded material.    This  ability  to analyse  the  relatively  simple  geometries  allows  a more  anticipatory  approach  to  ground  control management including anticipation of geological conditions, prediction of collapse modes, the design of  support or  reinforcement  system, and  the monitoring of ground  conditions  for exceptions.   The approach provides more robust outcomes and limits the demands on the observational method.   

Collapse models  are provided  for  roof  and  rib.    The  roof models  recognise  that different  collapse modes can apply in different stress fields ‐ high, intermediate, and zero compressive stresses.  The rib models draw analogies to rock slope stability and also the impact of high vertical stresses 

Methods  for  determining  support  or  reinforcement  requirements  are  provided.    Suspension  of collapsed masses  is  identified as  the basis  for  roof support  in both very high and zero compressive stress regimes.  Reinforcement of bedding discontinuities is advocated for intermediate compressive stresses.    For  the  ribs,  restraint of  coal blocks defined by pre‐existing  joints or by mining  induced fractures is required. 

Page 6: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

IV 

EXECUTIVE SUMMARY 

The mining hazard that is addressed in this report is the gravity‐driven fall of a block of ground into a roadway.    The  block  of  ground may  be  defined  by  pre‐existing  discontinuities  and/or  by mining induced fractures.   

The purpose of  this  report  is  to provide  information  to assist  the geotechnical officer  in  identifying potentially unstable  roof and  rib, and  to document design methods  that may be considered  in  the specification of ground support.  The report is focused on the stability of the ground in the immediate vicinity of the roadway – that is the immediate roof and rib. 

The  report has been written  for  geotechnical  engineers,  geologists,  and mining  engineers  charged with specifying ground support. Persons occupying the positions of mine manager or technical services manager should  find  the  report  of  value.  The  report  addresses  some  of  the  steps  (site  characterisation, model formulation,  design,  implementation, monitoring,  and  review)  that  can  be  found  in  Clause  48  of NSW regulations for coal, or the rockfall risk management of the Minerals Council of Australia (Potvin and Nedin, 2003). 

It  is  stressed  that  a  full understanding of  coal mine  ground  control  is not  yet  available – hopefully  this report represents a step forward.  One use of this report can be to challenge the standard interpretations of how a rock mass behaves around openings so that there can be a gradual improvement in the ability to design  safe  and  productive mine  roadways.    The  concepts  introduced  can  be  applied  at  early  stages  – prefeasibility and feasibility using presumed values based on a review of the geological conditions.  As the project  progresses  to  operational  phase,  the  greater  the  importance  to  move  from  presumed  to demonstrated values for the various input parameters. 

The structure of report is as follows: 

• Section 1 serves as an introduction 

• Section 2 of  the  report discusses design  in  rock masses, highlighting  the uncertainties  that are intrinsic to design in rock masses which are very difficult to fully characterise. The key message is that any design  in rock mechanics will need to be  implemented with a commitment to monitor and respond as the geological conditions are revealed. 

• Section 3 defines rock falls and makes a distinction between the nature of the hazards  in metal mines and coal mines 

• Section  4  summarises  underground  coal  mining  practices  in  Australia  so  that  the  practical constraints on roadway geometries and excavation methods can be appreciated. 

• Section 5 provides a  reference guide  to  the engineering geology of coal measures and  includes discussions on discontinuities, rock strength and deformation properties, and the insitu stresses. 

• Section 6 examines the redistribution of stresses around a retreat longwall panel and particularly in the immediate vicinity of a roadway. The key point is that our knowledge of stress above chain pillars needs to be interrogated in more detail to understand the stresses that are present at the roof  line.  Simple numerical  analyses  for  stress  about openings  in  a homogeneous material  are presented 

• Section  7  presents  the  key  strength  properties  of  the  popular  support  and  reinforcement elements in use in Australia and presents models for their reinforcing action. 

• Section 8 provides a  flow chart  for  the specification of roof support and a number of analytical tools that can be used to determine bolting densities and bolt lengths. 

Page 7: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

• Section 9 provides a flow chart for rib support design. 

Geotechnical engineering  requires consideration of  the  inevitable uncertainties of  the properties of rock masses.    It  is not possible to know all of the properties of a rock mass: conversely  it  is evident from the range of successful rock engineering ventures that this is also not necessary.  It follows that there  is a need to  identify the key parameters  in the rock mass and the ways of dealing with them.  Thus geotechnical engineering requires both geological and engineering input. 

In an analytical engineering approach, a key step is identifying mode of collapse.  For this geotechnical models  of  behaviour  are  created.    Characteristics  of  such models  are  that  they  capture  the  key features (efficient), they are amenable to mathematics (practical), and they anticipate conditions to be encountered (predictive).  An important aspect of the approach is to identify failure and collapse modes  based  on  observation  and  only  then  to  seek  to  analyse  the  mechanics  involved.    The identification of failure and collapse modes allows the application of limit equilibrium techniques and the use of factors of safety to assess the level of stability.  

The starting model  is  jointed  layered roof with  layers parallel to the roadway.   This  is much simpler than the metaliferous mining problem which  involves arched roofs and rock wedges.   Depending on the stress condition, this system may fail under tension, compression, or self weight.  During roadway development, the  immediate stone roof  is exposed to high  levels of deviatoric stress, which quickly dissipates as the roof deflects.  For coal roof, the immediate roof stresses are tensile.  At the maingate corner, the deflected “softened” roof means that the increased stresses around the longwall goaf are deflected higher  into  the  roof.   At  the  tailgate,  the vertical stresses become dominant and  there  is relief of horizontal stresses towards the goaf. 

A logical framework to assess stability and specify support is provided by way of flow charts for each of the roof and the ribs.  The flow charts need to be applied at each stage of mining.  Commentaries on pragmatic aspects of the support design are offered for guidance.  

 

Page 8: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

VI 

TABLE OF CONTENTS  

ABSTRACT ........................................................................................................................................................... iii EXECUTIVE SUMMARY ....................................................................................................................................... iv TABLE OF CONTENTS ......................................................................................................................................... vi 1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................... 1

1.1 The challenge ................................................................................................. 2 1.2 Target readers ............................................................................................... 2 1.3 Structure of the report .................................................................................. 3 1.4 Limitatons AND OPPORTUNITIES FOR IMPROVEMENTS ............................... 3

2 DESIGN IN ROCK MECHANICS ..................................................................................................................... 5 2.1 Design Process ............................................................................................... 6 2.2 Rock as an engineering material .................................................................... 9 2.3 Analysis tools ................................................................................................. 9

2.3.1 Precedent and practice ........................................................................... 10 2.3.2 Empirical .................................................................................................. 10 2.3.3 Analytical ................................................................................................. 11 2.3.4 Numerical ................................................................................................ 13

2.4 Uncertainty, risk, and the observational method ........................................ 14 2.4.1 Observational Method ............................................................................ 15 2.4.2 Other risk tools ........................................................................................ 16

3 ROCK FALLS ................................................................................................................................................17 3.1 Difference between coal and metal mines .................................................. 17 3.2 Roof collapse ............................................................................................... 18 3.3 Rib collapse .................................................................................................. 22 3.4 Approaches to prevent rock falls ................................................................. 23

4 UNDERGROUND COAL MINING IN AUSTRALIA .......................................................................................25 4.1 Coal seams ................................................................................................... 25 4.2 Mining methods ........................................................................................... 25

4.2.1 Development ........................................................................................... 25 4.2.1.1 Methods .......................................................................................... 25 4.2.1.2 Support Rule Database ................................................................... 27

4.2.2 Extraction ................................................................................................ 28 4.2.2.1 Longwalls ........................................................................................ 28 4.2.2.2 Secondary support .......................................................................... 28

5 ENGINEERING GEOLOGY ...........................................................................................................................31 5.1 Discontinuities ............................................................................................. 31

5.1.1 Description of discontinuities .................................................................. 32 5.1.2 Bedding partings ..................................................................................... 34 5.1.3 Joints in stone .......................................................................................... 35 5.1.4 Joints in coal ‐ cleats ................................................................................ 37 5.1.5 Faults ....................................................................................................... 40

Page 9: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

VII 

5.2 Lithologies .................................................................................................... 41 5.3 Strength ....................................................................................................... 44

5.3.1 Uniaxial compressive strength ................................................................ 44 5.3.1.1 Stone ............................................................................................... 44 5.3.1.2 Coal ................................................................................................. 46

5.3.2 Tensile strength ....................................................................................... 47 5.3.3 Triaxial parameters .................................................................................. 48 5.3.4 Brittle strength ........................................................................................ 49 5.3.5 Shear strength of discontinuities ............................................................ 50 5.3.6 Mass strength .......................................................................................... 51

5.3.6.1 Stone ............................................................................................... 51 5.3.6.2 Coal ................................................................................................. 52

5.4 Deformation properties ............................................................................... 52 5.4.1 Modulus .................................................................................................. 52 5.4.2 Poisson’s ratio ......................................................................................... 54

5.5 In‐situ Stresses ............................................................................................. 54 5.5.1 Stress in stone ......................................................................................... 54 5.5.2 Stress in coal ............................................................................................ 55 5.5.3 Faulted ground ........................................................................................ 57 5.5.4 Topography ............................................................................................. 58

5.6 Local terminology ........................................................................................ 59 6 MINING INDUCED STRESS CHANGES .......................................................................................................60

6.1 Redistibution about a longwall .................................................................... 60 6.1.1 Maingate corner ...................................................................................... 60 6.1.2 Bleeder/Tailgate ...................................................................................... 62 6.1.3 Tailgate corner ........................................................................................ 62

6.2 Redistribution about a roadway .................................................................. 63 6.2.1 Basic concepts ......................................................................................... 63 6.2.2 Elastic stress redistribution around a rectangular roadway .................... 65 6.2.3 Three‐Dimensional stress changes .......................................................... 70 6.2.4 Non linear stress redistributions ............................................................. 73 6.2.5 Stresses induced within a blocky roof ..................................................... 75

6.2.5.1 Voussoir beams ............................................................................... 75 6.2.5.2 Cantilevers ...................................................................................... 76

6.3 OTHER STRESS REDISTRIBUTIONS ............................................................... 77 6.3.1 Tailgate pillars ......................................................................................... 77 6.3.2 Very high stresses under or above pillars. .............................................. 77

6.4 Compiled models for stress paths in the immediate roof ........................... 78 6.4.1 Stone roof – single seam ......................................................................... 78 6.4.2 Coal roof – single seam ........................................................................... 80 6.4.3 Stress paths in the ribs ............................................................................ 81

7 SUPPORT AND REINFORCEMENT TECHNOLOGIES ..................................................................................82 7.1 Reinforcement action .................................................................................. 82

Page 10: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

VIII 

7.1.1 Dowel effect ............................................................................................ 83 7.1.2 Friction effect .......................................................................................... 83

7.2 Tendons ....................................................................................................... 85 7.3 Anchorages .................................................................................................. 86 7.4 Straps and panels – skin restraint ................................................................ 87

8 PREVENTION OF ROOF COLLAPSE ............................................................................................................89 8.1 Non‐vertical joints ....................................................................................... 91

8.1.1 Collapse model ........................................................................................ 92 8.1.2 Support design ........................................................................................ 93 8.1.3 Commentary on design to prevent collapse with non‐vertical joints ..... 93

8.2 Compressive failure ..................................................................................... 93 8.2.1 Collapse model ........................................................................................ 94 8.2.2 Support design ........................................................................................ 98 8.2.3 Commentary on design to prevent compressive collapse .................... 101

8.3 Tensile failure ............................................................................................ 103 8.3.1 Collapse mode ....................................................................................... 104 8.3.2 Support .................................................................................................. 105 8.3.3 Commentary on design to prevent tensile collapse .............................. 105

8.4 Delamination failure .................................................................................. 106 8.4.1 Collapse model ...................................................................................... 107 8.4.2 Reinforcement design ........................................................................... 108

8.4.2.1 Driving forces ................................................................................ 109 8.4.2.2 Resisting forces ................................................................................. 1

8.4.3 Densities and patterns .......................................................................... 111 8.4.4 Commentary on design to prevent delamination ................................. 113

9 PREVENTATION OF RIB COLLAPSE ......................................................................................................... 115 9.1 Structure control ....................................................................................... 116

9.1.1 Slides ..................................................................................................... 117 9.1.2 Wedges .................................................................................................. 118 9.1.3 Topples .................................................................................................. 118

9.2 Stress induced rib collapse ........................................................................ 119 9.2.1 Mining induced fractures ...................................................................... 119 9.2.2 Buckling ................................................................................................. 120

9.3 Commentary on rib support design ........................................................... 121 10 REFERENCES ........................................................................................................................................... 123

 

List of Tables 

Table 1 Classification of prediction (after Lambe, 1973) .......................................................................... 5 Table 2 Prediction classes (after Morganstern, 2000) .............................................................................. 5 Table 3 Commentary on recent implementation of SU constitutive models in FLAC ............................ 14 Table 4 Observations and data requirements for roof collapse modes ................................................. 21

Page 11: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

IX 

Table 5 Australian Longwall statistics (after Cram, 2008) ...................................................................... 28 Table 6 Classification of discontinuity spacing ....................................................................................... 32 Table 7 Classification of discontinuity persistence ................................................................................. 32 Table 8 Roughness of bedding partings .................................................................................................. 35 Table 9 Joint roughness coefficient (JRC) of coal joints .......................................................................... 40 Table 10 Visual and tactile tests (ISRM,1978) ........................................................................................ 46 Table 11 Range of coal unconfined compressive strengths (ACIRL, 1986) ............................................. 47 Table 12 Presumed friction angles and m values ................................................................................... 49 Table 13 Hoek‐Brown parameters for various coals .............................................................................. 52 Table 14 Guidelines for the selection of modulus ratio (after Hoek and Diederichs, 2006) .................. 52 Table 15 Compilation of stress measurements taken from under excavations ..................................... 56 Table 16 Local geological terminology ................................................................................................... 59 Table 17 Roof and side stresses for circles and ellipses ......................................................................... 64 Table 18 Summary of stresses for rectangular roadway (σ1 = 10 MPa) ................................................. 65 Table 19 Summary of Australian bolt types ........................................................................................... 85 Table 20 Summary of tensile strength of USA bolt types ....................................................................... 85 Table 21 Long tendons ........................................................................................................................... 85 Table 22 Data base for brittle failure analyses ....................................................................................... 94 Table 23 Bolt locations to resist BPXS .................................................................................................. 112

 

List of Figures 

Figure 1 Steps in geotechnical design process covered in this report ...................................................... 8 Figure 2 Accuracy of a prediction is a function of the amount of data available and the method used 

(after Lambe, 1973). ....................................................................................................................... 10 Figure 3 Logical framework for mine excavation design in massive rock (Brady and Brown, 1985)...... 12 Figure 4 Geometry of a coal mine roadway and its coaxial relationship with discontinuities and 

stresses. .......................................................................................................................................... 18 Figure 5 Typical geometry and discontinuity field for a metal mine roadway (Brady and Brown, 1985)

 ........................................................................................................................................................ 18 Figure 6 General collapse modes for a bedded roof with sub‐vertical joints ......................................... 19 Figure 7 Dipping joints can allow block movement with or without horizontal roof stresses ............... 20 Figure 8 Collapse following delamination .............................................................................................. 20 Figure 9 Collapse related to release along vertical joints ....................................................................... 20 Figure 10 Thin slabs between bolts retained with mesh panels ............................................................ 21 Figure 11 Rib collapse analogies to rock slopes (topples, planar slides, wedges) .................................. 22 Figure 12 Buckling of a coal rib ............................................................................................................... 22 Figure 13 Back surface to a slab formed by a mining induced fracture in a coal rib .............................. 23 Figure 14 Flow chart for the analysis phases for the prevention of collapse of ground (Potvin and 

Nedin, 2003) ................................................................................................................................... 24 Figure 15 Typical bolter miner (Source – Joy) ........................................................................................ 26 Figure 16 Typical place change miner and mobile bolter (Source – Joy) ............................................... 26 Figure 17 Summary of Installed Capacity of Primary Support for Gateroads......................................... 27

Page 12: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

Figure 18 Summary of Installed Capacity of Primary Support for Intersections .................................... 27 Figure 19 Summary of combined minimum maingate primary and secondary support ........................ 29 Figure 20 Summary of combined maximum maingate primary and secondary support ....................... 29 Figure 21 Summary of minimum maingate secondary support ............................................................. 30 Figure 22 Summary of maximum maingate secondary support ............................................................ 30 Figure 23 Difference between true cohesion of an intact sample and apparent cohesion of a rough 

discontinuity ................................................................................................................................... 32 Figure 24 Joint Roughness Profiles and Corresponding JRC Values (Barton and Choubey, 1977) ......... 33 Figure 25 Alternative method for estimating JRC from measurements of surface roughness amplitude 

from a straight edge (Barton  and Choubey, 1977) ........................................................................ 34 Figure 26 Example of joint patterns in sedimentary strata. ................................................................... 35 Figure 27 Joints in undeformed sediments (Fookes et al, 2000) ............................................................ 36 Figure 28 Relationship between joint spacing and bedding thickness (Ji et al, 1998) ........................... 37 Figure 29 Association between joints and faults/folds (Fookes et al 2000) ........................................... 38 Figure 30 Jointed and cleated coal – note very low persistence of cleat (Medhurst and Brown, 1998) 39 Figure 31 An example of rotation of coal joints about thrust faults ...................................................... 39 Figure 32 Cleat and joint orientations in Bowen Basin (Pattison, 1995) ................................................ 40 Figure 33 Distribution of lithologies in fluviatile system (Fookes et al, 2000) ........................................ 42 Figure 34 Distribution of lithologies in a deltaic system (Fookes et al, 2000) ........................................ 43 Figure 35 Plot showing the range in strength and deformation modulus for different lithologies 

(Shepherd and Gale, 1982) ............................................................................................................. 44 Figure 36 A variety of UCS sonic relationships for stone ........................................................................ 45 Figure 37 UCS sonic relationships for stone at lower strength .............................................................. 45 Figure 38 UCS sonic velocity relationship for coal .................................................................................. 47 Figure 39 Strength envelopes (dash – Mohr Coulomb, solid – Hoek and Brown) .................................. 48 Figure 40  Brittle rock parameters .......................................................................................................... 49 Figure 41 Strength envelope for a discontinuity .................................................................................... 50 Figure 42 Geological strength index for molasses .................................................................................. 51 Figure 43 Modulus reduction for case of damage index = 0 .................................................................. 53 Figure 44 Simple model for the impact of discontinuity spacing on the deformation modulus and 

Poisson’s ratio ................................................................................................................................ 53 Figure 45 Summary of stress measurement data from New South Wales and Queensland coalfields 

(Nemcik et al, 2006) ....................................................................................................................... 55 Figure 46 Measured minimum stress in coal as a function of depth (Enever et al, 2000) ..................... 56 Figure 47 Reduced lateral (horizontal) stress associated with the presence of surfaces with lower 

frictional resistance based on (a) passive earth pressures, (b) UDEC modeling (Nemcik et al 2006). ........................................................................................................................................................ 57

Figure 48 Effect of topography on stress distribution ............................................................................ 58 Figure 49 Horizontal stresses in hilltop or ridge mining ......................................................................... 59 Figure 50 Pillar design vertical stresses developed above chain pillars assuming a 200m wide panel. . 61 Figure 51  General pattern of vertical and horizontal stress redistribution (Gale 2008) ....................... 61 Figure 52 Concentration of horizontal stress magnitude at the maingate corner as a function of the 

angle between principal horizontal stress axis and the roadway direction (after Gale 2008) ....... 62 Figure 53 Stresses above a pillar in a tailgate (Shen et al 2006). ........................................................... 63 Figure 54 Effect of planes of weakness on distribution of roof stresses ................................................ 65

Page 13: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

XI 

Figure 55 Distributions of deviatoric stresses about a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa) .......................... 66 Figure 56 Distribution of horizontal stresses about a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa) ............................ 67 Figure 57 Distribution of vertical stresses about a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa) ................................ 68 Figure 58 Negative minimum principal stresses induced around a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa) ....... 69 Figure 59 Example of shear and normal stresses and bedding parallel excess shear stress assuming a 

35o friction angle and K = 2.0 .......................................................................................................... 70 Figure 60 Contours of BPXS as a function of height into distance across the roof (expressed as 

MPa/MPa) ...................................................................................................................................... 70 Figure 61 Development of deviatoric stresses at 0.2m above the roof line as the heading is advanced 

(K=2) ............................................................................................................................................... 71 Figure 62 Distribution of negative mean stress in the immediate roof of a roadway for K=0.15 .......... 71 Figure 63 Three dimensional view of the distribution of BPXS (ignore negative sign) ........................... 72 Figure 64 Vertical slice through Figure 63 showing how BPXS develops (ignore negative sign) ............ 72 Figure 65 BPXS on a surface 0.2m above the roof line ........................................................................... 73 Figure 66 Stress measurements at Emerald Mine .................................................................................. 74 Figure 67 Simulation of stress redistribution above a roadway using an elastic model ........................ 74 Figure 68 Concept of a stress relieving roadway .................................................................................... 75 Figure 69  Voussoir beam deformations induce compressive stresses at the roof corners and tensile 

stresses at the roadway centreline ................................................................................................ 76 Figure 70 Example of a shear surface generated by cantilevering action .............................................. 76 Figure 71 Relaxation of a roof line as a result of vertical deformation in one of the sides .................... 77 Figure 72 Stresses under a rigid footing ................................................................................................. 78 Figure 73 Evolution of deviatoric and negative minor stresses during longwall retreat ........................ 79 Figure 74 Redistributed insitu and induced body stresses about a roadway with K >0.8 once the roof 

and floor deflects............................................................................................................................ 80 Figure 75 Redistributed insitu and induced body stresses about a roadway with K <<0.8 once the roof 

and floor deflects ............................................................................................................................ 81 Figure 76 Tendons in shear .................................................................................................................... 83 Figure 77 Dowel resistance for 21mm diameter tendons as a function of UCS ..................................... 83 Figure 78 Importance of bolt angle in maintaining closed bedding ....................................................... 84 Figure 79 Frictional shear resistance provided by bolts ......................................................................... 84 Figure 80 Recommended minimum anchorage lengths in coal measure rocks with resin anchorages . 86 Figure 81 Loading of a strap or panel if loaded as a catenary ................................................................ 88 Figure 82 Results of loading 1.5m and 2.0m square mesh panels (Thompson, 2004) ........................... 88 Figure 83 Logical framework applied to coal mine roof support ........................................................... 90 Figure 84 The hazard of parallel non vertical joints. .............................................................................. 91 Figure 85 Non‐parallel joints defining triangular prisms ........................................................................ 92 Figure 86 Relationship between joint dip, joint friction and horizontal roof stress for a stable 

symmetric prism ............................................................................................................................. 92 Figure 87 Two analysis of brittle strength factor using Examine2D showing zones of brittle failure and 

possible bolting and cable patterns................................................................................................ 94 Figure 88 Relationship between height of strength factor and the K value for a 5.2m by 2.8m roadway 

and a major principal stress of 10 MPa .......................................................................................... 96 Figure 89  Height of failure as a function of roof strength index for various K values ........................... 97 Figure 90 Comparison between the results of multiple linear regression and the numerical data ....... 97

Page 14: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

XII 

Figure 91 Slight changes in failure zones near the excavation with no difference beyond 2m ............. 97 Figure 92 Different isotropy and failure conditions ............................................................................. 102 Figure 93 Negative horizontal stress (K=0.2) for a 5m by 3m roadway ................................................ 103 Figure 94 Height of negative horizontal stress (5.5m by 3.3m roadway) ............................................. 104 Figure 95 Collapse mode for tensile stress regime ............................................................................... 104 Figure 96 Roadways oblique to joint sets will produce better conditions in both headings and 

cutthroughs .................................................................................................................................. 105 Figure 97 Loading on mesh panels ....................................................................................................... 105 Figure 98 Generation of compressive stresses and failure in a regime of no imposed horizontal stress

 ...................................................................................................................................................... 106 Figure 99 Slip and separation in a layered roof rock (Brady and Brown, 1985) ................................... 107 Figure 100 Critical thickness and deflection of voussoir beams as a function of span and rock strength 

(E/UCS=250) ................................................................................................................................. 107 Figure 101 Critical thickness and deflection of a 5.5 m span voussoir beam (1m surcharge) .............. 108 Figure 102 Stability of a voussoir beam increases with increasing thickness (1m equivalent surcharge)

 ...................................................................................................................................................... 108 Figure 103 Examine 3D geometry ........................................................................................................ 109 Figure 104 BPXS at 2.31 m from the face ............................................................................................. 110 Figure 105 Cumulative increase in BPXS with distance from the rib line ............................................. 110 Figure 106 Average BPXS across the roof line for different heights into the roof and different locations 

of bolts (area under curves in Figure 107 expressed as uniformly distributed load .................... 111 Figure 107 BPXS as a function of the location and height .................................................................... 111 Figure 108 XS factor for 0.2m into the roof .............................................................................................. 1 Figure 109 XS factor for 0.4m into the roof .............................................................................................. 1 Figure 110 G parameter to account for different friction angles ............................................................. 1 Figure 111 The bolt timing factor ............................................................................................................. 1 Figure 112 Fully grouted bolts are very stiff during initial shear loading (Stjern, 1995) ...................... 111 Figure 113 Comparison between ideal BPXS support capacity at 0.4m into the roof (Kn=2.0, Kp=1.5, 

G=1.3) and the Australian database ............................................................................................. 111 Figure 114 Optimum bolt patterns from physical models (Stimpson, 1987) ....................................... 112 Figure 115 Logical framework for support of ribs ................................................................................ 115 Figure 116 Failure modes for rock slopes that can be observed in coal ribs (Hoek and Bray, 1981). .. 116 Figure 117 All intersections are noses .................................................................................................. 117 Figure 118 Planar geometry and required face support for a 3m high rib ........................................... 117 Figure 119 Wedge geometry and required face support ..................................................................... 118 Figure 120 Anchor force to prevent toppling ....................................................................................... 118 Figure 121 Distribution of the cohesive loss component about roadways .......................................... 119 Figure 122 Value of spalling ratio along the spring‐line of the rib for different K ratios and roadway 

aspect ratios ................................................................................................................................. 120 Figure 123 Estimation of maximum depth of brittle failure ................................................................. 120 Figure 124 Thickness of slabs that may undergo buckling. .................................................................. 121  

Page 15: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

XIII 

GLOSSARY 

Analytical  output is dependent on a least one input variable applied to a law of physics 

Brittle  Complete loss of strength after failure.CHILE  Continuous, Homogeneous, Isotropic, Linear Elastic Cohesion  The intercept on the shear stress axis of a straight line fitted to a 

scatter plot of normal and shear stresses Continuum  A material with no gapsDeviatoric stress  The difference between  the magnitude of  the major and minor 

principal stresses DIANNE  Discontinuous, inhomogeneous, anisotropic, not elastic Discontinuity  A feature is a rock mass with zero or negligible tensile strengthEmpirical  Based or acting on observation and experiment, not on theory Friction angle  The slope of the straight line fitted to a scatter plot of normal and 

shear stresses  Homogeneous, inhomogeneous  Same materialIsotropic ‐ anisotropic Same properties in all directionsJoint  An approximately planar natural  fracture  in a  rock mass  that  is 

typically part of a parallel set  Linear elastic  An  elastic  body  returns  to  its  original  form  after  a  displacing 

stress is removed.  Modulus  The ratio between applied stress and resultant strain Numerical   Use of computers to solve complex stress redistributions Parting, bedding parting  A  natural  fracture  in  a  sedimentary  rock  that  is  parallel  to  the 

bedding texture Plane strain  Deformations out of the plane being considered are zero. Poisson’s Ratio  The ratio of the normal strain to the transverse strain of a body 

under uniaxial strain  Principal  stress,  major, intermediate, minor  

The magnitude and direction of  the  stresses  that are normal  to planes where  the  shear  stresses  are  zero.    The  stress  field  is  3 dimensional so there are 3 principal stresses 

Reinforcement  The addition of restraining forces to joints or partings Rib  Sides of an excavationRock fall  An unplanned fall of ground of any size that causes (or potentially 

causes) injury or damage Slickenside  Polished  or  striated  surfaces  that  result  from  friction  along 

movement surfaces. Support  The addition of tendons to suspend blocks from higher rock units 

that are stable Uniaxial compressive strength  The  strength  obtained  in  a  laboratory  test  where  the  rock  is 

loaded uniaxially Voussoir  A bock of rock in a masonary or rock arch

 

Page 16: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

XIV 

ABBREVIATIONS AND SYMBOLS 

a  A constant in the Hoek Brown failure criterionα  The  angle  between  the  roadway  direction  and  the  direction  of  the  major  principal 

horizontal stress Boltfriction  The additional shear resistance supplied by a tendon installed across a closed parting BPXS  Bedding parallel excess shearBy  Yield stress of steel  c  CohesionC  ConstantD  Damage constant  d  diameterDowel  The additional shear resistance supplied by a tendon installed across an open parting E  Modulus of Elasticity, Youngs modulusFbolt timing  A factor in the determination of the BPXS to account for different friction angles on the 

bedding partings Ffriciton  A factor in the determination of the BPXS to account for different friction angles on the 

bedding partings Fu  Tensile strength of steel sheetG  Independent shear modulus in a transverse anisotropic materialGSI  Geological Strength IndexH  Roadway height Hf  Height of brittle failure JCS  Joint Compressive StrengthJRC  Joint Roughness CoefficientKn  Joint stiffness kT  Parameter in toppling equationL, M  The ratio of the major and minor principal stresses to the vertical stress L,l  Length Lf  Horizontal stress concentration around the maingate cornerm  A constant in the Hoek Brown failure criterionMv  Vertical stress concentration at various stages of miningPLSI  Point Load Strength IndexPR  Poisson’s Ratio Pv  Vertical load on mesh  q  Sag of mesh q  constant with values of 1 for both ends pin‐jointed, and 0.5 for both ends clamped. RSI  Roof Strength index s  A constant in the Hoek Brown failure criterionT  Anchorage length t  Strap thickness Tf  Anchorage length U  Tensile load in bolt UCS, σ1  Uniaxial Compressive Strengthvel  Sonic velocity W  Roadway width XS  A variable used to determine the BPXS from the vertical stress assuming a friction angle 

of 35o and bolting 2.31m from the face γ  Densityσ1, σ2, σ3  Major, intermediate, and minor principal stressesσn  Normal stress τ  Shear stress φ  Friction angle 

 

Page 17: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

 

1 INTRODUCTION 

 

Rock  fall  –  An  unplanned  fall  of  ground  of  any  size  that  causes  (or  potentially  causes)  injury  or damage1.   

 

Rock falls have been and continue to be unacceptable events  in underground coal mines.   Over the last 30 years  there have been major  improvements  in  the way  in which Australian coal mines have managed  the  rock  fall  hazard  through  the  application  of  safe  methods  of  work,  technological improvements, alternative mining systems, and risk management concepts. 

All  Australian  underground  coal mines  now  have  strata  hazard management  plans.    These  plans nominate  a  person  to manage  the mine’s  ground  control  regime  –  depending  on  the  size  of  the operation  they may have  tertiary  level qualifications or  they may hold  the position based on  their industry experience.  In this report, this person will be referred to as the geotechnical officer. 

The geotechnical officer usually has mining/civil engineering or geology qualifications, and  in many cases a post‐graduate qualification with a component of rock mechanics.  Historically, the subject of mining rock mechanics has mostly focused on metal mining and tunneling.  Underground coal mining has a number of significant differences from metal mining in terms of the nature of the rock mass, the mining machines and the shape of the openings.  This report has been written to specifically address this void in the technical literature.   

The purpose of  this  report  is  to provide  information  to assist  the geotechnical officer  in  identifying potentially unstable  roof and  rib, and  to document design methods  that may be considered  in  the specification of ground support.  The report is focused on the stability of the ground in the immediate vicinity of the roadway – that is the immediate roof and rib.  Specifically it should assist in answering the following questions which the geotechnical officer routinely faces: 

• What failure modes are possible for the operation?  

• How can the operation anticipate them? 

• How can the potential failure modes be identified at the face? 

• How do I specify the support pattern in the ground control plan? 

• How do I modify support, if necessary? 

The  report  is  un‐apologetically  about  the  use  of  analytical methods: methods  by  which  collapse modes are identified/inferred at the start of the process, driving forces then estimated, and support components  specified  in  response.   Others  have  developed  empirical methods  for  coal mine  roof 

                                                                 

1  So far in Australian coal mines all the rock falls are gravity driven. This report does not address gas outbursts.  

Page 18: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

support  for  Australian  underground  coal mines  and  these  form  an  invaluable  complement  to  the analytical tools presented in this report.   

Some  parts  of  the  report  may  be  considered  to  be  controversial  and  there  are  some concepts/approaches presented that are yet to be fully validated.  It is emphasized that the concepts are  consistent with  the available data  and  that  there  is no  reason why  they  should not be widely applied.  It is through this application that validation will be obtained and the appropriate “factors of safety” obtained.    In  the meantime, appropriate  roof and  rib stability will be obtained  through  the application of standard engineering design practice – the use of a combination of independent design tools. 

 

1.1 THE  CHALLENGE  

 

Coal mining needs safe and fast roadway development.  Rock falls present an obvious hazard to the workforce and, when  large,  to business continuity.   The objective must be no  rock  falls, both  from workplace safety and business perspective. 

Currently, the safety hazards in coal mine roadways are primarily associated with the fall of scat from between  the bolts2.   Based on a survey of conditions  in mines  in  the USA, Molinda  (2003) suggests that the hazards are related to the presence of weak roof and unexpected discontinuities in the roof.  There  is  an  obligation  to  reduce  the  “unexpected”  and  to  have  support  regimes  that  intrinsically address the support of the unexpected.   

The installation of roof and rib support is currently manually intensive, so it follows that the necessary level of safety may not be simply achieved by installing more bolts.  There is a severe business impact of over‐supporting  the  roof – beyond  the  level needed  to provide  safety  to  the work  force.   New mines may not be opened, or existing ones closed, if the support is needlessly intense. 

 

1.2 TARGET  READERS 

 

The  report has been written  for  geotechnical  engineers,  geologists,  and mining  engineers  charged with  specifying  ground  support.    Persons  occupying  the  positions  of mine manager  or  technical services manager  should  find  the  report  of  value.    The  report  addresses  some  of  the  steps  (site characterisation, model  formulation, design,  implementation, monitoring,  and  review)  that  can  be found  in  Clause  48  of NSW  regulations  for  coal,  or  the  rockfall  risk management  of  the Minerals Council of Australia (Potvin and Nedin, 2003). 

It is emphasised that a full understanding of coal mine ground control is not yet available – hopefully this  report  represents  a  step  forward.   One  use  of  this  report  can  be  to  challenge  the  standard 

                                                                 

2 This report does not address the design of pillars and the sequencing of coal extraction. 

Page 19: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

interpretations  of  how  a  rock  mass  behaves  around  openings  so  that  there  can  be  a  gradual improvement in the ability to design safe and productive mine roadways.   

The concepts introduced can be applied at early stages – prefeasibility and feasibility using presumed values based on a review of the geological conditions.  As the project progresses to operational phase, the greater  the  importance  to move  from presumed  to demonstrated values  for  the various  input parameters. 

 

1.3 STRUCTURE OF  THE  REPORT 

 

Section 2 of the report discusses design in rock masses, highlighting the uncertainties that are intrinsic to design  in rock masses which are very difficult  to  fully characterise.   The key message  is  that any design in rock mechanics will need to be implemented with a commitment to monitor and respond as the geological conditions are revealed. 

Section 3 defines rock falls and makes a distinction between the nature of the hazards in metal mines and coal mines  

Section 4 summarises underground coal mining practices in Australia so that the practical constraints on roadway geometries and excavation methods can be appreciated. 

Section  5  provides  a  reference  guide  to  the  engineering  geology  of  coal measures  and  includes discussions on discontinuities, rock strength and deformation properties, and the insitu stresses.   

Section 6 examines the redistribution of stresses around a retreat  longwall panel and particularly  in the immediate vicinity of a roadway.  The key point is that our knowledge of stress above chain pillars needs to be interrogated in more detail to understand the stresses that are present at the roof line. Simple numerical analyses for stress about openings in a homogeneous material are presented 

Section 7 presents the key strength properties of the popular support and reinforcement elements in use in Australia and presents models for their reinforcing action. 

Section 8 provides a flow chart for the specification of roof support and a number of analytical tools that can be used to determine bolting densities and bolt lengths.  

Section 9 provides a flow chart for rib support design. 

 

1.4 LIMITATONS  AND  OPPORTUNITIES  FOR  IMPROVEMENTS 

 

This report represents an initial effort to formalize an analytical approach to the design of roof and rib support: an approach that has tended to be ignored In comparison to sophisticated numerical design.   

The report presents a number of simplified analyses of very complex mechanisms.  In particular, the documented  stress analyses are  for homogenous materials  to  take advantage of  the availability of some  software and  to demonstrate  some basic concepts.   More  sophisticated numerical codes are 

Page 20: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

available  for  layered materials, and these could be  incorporated within the proposed  framework to improve the predictions. 

 

Page 21: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

 

2 DESIGN  IN  ROCK  MECHANICS 

 

Tunnel  design  is  different  from  many  other  engineering  design  processes.    However,  it  can  be performed on a scientific basis using an  intimate blend of engineering geology, precedent, structural analysis and the observational method during construction (Pells, 2002).  

 

The objective of any engineering design is that the constructed entity fulfils its intended function and in a way that  is safely, economically, and environmentally acceptable.   Engineering design needs to address both  the  stability and  the deformations of  the  structure and  the adjacent area, and at an acceptable cost.   

Because we are constructing something now  that will perform  in  the  future, all engineering design requires a component of prediction.  This is particularly the case in geotechnical engineering because the properties of the geological materials must be inferred from a comparatively small data set.   

Good  predictions  and  the  associated  support  designs  are  necessary  but  not  necessarily  sufficient.  Performance  assurance  (both  safety  and business outcomes)  comes  from  risk management of  the design.    Having  said  that,  this  report  is  only  focused  on  the  design/prediction  component  of  the process. 

Predictions, which are forecasts of events in the future, are the essence of geotechnical engineering.  Lambe  (1973)  provides  a  classification  of  predictions  in  geotechnical  engineering  (Table  1).  Morganstern  (2000) provides a  framework  for assessing  the quality of predictions  (Table 2) – note that achieving an outcome within 15% of a prediction is considered to be good – this is a reflection of the uncertainties that are inherent in geotechnical practice.   

Table 1 Classification of prediction (after Lambe, 1973) 

Prediction type  When prediction made  Results at time of prediction 

A  Before event   

B  During event  Not known 

B1  During event  Known 

C  After event  Not known 

C1  After event  Known 

Table 2 Prediction classes (after Morganstern, 2000) 

Category  Accuracy 

Excellent  95‐105% (within 5%) 

Good  85‐95% or 105‐115% (within +/‐15%) 

Fair  75‐85% or 115‐125% (within 25%) 

Poor  50‐75% or 125‐150% (within +/‐50%) 

Bad  <50% or >150% 

Page 22: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

Ideally, all predictions should be Class A and excellent;  this  is usually unattainable  in practice.   The goal should be to achieve Class A as much as possible as they do represent he lowest cost and highest level of  intrinsic  safety.   However,  in practice we must be  satisfied with Class B predictions –  and within  the  excellent  category  from  the  safety  perspective  and  within  the  good  category  from  a business perspective.   Class C  are of no  value  and  are best  considered  as  calibrations.    In  the  soil mechanics branch of geotechnical engineering, design competitions on Class A predictions reinforce the inability to accurately predict.  No similar data exists in underground rock mechanics.  

The  recognition of  the  inability  to consistently produce good or excellent Class A predictions  is  the basis  of  the  design  process  used  in  geotechnical  engineering.    The  design  process  implicitly incorporates many of the more recent concepts of “risk management”.   

 

2.1 DESIGN  PROCESS 

 

Do the best prediction as possible, accept that ability to get 100% right  is  limited, and manage risks through observational method. 

 

In civil construction, the design process includes the following steps: 

1. Design brief 

2. Concept design 

3. Detailed design 

4. Final design, 

5. Design and drawings for construction 

6. Specification, Work method statements, Job Safety Analyses, Inspection and Test plans,  

Often there is an Independent Verifier to review the detailed and final designs.   

Mining differs from civil engineering only in that the economic value is in what is removed, not what is  left behind.  Until recently, the mine owner was the operator so there were no contractual  issues surrounding the construction.  

In mining, the concept and detailed design are done  in the pre‐feasibility and feasibility stages.   The geotechnical design should evolve along with the JORC stages (Haile, 2004).  The approach introduced in  this  report  can be  applied  at  early  stages  –  prefeasibility  and  feasibility  using  presumed  values based on a review of the geological conditions.   As the project progresses to operational phase, the greater the importance to move from presumed values to demonstrated. 

For steps 4 to 6, the flow chart of Bieniawski (1993) provides the steps that should be followed (Figure 1).  These are very similar to the requirement of Clause 49 of the 1999 regulations.   

Page 23: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

Limits  on  solution  ‐  There  is  always  a  possibility  that  there may  be  practical  limits  to  the  design solution that relate to the mine layout and the machinery that are to be used.  It is to be hoped that the feasibility study was valid and that the constraints are not severe.  

Collect  data  –  This  stage  refers  to  collecting  and  documenting  the  geological  information.    It  is important  to  document  any  assumptions  and  simplifications  made  in  the  engineering  geological model.  If rock mass classification systems are quoted, the input parameters should be stated. 

Identify collapse modes – Domains should be defined based on depth, variations  in  the  immediate roof lithologies, and the presence of faults.  In longwall mines, there may be changes in the collapse modes related to changes  in the stress field developed during the extraction phases.   It  is necessary define these collapse modes as they form the basis of the analyses and hazard recognition later in the process.   

Analysis – In the context of this report, this step relates to analyses in excess of empirical rock mass classification  systems.   Where  possible,  a  number  of  alternatives  should  be  analysed.    Adequate details of calculations should be provided to allow it to be duplicated.  All input data should be listed, together with relevant output.   

Evaluation –  Identification of the preferred solution, possibly  involving an assessment of the risks of implementing  the  candidate design.   A  comparison with precedent/practice  and empirical  systems should be presented.   There should be documentation of the  limits of acceptable deformations and design of monitoring programs. 

Implement  –  This  includes  the  drawing  of  support  rules,  preparation  of  TARPS,  training  in  hazard identification, and a workplace risk assessment.   

Monitor hazards – Proactively check geology assumptions, collapse modes, and confirm acceptable deformations.  Reports on falls of ground should be in standardised documented format.   

All of this should be in the form of a written report.  A complete record of the context of the design exercise,  the data used, and  the procedures  followed makes  review and extension of  the design  to similar work  in  the  future much  easier.    The  report  should  be written  as  part  of  the  activity  and referred to in the support rules and TARPS (Triggered Action Response Plans).   

 

 

Page 24: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

 

STAGE  ACTIONS  NSW REGULATIONS 1 DEFINITION  Who commissioned report 

Context (prefeasibility, feasibility, operations)  

2 CONSTRAINTS  Roadway geometry, machines, consumables  1f,  3 GEOLOGY  Seam  geometry,  roof  and  floor  conditions 

(strength, bedding, joints), faults, stresses  1a, 1i 

4 GEOTECHNICAL MODELS  Collapse  modes,  selection  of  design  values, domains of different rock classes 

1c 

5 ANALYSIS  Support  of  detached  blocks,  reinforcement  of discontinuities 

1c 

6,7,8    SYNTHESIS,  EVALUATION, OPTIMIASATION  

Identification  of  preferred  solution,  comparison with  precedent/practice  and  empirical  tools, Documentation  of  acceptable  deformations  and design of monitoring  

1c 

9 IMPLEMENTATION  Support rule, TARPS, training in hazard awareness, workplace risk assessment.   

1b,  1d,  1e,1h,  1k,  1l, 2a‐e, 

10. MONITORING  Check  geology  assumptions,  confirm  acceptable deformations, report falls of ground. 

1g, 1j 

 Figure 1 Steps in geotechnical design process covered in this report 

Page 25: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

2.2 ROCK  AS  AN  ENGINEERING MATERIAL 

 

Discontinuities – features in a rock mass with zero or negligible tensile strength. 

 

The  defining  characteristic  of  rock  as  an  engineering material  is  the  presence  of  discontinuities.  Discontinuities  include weak bedding planes,  joints, cleats, faults, and shears.   The term parting can be used to distinguish bedding planes from bedding textures that are often seen in sedimentary rocks. 

For  the  rockfall  problem  in  coal  mining,  the  scale  of  the  roadway  compared  to  the  spacing  of discontinuities is such that we are typically dealing with either intact rock or a few blocks defined by three sets of discontinuities – bedding partings and two set of joints (orthogonal).  

As a consequence of the presence of discontinuities, rock masses should always be presumed to have zero tensile strength.  A practical implication of this presumption is that a rock mass should never be put  into  tension.    Brady  and  Brown  (1985)  state  –  “The  important  point  is  that  a  rock mass  in compression may behave as a stable continuum.  In a destressed state, small imposed or gravitational loads can cause large displacements of component rock units”. 

In addition to the presence of discontinuities, there are a number of other  inherent complexities  in rock mechanics.  Included in these are the influence of groundwater and the deterioration of freshly exposed rock to weathering.  In the context of rockfalls, there is significant uncertainty as to how rock fails under  compression  (Brady and Brown  (1985).   This  issue  is highlighted  in  the  report whereby research  reported  in  the early 1990s  is used as  the basis  for assessing  compressive  failure around roadways. 

Recognising  the role of discontinuities and the variability with different  lithologies, rock masses are discontinuous,  inhomogeneous, anisotropic, and not elastic  (DIANNE3).   DIANNE materials have not been, and possibly still are not, amenable to routine engineering analysis and hence routine design.  Numerical codes such as UDEC and 3DEC allow the analysis of DIANNE materials but these are best considered as specialised consulting and research tools.   

To enable routine design, rock masses are often ascribed modified properties based on an assumption of  equivalent  continuous,  homogeneous,  isotropic,  and  linear  elastic  materials  (CHILE).    CHILE assumptions are required particularly when continuum numerical codes such as FLAC and Phase2 are used. 

 

2.3 ANALYSIS TOOLS 

 

Previous sections have discussed the  integration of a number of steps  into the design methodology.  At the analysis stage, it is good engineering practice to use more than 1 design tool.  The decision on 

                                                                 

3 discontinuous – presence of discontinuities  (not a continuum),  inhomogeneous – not all  the same  rock  type, anisotropic – different  properties  in  different  directions,  not  elastic  –  same  increment  or  decrement  of    stress may  produce  a  different increment or decrement of deformation (this basically means that rocks fail)   

Page 26: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

10 

which tools to use depends to a large degree on the amount of data that is available.  Lambe (1973) proposed that for the same amount of data, the accuracy of a prediction may decrease  if an overly sophisticated method is used or if a simple method is employed when more data is available (Figure 2). In this figure, it is proposed that the method spectrum runs from rock mass ratings, through limit equilibrium analytical tools, to 2 dimensional and then 3 dimensional numerical codes.   

 

 

Figure 2 Accuracy of a prediction is a function of the amount of data available and the method used (after Lambe, 1973). 

 

2.3.1 PRECEDENT AND  PRACTICE 

There  is  no  doubt  that  reference  to  precedent  and  current  practice  is  an  essential  component  to ground support design in ongoing operations.  If there is confidence that the geotechnical conditions will  remain  the  same,  then  it  is  reasonable  to  argue  that  a  demonstrated  successful  support  in immediately adjacent areas can continue to be applied.  Given the inherent variability of all geological materials including coal measures, the maximum geographic extrapolation is perhaps in the order of one hundred meters, and will be less if the geology is observed to change. 

2.3.2 EMPIRICAL    

Empirical : “based or acting on observation and experiment, not on theory”. 

 

In the face of the complexity presented by DIANNE rock, classification schemes for rock masses have been developed in the past.  In these schemes, numerical values are assigned to parameters that are considered to  influence the behaviour of a rock mass and then these values are combined to give a single numerical  rating  value.   These  rating  values  are  then used  to  interrogate databases of  case histories.  Two of the early and popular rating systems are the RMR system of Bieniawski (1976) and 

Page 27: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

11 

the Q system of Barton et al (1974).  The Coal Mine Roof Rating (CMRR, Mark and Molinda, 2005) is a derivative of  the RMR system  that  the authors propose  to be more applicable  to sedimentary  rock masses.   

The classification approach is valid if the rating value can be reliably and repeatedly obtained from the geological  information, the mechanics of the system  is well understood, and the data base  includes case studies from similar geological and mining system.   Attaining this goal may not be as simple as the rock mass classification systems would suggest. 

Brady and Brown (1985) state “… Although the use of this approach is superficially attractive, it has a number of serious shortcomings and must be used only with extreme care.  The classification scheme does  not  always  fully  evaluate  important  aspects  of  a  problem,  so  that  if  blindly  applied without supporting analysis of  the mechanics of  the problem  it can  lead  to disastrous  results.”   This  report argues  that  if  the  mechanics  of  the  problem  are  understood,  the  simplicity  of  the  coal  mining geometry and modern stress analysis tools makes the empirical approach unnecessary. 

There are recommendations for ground support as a function of both RMR and Q values, particularly for metal mines and tunnels.  Workers in horizontally bedded rocks have reported failures in the use of RMR and Q methods to provide appropriate ground support recommendations. (Pells and Bertuzzi, 2007).   

For underground coal mines,  the empirical  relationships based on CMRR  should be used, but once again with extreme care.   The geomechanics of extended cut mining  is substantially different  from close‐face bolting and this means that the relationship between the CMRR and the support designs will be different.    It  is  inevitable that extended cut‐mining will have  lower support densities  for the same rating.   

Palmstrom  and Broch  (2006),  in  discussing  rock mass  classification  systems  and  particularly  the Q system,  concluded  that  classification  systems  are  useful  for  planning  and  less  useful  for  the prescription of rock support during construction.  Pells and Bertuzzi (2007) support rating systems for communicating rock conditions but not  for the specification of support.   Extending this observation further,  rating  systems  are useful  to  incorporate  consideration of  rock  conditions  in  the design of another aspect – an overall mine layout, or the dimensions of a chain pillar (Colwell, 1998).  

2.3.3 ANALYTICAL      

Analytical ‐ “output is dependent on a least one input variable applied to a law of physics” 

 

The most  accessible  analytical  tools  are based on  the  limit  equilibrium method, whereby  a  failure mode  is  identified,  driving  forces  are  estimated  at  the  limit  of  stability,  and  resisting  forces determined  to provide equilibrium of  forces  ‐ with  the application of a safety  factor  to account  for inherent variability and error.  The same case history data used for developing the empirical methods is used to check the validity of method.  Limit equilibrium methods require a smaller data base than the empirical methods, recognising that the data base must be based on the same failure mechanism. 

Limit equilibrium methods are considered to be very suitable for the rockfall design problem as the objective is ultimately the prevention of gravity driven collapse of blocks of rock.  This is particularly the case in coal mines as the geometry of the block is comparatively simple, being rectangular prisms in many cases. 

Page 28: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

12 

While very well developed  in soil mechanics, there are comparatively few  limit equilibrium methods available  in  rock mechanics.   This  report presents a number of  such methods  for  the underground rockfall problem in coal mines. 

Experience and training is needed to correctly identify and anticipate the failure modes and this may also require more detailed knowledge of the rock mass.  The arithmetic in quantifying the driving and resisting  forces may  be  intimidating.    Analytical  tools  do  not  have  to  be  applied  in  isolation  of numerical methods – in fact it is often useful to use computer codes to estimate the driving stresses for complex geometries and then to separately apply those stresses to the identified failure modes. 

This report seeks to present a simplification of the arithmetic, allowing more focus on examining the rock mass and  the  failure modes  that  can develop.   By having  simple arithmetic  tools, easier back analysis of observed collapses will allow a better understanding to develop. 

In many respects, this report develops the proposition of Brady and Brown  (1985) that a rock mass traversed by one or  two persistent  structural  features  can be  considered massive, opening‐up  the ability to apply a range of simple design tools in a structured flow chart (Figure 3).  In a later edition of the  book,  Brady  and  Brown  noted  that  the  logical  framework  can  also  be  applied  to moderately jointed rock. 

 

Figure 3 Logical framework for mine excavation design in massive rock (Brady and Brown, 1985) 

All factors of safety need to be developed and applied with care.  The choice of an appropriate value depends on considerations relating to the confidence in the material properties, the simplifications of the  behaviour  models,  and  the  assumptions  made  regarding  various  inputs.    The  best  way  to determine the values to use in design is to back analyse failure conditions and other experience bases.  Since many of the users of this report will have been exposed to the concept of a factor of safety in empirical pillar design  it  is  important  to highlight  that  there  is a  subtle but nonetheless  important 

Page 29: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

13 

difference.    In empirical design methods where  there has been a statistical analysis of a data base, factors  of  safety  can  be  selected  based  on multiples  of  standard  deviations  to  give  probability  of safety.    Such  a  statistical  approach  is  not  possible  in  the  early  stages  of  the  development  of  an analytical design tool. 

2.3.4 NUMERICAL 

 

Numerical – use of computers to solve complex stress redistributions 

 

In  a  numerical  analysis,  the  key  parts  of  the  problem  are  simplified  and  a  variety  of  computer programs are used to solve the equations of elasticity based on the imposed stress and the geometry of  the openings.    It  is possible  to extend  the analysis  into  the non‐linear domain by  implementing yielding.   The engineer  inputs  the elastic deformation and  failure properties of  the materials being modeled and, in more sophisticated programs, the deformation parameters and strength parameters after failure (elasto‐plastic).   

The programs basically calculate stresses.  Numerical models have the superficial attraction that they do not require knowledge about the failure modes.  However, this is far from the case.  Their ability to identify failure depends totally on the decision on what code to use, the nature of the simplifications, and particularly the failure criteria and plasticity parameters that are decided upon.  Our knowledge of the deformation and failure of rock masses (e.g. the CHILE assumption) and particularly about how rock masses deform after  failure  is extremely  limited.   The danger with numerical methods  is  that they can downgrade  the  importance of observations underground,  replacing  them with  reliance on unverified assumptions on how  rock behaves and simplifications made by  the analyst  remote  from the operational problem. 

The  Geological  Strength  Index  (GSI,  Hoek  and  Brown,  1998)  has  been  developed  as  the  basis  to modify the engineering properties of laboratory samples to give equivalent continuum values for the rock masses –  this  formalizes  the DIANNE  to CHILE  transition.   This  report highlights  the  fact  that around  the  excavation  boundary  itself  this  may  not  be  the  appropriate  strategy  and  that consideration of brittle failure (Martin et al, 1991) is more appropriate.   

Numerical  methods  are  the  subject  of  intensive  ongoing  research.    However,  it  has  yet  to  be demonstrated that they are suitable  for the design of ground support.   Major simplifications of the real conditions are still  required  (best made by  the geotechnical officer  rather  than by a numerical analyst) and judgment is needed in selection of the software (continuum or discrete elements codes).  Continuum codes are unrivalled  for  the analysis of  the  far‐field where multiple discontinuities such that the rock behaves as a homogenous material with reduced properties (Hoek and Brown, 1997) or in homogenous rock masses with no discontinuities.  Discrete codes would appear to be better for the rock fall problem, but such codes are not as well developed and are slower to run. 

Given  the overwhelming dominance of continuum codes  (FLAC, Phase2)  in  the market place,  there are a number of points  that  can assist  in  conducting and/or  commissioning numerical analyses  for rock fall investigations: 

• Finite difference and finite element codes are just different ways of solving the equations of elasticity.   With more complex models, the shorter run times of finite difference codes can have commercial advantages. 

Page 30: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

14 

• A continuum with equivalent properties must have zero tensile strength. 

• Bedding partings and joints must have a cohesion value of very close to zero. 

• To  address  the  uncertainties  in  numerical  analysis,  plots  of  the  distribution  of  stresses, separate from the distribution of displacements and failure zones, should be examined.  Any model with zones of negative minimum principal stress but no corresponding failure should be challenged. 

• If  bolts  are  explicitly modelled,  plots  of  failures  zones with  and without  bolts  should  be examined. 

• Models that use plasticity are of particular concern as the state of the art in the plasticity of rock masses is poorly developed. 

With  the  failure  criteria  available  in  continuum models,  there  is  an  ability  to  include  transverse anisotropy (the impact of bedding partings – via the selection of a low value for G, the shear modulus) and there is the ability to model post‐failure behaviour of isotropic materials; but there is no validated model that allows both.   There  is a trend to seek to model transverse anisotropy and yield together through the use of strain softening ubiquitous  joint (SU constitutive models) models  in FLAC.   These models  contain  algorithms  for  material  behaviour,  the  parameters  of  which  are  claimed  to  be validated by  independent material property  tests.    Zipf  (2005) presents  the  state of  the  art  in  SU models.  Table 3 presents a summary of the material property assumptions and a commentary on the possible  impact  and  highlights  the  fact  that  there  are  a  number  of  key  parameters  in  the  SU constitutive model for which there is limited if any justification in the published technical literature.   

Table 3 Commentary on recent implementation of SU constitutive models in FLAC  

Parameter  Common FLAC assumption  Commentary Cohesion  Mohr Coulomb assumed.  

Lab  UCS  values  reduced  by  0.56  before calculating cohesion. Cohesion decreases to 10% over 5 millistrain post failure 

Other failure criteria are possible  Basis  for strength reduction may need  to have the friction angle assumed to be zero No experimental support  for the assumed rate of cohesion loss. 

Friction angle  21‐36o , constant with deformation  Lower friction angles for the sheared condition well established in the literature 

Dilation   10o  decreasing  to  0o  over  5  millistrain  of post‐failure shear strain 

No  experimental  or  independent  literature support for initial or rate of loss  

Tensile strength 

Tensile  strength  ranges  from  about  10%  of UCS, to zero over 1 millistrain post failure 

Zero  tensile  strength  of  rock  should  be assumed  with  bedding  discontinuities  and joints 

 

2.4 UNCERTAINTY,  RISK,  AND  THE  OBSERVATIONAL  METHOD  

 

Uncertainty is a characteristic of all geotechnical ventures and the management of these uncertainties has been and continues to be an essential aspect of geotechnical engineering practice.  The elegance or simplicity of any design tool does not reduce the uncertainty.  

With uncertainty comes risk.  Whilst this report seeks to reduce these uncertainties to some degree, it is  essential  to  remember  at  all  times  that  we  are  providing  tools  to  better  understand  the uncertainties.   Any perceived  sophistication of  the  tools  is more a  reflection of  the current  limited alternatives to design and not necessarily a material reduction in the uncertainties.   

 

Page 31: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

15 

Morgenstern (2000) discusses the sources of uncertainty in geotechnical engineering:  

• model  uncertainty  –  this  results  from  gaps  in  scientific  knowledge  such  that  simplified models need to be created to allow for subsequent engineering analysis.   This  is explicit  in the  analytical  approach  that  requires  the  formulation  of  models  of  ground  behaviour; importantly it is also implicit in empirical and numerical approaches as well.  

• parameter uncertainty – this results from the difficulties in ascribing values to the necessary input  variables.   Parameter uncertainty  tends  to  increase with  increasingly more  complex models, for example with FLAC models that invoke plastic (post‐failure) properties of rock 

• human uncertainty – The quality of the workmanship applied to the analysis and also to the implementation must always be controlled. 

In analytical design, the first and second uncertainties can be addressed to some extent through the selection of factors of safety.   Judgment and experience  is used to  increase driving stress or reduce restraining stresses in analytical methods.  In empirical methods, the factors of safety may be derived from regression statistics.  

In some  respects,  the observational method  (Peck, 1969) evolved  to address  these uncertainties  in soil engineering and has since been applied to rock engineering as well.  It is stressed that this method was developed primarily as a way of managing  contractual  risk and  is not necessarily  sufficient  to manage safety and other business risks. 

2.4.1 OBSERVATIONAL  METHOD 

Peck (1969) defines the observational method in the context of managing construction risk on major projects.    The  steps  in  the observational method  as  applied  to  the  ground  support problem  in  an underground coal mine would be: 

• Exploration to establish the general nature of mine. 

• Assessment of most probable conditions and most unfavourable conceivable based on  the known geology. 

• Establishment  of  a  design  based  on  a  working  hypothesis  of  behaviour  under  the most probable conditions. 

• Selection of variables to be observed and calculation of their anticipated values on the basis of working hypothesis. 

• Calculation of same for most unfavourable condition.  

• Selection  in advance of a  course of action or modification of design  for every  foreseeable deviation, with particular reference to whether time is available to react. 

• Measurement of quantities to be observed.  

• Modification of design to suit actual conditions. 

Some of the steps are made by the design engineers and some are made by face workers. 

It  should  be  apparent  that  the  observational  method  is  not  an  alternative  to  basic  engineering analysis and design.  There is a need to have assessed the range of hazards and the implications – if anything the observational method requires a greater design effort. 

It  is  important to note that monitoring (for example through the use of roof extensometers)  is only one  component  of  the  observational method.    In  the  complete  application  of  the  observational method, a full range of hazards will have been anticipated and candidate solutions already reviewed such that there is confidence that they can be implemented in time and with available equipment.   

Page 32: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

16 

In  the Australian coal  industry, TARPS are used  to give  face workers direction on how  to  react.    In developing TARPS  it must be recognised that not all conditions may have been anticipated and that crews  need  to  be  given  tools  to  allow  them  to  determine  if  unanticipated  geology  has  been encountered.   There  is also a danger that,  in the absence of detailed design, the TARPS will require unnecessary  additional  support  to  be  installed  to  the  detriment  of  the  business  and  without increasing safety. 

Perversely, mining  is often considered an  ideal application of  the observational method because of the lack of contractual restraints, although these restraints were the fundamental reason for its initial development.    Implicit  in the application of the observational method  is the availability of time and flexibility to change the support – mining may have less flexibility in this regard and particularly mass mining  techniques  such as  longwall.   The method may not be  successful  if  there are brittle  failure modes where indications of collapse are very short, or where the result is an unacceptable delay (for example coal flow off a longwall).   

2.4.2 OTHER  RISK TOOLS 

Monitoring  of  the  ground,  involving  inspections  complemented  with  deformation  monitoring  as appropriate, is essential to the maintenance of a safe workplace.  The greater the vigilance the more likely it is that the workforce can be evacuated from an unsafe position. 

By  itself,  monitoring  is  not  sufficient  to  manage  safety  or  other  business  risks  associated  with geological and geotechnical uncertainty. 

Workplace Risk And Consequence forums (WRAC) are not suitable for assessing design and business risks.  They should be used to assess the hazards and risk of implementing a specific support rule.  

Of  the  risk  tools  that  are  currently  available  to  the  coal  industry,  those based on  identification of failure modes are probably more appropriate for business risks.  Tools such as FEMCA should provide the opportunity to identify the weaknesses in the geological and geotechnical models. 

Page 33: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

17 

 

3 ROCK  FALLS   

 

This  report  is  concerned with  the  rock  fall  hazard  and  specifically  the way  to  prevent  the  gravity driven fall of blocks of rock.  In some cases the blocks of rock may be defined by pre‐existing surfaces and the prevention of rock fall is by way of support.  In other cases, the rock mass may be reinforced so that some or all of the necessary surfaces can be prevented from forming (reinforcement). 

As will be seen later, rock falls do not necessarily mean elevated horizontal stresses are present – in fact they can often indicate the opposite – the lack of confinement. 

Rock fall hazards can relate to local collapse of the strata (skin effects, scat) or more general collapse of the roof span.  Both have to be managed. 

 

3.1 DIFFERENCE  BETWEEN COAL  AND  METAL  MINES  

 

The geometry of coal mine roadways  is substantially different from that typically assumed for metal mines and tunnels.  In typical Australian coal mines, the horizontal axis of the roadway is effectively in the same plane as the dominant bedding discontinuity (Figure 4).  Roadways are typically confined to the  seam  and  the dips  are  typically  less  than 5o.   One of  the principal  stresses  is  vertical  and  this means that on development, the roadway axis is parallel to the plane of two of the principal stresses.  On  retreat,  different  stress  directions may  develop.    This  geometry  should  be  compared  to  that presented  as  the basis  for metal mining  and  tunnelling  (Figure 5) whereby  the excavation  is equi‐dimensional, with an arched roof, and with  joint sets and stress axes  that are neither horizontal or vertical. 

In  coal mining,  the major  rock  fall hazards  in development  roadways  relate  to delamination  along bedding  in  the roof,  the slide of  thin slabs of coal along steeply dipping  joints  in  the sides, and  the onset of  failure of  the coal  in  the  sides.   There are  some  important additional hazards  that will be discussed  later  in the report related to the onset of compressive failure.    In metal mines, the major rock  fall hazard  in  the advancing  roadways  is  the  fall of wedges and  in  some  circumstances  (deep mines) the onset of compressive failure.  All mines and tunnels are exposed to the problem of highly broken rock within a fault zone.  

For  longwall coal mines, the roadways at the maingate corner undergo  increases  in both horizontal and  vertical  stresses  in  the  former  and  possibly  vertical  stress  increases  and  horizontal  stress decreases in the case of tailgates. 

Page 34: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

18 

 

Figure 4 Geometry of a coal mine roadway and its coaxial relationship with discontinuities and stresses. 

 

Figure 5 Typical geometry and discontinuity field for a metal mine roadway (Brady and Brown, 1985) 

 

3.2 ROOF  COLLAPSE 

 

As an  initial simplifying assumption, a coal mine  roof can be considered as a  jointed bedded beam made  up  of material with  a  finite  compressive  strength.   Depending  on  the  horizontal  stress  and vertical surcharge  loading applied to the beam, the beam will collapse by either vertical shear along the joints, bedding‐parallel shearing leading to delamination and the subsequent failure of thin layers, or  the  onset  of  compressive  failure  through  the material  causing  fractures  to  develop  from  both ribsides until a block  is defined above the  installed support (Figure 6).   In addition, there can be the local  collapse of  thin  veneers of  rock between  zones where  there  is  some  tensile  strength on  the discontinuities or between bolts once they are installed (often referred to as scat). 

In the face of this simplification, there is a particularly serious collapse mode based on the presence of joints that dip at less than about 65o‐70o (Figure 7).  At this orientation, any compressive horizontal 

Stress field

Page 35: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

19 

stresses can induce shearing along the dipping joints leading to collapse.  Conversely, the lack of any compressive stress allows shearing along the vertical joint driven by the dead weight of the blocks and any vertical surcharge.  

Examples of the types of roof collapses are shown in the following figures.  Figure 8 shows a general roof collapse that resulted from delamination along bedding partings.  Note the evidence of bedding parallel  shear on  the  roof bolt  still anchored  in  the  roof.   Figure 9  shows a  local  collapse by  shear along vertical joints.  In this case the roof material is thickly bedded coal.  Figure 10 shows the role of mesh panels in controlling the hazard of rock falls associated with scat. 

 

Figure 6 General collapse modes for a bedded roof with sub‐vertical joints 

Low stress levels High stress levels

Mas

sive

roc

k

Linear elastic response with little or no rock failure.

Spalling and crushing initiates at points of high stress concentration at the roof /rib corners.

Bed

ded

rock

Bedded rock subjected to low horizontal stress in the roof line. Voussoir beam action develops and if the beams are too thin, compressive failure develops at the roof corners and joints open near the centreline.

Bedding results in higher induced stresses in the roof. Failure can develop higher into the roof than for massive rock.

Join

ted

rock

If roof stresses are very low, jointed-bounded blocks may fall. Cantilever action in any blocks that remain in-situ may result in crushing near the roof/rib corner.

Spalling and crushing initiates at points of high stress concentration at

the roof /rib corners (similar to massive rock.

Page 36: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

20 

 

Figure 7 Dipping joints can allow block movement with or without horizontal roof stresses 

 

 

Figure 8 Collapse following delamination 

 

Figure 9 Collapse related to release along vertical joints 

 

 

Page 37: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

21 

 

 

Figure 10 Thin slabs between bolts retained with mesh panels 

The  various  collapse modes  can be  anticipated  in  the  analysis  phase  and  identified  during mining operations  (Table 4).   An  important point to note  is that observations may not conclusively  identify the collapse mode.  In particular, it is noted that rib line guttering may develop in all general collapse modes, as it reflects only the localised concentration of high compressive stresses and not necessarily elevated insitu stresses. 

Table 4 Observations and data requirements for roof collapse modes  

Collapse mode  Observations  Geological controls  Information sources Delamination  Rib  line  guttering, 

Centreline cracking Spacing  of  bedding partings Shear strength of bedding partings 

Lithologies Geotechnical logging 

Compressive failure  Rib line guttering  Unconfined  compressive strength 

Laboratory tests Geotechnical  logging Sonic velocity logs 

Joint shear  Open  joints,  joint‐ bounded collapse  Rib line guttering 

Kinematically  acceptable joint blocks  

Joint  orientation  and spacing 

Dipping joints  Open  joints,  joint‐ bounded collapse  Rib line guttering 

Joints  dipping  less  than 45 plus friction angle/2 Joints  striking  within  20o of roadway trend 

Joint  orientation  and spacing 

Scat  Loading on mesh Thin  rock  slabs  between straps  

Closely  spaced  bedding partings 

Lithologies 

 

Page 38: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

22 

 

3.3 RIB  COLLAPSE  

 

From one perspective, ribs are simply vertical rock slopes and hence are exposed to the same collapse modes – planar slides, wedge slides, and toppling as seen in rock slope engineering (Figure 11).   

 

 

 

 

Planar         Wedge         Topple 

Figure 11 Rib collapse analogies to rock slopes (topples, planar slides, wedges) 

In addition, there are additional collapse modes related to the vertical stresses that are applied to a coal rib and which are not present  in a rock slope.   Theses elevated stresses can  induce buckling of joint‐bounded slabs (Figure 12) and, in massive coal, the onset of mining induced fractures that define blocks that simply topple into the roadway (Figure 13). 

 

Figure 12 Buckling of a coal rib 

Page 39: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

23 

 

Figure 13 Back surface to a slab formed by a mining induced fracture in a coal rib 

 

3.4 APPROACHES  TO  PREVENT  ROCK FALLS   

 

Rock falls are gravity‐driven collapse of blocks.  There are therefore two approaches to prevent rock falls.  Firstly, there is a support strategy whereby it is accepted that the block will form or is already present  so  that  the  approach  is  to  support  the  block  so  that  its  gravity  fall  into  the  roadway  is prevented.    Secondly,  there  is  the  reinforcement  approach  based  on  preventing  the  block  from forming  in  the  first place, based on  the  recognition  that blocks  require a minimum of  five surfaces before the kinematics allow the fall and that some of these surfaces may already exist in the form of bedding partings or  joints.   Referring back to the  logical framework (Figure 3), support  is required  if compressive or tensile failure is induced, and reinforcement is required if there is a hazard of slip on discontinuities.   

Distinguishing  between  support  and  reinforcement  can  sometimes  be  an  academic  exercise,  for example  the  case  of  shear  translation  of  pre‐existing  blocks  along  non‐vertical  surfaces.    From  a pragmatic design perspective, it may be preferable to take a step back from the collapse concept and instead distinguish between structurally‐controlled  failures and stress  induced‐failures.   Figure 14  is the  flow  chart  proposed  by  Potvin  and Nedin  (2003)  for metaliferous mines.    It  is  apparent  that Figures 14 and 3 present very similar ideas. 

Page 40: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

24 

 

Figure 14 Flow chart for the analysis phases for the prevention of collapse of ground (Potvin and Nedin, 2003) 

Page 41: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

25 

 

4 UNDERGROUND  COAL  MINING  IN  AUSTRALIA   

If you can’t mine it without hurting people and you can’t mine it without making a profit  it is just another black rock 

 

4.1 COAL  SEAMS  

In  2008,  underground  coal  mining  in  Australia  is  being  conducted  in  New  South  Wales  and Queensland  with  one  operation  in  Tasmania.    Both  coking  and  thermal  coal  are  mined  by underground methods. 

For underground extraction, the coal seams are in excess of 1.8m thick, although thinner seams have been considered with a lower bound of about 1.2m ‐ 1.3m.  The maximum seam thickness is in excess of 7m  (depending on the definition of economic coal) and the maximum roadway height  is 3.6m to 3.8m.  In the thick seams, the better coal is most often found in the lower portions of the seam so a coal roof is common.  Where the seam allows it, coal floor is often left to improve trafficability on low strength clayey floors. 

The dips are relatively flat (say less than 5o) and the depths of cover range from as low as 50m to in excess of 550m. 

There are a number of accesses to the working seam – either shafts, declines, or final highwalls. 

 

4.2 MINING METHODS 

4.2.1 DEVELOPMENT  

4.2.1.1 METHODS 

All development mining uses continuous miners and hence the openings are rectangular with heights ranging  from 1.5m  to 3.8m, and widths  ranging  typically  from 4.8m  to 5.5m  (an exemption by  the NSW mining regulator is required for widths in excess of 5.5m).  

Presently,  the most popular  system  for heading development  in Australia  is  integrated  cutting and bolting (bolter miners): there are some place‐changing system (cut and flit, extended cut mining)  

Integrated  cut  and  bolt  systems  are more  popular  in  Australian mines  and  in  part  this may  be  a reflection of  the higher  frequency of  faulting  in our  coal measures  compared  to  seams  in  the USA where place changing  is more common.   The  integrated system  is efficiently  implemented with two heading  gate  roads,  and  rectangular pillars with headings  and  cutthroughs  at  right  angles.    In  the integrated  system,  roof  bolting  is  carried  out  using  miner‐mounted  hydraulically‐operated  units (Figure  15).    Generally,  the  integrated  system  is  used  in  conjunction  with  wide‐head  continuous miners and this enables the installation of support in the roof at a distance of about 2.5m ‐ 3m behind the face.  Most mines use shuttle cars for coal clearance behind the continuous miner.   

Page 42: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

26 

The Place Changing method involves using high capacity continuous miners alternating with purpose‐built  high  capacity multi‐bolter  roadway  support machines  (Figure  16).    Narrow  head  continuous miners mostly suit the system, for frequent flitting operations.  Typical machine heads are 3.5m to 4m wide.  The length of the cut is typically in the order of 8m‐10m.   

The fall of even thin slabs of roof can interrupt the system, so the place changing method requires the ability for unbolted roof to stand for about up to four hours without either local or general collapse.  Lithologies with close‐spaced bedding partings and  jointed  roof areas near  faults may not have  the required level of stand‐up time.   

 

Figure 15 Typical bolter miner (Source – Joy) 

 

Figure 16 Typical place change miner and mobile bolter (Source – Joy) 

Page 43: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

27 

4.2.1.2 SUPPORT RULE DATABASE 

A database of primary and secondary support installed in Australian longwall coal mines as of 2007 is discussed below.    The database  includes  both  the primary  and  secondary  support  installed  in  the gateroads.  Data have been sourced primarily from site visits.  An additional source of data has been obtained  from ACARP project C15005 which  tabulates  the primary and secondary support  rules  for each of  the mines  in  the development project database.    In  this database,  the  installed capacity  is calculated as  the number of bolts per square metre of  roadway  times  the ultimate strength of  the bolts (40 tonnes/m2 is equivalent to about 6 X grade bolts per metre of roadway advance).   

The  installed  capacity  of  the  primary  support  for  both  the  gateroads  and  intersections  has  been plotted as a  function of depth  in Figures 17 and 18  respectively.   Stone  roofs have been separated from coal roofs.  The figures highlight that depth (as a proxy for stress) is not the sole determinant of roof  support,  with  other  issues  dominating:  these  issues  may  include  the  strength  of  the  rock, operational decisions to install support required for longwall retreat on advance, and decisions based on precedent and practice.  In Figure 17, the high density support (40 t/m2) at depths of 100m‐200m is from mines with very low strength roof strata.  A linear regression line is included for diagrammatic purposes  only.    In  general,  there  is  no  additional  primary  support  routinely  installed  in  the intersections prior to longwall retreat.  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600

Prim

ary

Sup

port

Cap

city

(ton

nes/

m2 )

Depth (m)

Stone roofCoal RoofLinear (Stone roof)

 

Figure 17 Summary of Installed Capacity of Primary Support for Gateroads 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600

Depth (m)

Prim

ary

Sup

port

Cap

caity

(ton

nes/

m2 )

Stone roof

Coal Roof

 

Figure 18 Summary of Installed Capacity of Primary Support for Intersections 

 

Page 44: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

28 

4.2.2 EXTRACTION  

4.2.2.1 LONGWALLS 

The typical Australian longwall layout utilizes two‐heading gateroads, mainly as a result of the choice to  use  bolter miners.   Where  the  coal  seam  is  gassy,  the mine  usually  implements methane  gas drainage programs, involving pre and post drainage systems of inseam and inter‐seam drilling as well as drilling from the surface.  Multiple headings have been required in some mines to control exposure of the workforce to heat. 

Currently  (2008)  there  are  a  total  of  29 operation  faces  in Australia, producing  around  79 million tonnes (Table 5).  The average longwall face width is 233 m with face lengths vary between 150 m and 400 m. The panel length runs between 520m and 4800m. The range of the extracted seam thickness varies between 2.0m and 4.5m (average 3.44m).  The depth of cover varies between 50 m and 500 m.  

Table 5 Australian Longwall statistics (after Cram, 2008) 

Mine  Longwall production 

(t) 

Seam  Longwall face width 

(m) 

Extracted thickness (m) 

Panel1 length (m) 

Angus Place  3 248 500  Lithgow  250  2.9  2997 Appin West  1 947 600  Bulli  250  3.05  1400, 520 Ashton  2 904 800  Pike gully  205  2.35  1700, 1830 Austar  1 505 600  Greta  150, 220  5.75  1500, 1300 Baal Bone  1 922 300  Lithgow  240  2.25  1500, 1000 Beltana  7 849 500  Lower Whybrow  264  3  3 x 3300 Broadmeadow  3 559 600  Goonyella Middle  200  4.25  2 x 2100 Crinium  4 145 400  Lilyvale  270  3.4  2494, 2400 Bundoora  1 218 000  German Creek  225  2.8  2000 Dendrobium  3 619 000  Wongawilli  236  3.5  1955, 1615 Integra  2 955 900  Liddell  246  2.55  2213, 2331 Grasstree  3 843 000  German Creek  300  2.65  2400, 2400 Kestrel  4 449 000  German Creek  250  3.15  3186, 3579 Mandalong  4 767 300  West Wallarah  150  4.2  3020, 2766 Metropolitan  1 484 000  Bulli  154  3.2  1167, 1208 Moranbah North  4 548 000  Goonyalla Middle  300  4.15  1900, 2500 Newlands North  4 894 900  Upper Newlands  300  4.5  4800 Ravensworth   1 096 800  Pikes Gully  250  2.35  1500, 1800 Newstan  2 708 100  West Borehole  220  3.4  3090 North Goonyella  2 426 300  Goonyella Middle  300  4.2  3000 Oakey Creek No. 1  6 256 500  German Cr  300, 200  2.5  3338, 3489 Oaky North  5 340 800  German Cr  250  3.05  3500 Springvale  3 002 400  Lithgow  305  3  3443, 3443 Tahmoor  1 924 900  Bulli  275  2.0  2180, 988 Ulan  3 365 100  Ulan  400  3.05  3018, 1200 United  3 403 100  Woodland Hill  200  3.1  3300, 3120 Wambo North  1 478 100  Wambo  250  2.1  3650 West Cliff  3 372 700  Bulli  300  2.65  3227, 3500 West Wallsend  830 000  West Borehole  165  4.8  1667, 1208 

 

4.2.2.2 SECONDARY SUPPORT 

Unlike the primary support, which is relatively consistent along the length of a single longwall block, a wide  range of maingate  secondary  support patterns are used.    For example different patterns are 

Page 45: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

29 

used  for  intersections,  gateroads,  structured  zones  etc.    The  primary  support  capacity  has  been included  in  these  figures  to  capture  the  variation  between  gateroads  and  intersections  e.g. many mines install a 4 or 6 bolt primary support with no secondary support mid pillar.   In order to compare support capacities both minimum and maximum values have been plotted in Figures 19 and 20 – the calculations  assume  a  50  tonne  capacity  cable.    Similar  to  primary  support,  there  is  not  a  strong relationship with depth. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Depth (m)

Com

bine

d P

rimar

y an

d M

inim

um S

econ

dary

Sup

port

Cap

acity

(ton

nes/

m2 )

Stone roofCoal Roof

Figure 19 Summary of combined minimum maingate primary and secondary support 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Depth (m)

Com

bine

d P

rimar

y an

d M

axim

um S

econ

dary

Sup

port

Cap

acity

(ton

nes/

m2 )

Stone roofCoal Roof

Figure 20 Summary of combined maximum maingate primary and secondary support 

Page 46: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

30 

The minimum and maximum secondary support only is plotted in Figures 21 and 22.  Overall, there is no relationship between depth of cover and secondary support intensity.  There are many mines that do not install any routine secondary support (Figure 21).  Most longwall mines install between 8 to 16 tonnes/m2 (Figure 22). Cable length ranges from 4.1m to 8.1m.   

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

Min

imum

Sec

onda

ry S

uppo

rt C

apac

ity (t

onne

s/m

2 )

Depth (metres)

Stone roofCoal Roof

 

Figure 21 Summary of minimum maingate secondary support 

0

4

8

12

16

20

24

28

32

36

40

0 100 200 300 400 500 600

Depth (metres)

Max

imum

Sec

onda

ry S

uppo

rt C

apac

ity

(tonn

es/m

2 )

0

1

2

3

4

Num

ber o

f 50

tonn

e ca

bles

/met

re o

f roa

dway

Stone roofCoal Roof

Figure 22 Summary of maximum maingate secondary support 

 

Page 47: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

31 

 

5 ENGINEERING  GEOLOGY   

 

The geotechnical engineer should apply theory and experimentation but temper them by putting them into  the  context  of  the  uncertainty  of  nature.    Judgment  enters  through  engineering  geology. (Terzaghi, quoted in Palmstrom and Broch, 2006)  

 

The report has already highlighted the defining characteristic of rocks – the discontinuities.    In coal measure  rocks,  the main discontinuities are  joints and bedding partings.   Bedding  textures  such as cross  bedding  are  not  necessarily  discontinuities.    This  section  starts  with  a  discussion  of discontinuities, then moves onto strength and deformation properties and then insitu stresses. 

It  is emphasised that the report  is concerned with roof and rib support, whereby the scale  is set by the roadway width – say less than 6m.   Discontinuities with spacings less than this may impact rock performance. 

 

5.1 DISCONTINUITIES 

 

Rock mass performance is controlled by discontinuities – defined as features in a rock mass with zero or  negligible  tensile  strength.    Joints  and  bedding  partings  are  the major  discontinuities  in  coal measure rocks.  There is nothing fundamentally different about the engineering properties of bedding partings  compared  to  joints  –  they  are  both  discontinuities  albeit  with  different  roughness  and persistence and the only defining characteristic is the dip of the surfaces.  

The reader should be aware that this definition of a bedding parting as a discontinuity  is consistent with  the  RMR  system  of  Bieniawski  (1976),  the  Q  system  of  Barton  et  al  (1974)  and  the  ISRM Commission (1978) but conflicts with the use of the same term in the Coal Mine Roof Rating (CMRR) system  (Molinda and Mark, 1994) where discontinuities are allocated a cohesive strength rating.   A discontinuity with negligible tensile strength will also have negligible “true” cohesion when tested in shear.  A discontinuity may still have an apparent cohesion intercept related to the roughness of the discontinuity surface  (Figure 23), however  this apparent cohesion  is not  the same as  true cohesion related to the cementation of particles.   The difference  in definition  is particularly stark  in the more recent recommendations on the CMRR that promote the use of an index to diametric point load tests instead of the index to discontinuity spacing in some circumstances (Mark and Molinda, 2005).  

 

 

Page 48: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

32 

 

Figure 23 Difference between true cohesion of an intact sample and apparent cohesion of a rough discontinuity 

5.1.1 DESCRIPTION  OF  DISCONTINUITIES 

The description of discontinuities  is discussed by the  ISRM Commission  (1978), and also  included  in the field geologist handbook (AusIMM, 1995).  Aspects covered include orientation (dip, dip direction, strike), spacing, RQD, persistence, roughness, aperture, and filling.   

Table 6 Classification of discontinuity spacing  

Term  Spacing (mm) 

Extremely close  <20 

Very close  20‐60 

Close  60‐222 

Moderate  200‐600 

Wide  600‐2000 

Very wide  2000‐6000 

Extremely wide  >6000 

Table 7 Classification of discontinuity persistence 

Term  Length (m) 

Very low  <1 

Low  1‐3 

Medium  3‐10 

High  10‐20 

Very high  >20 

The spacing of bedding partings can be expected to vary over short distances reflecting the changes in lithology.   Shales may have extremely close partings, and sandstones and conglomerates may have extremely‐wide spaced partings.  In general, bedding partings will have high to very high persistence, and joint persistence may range from very low to very high  

Apparent cohesion 

True cohesion 

Normal stress ‐ σN 

Shear stress ‐ τ  τ 

σN 

τ 

roughness angle ‐ i 

σN 

Page 49: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

33 

Joints and bedding are not perfectly flat planes.   On the relevant scale for a coal mine roadway, the surfaces may be planar, undulating or stepped.  The Joint Roughness Coefficient (Barton et al, 1974) can be used  to quantify  this shape.   The  Joint Roughness Coefficient  (JRC) can be estimated as per Figure 24.  In determining the JRC value, not only is the profile of the discontinuity surface important but also length of the profile measured, as shown in Figure 25 – this figure provides a convenient way of determining the JRC in a mine roof. 

 

Figure 24 Joint Roughness Profiles and Corresponding JRC Values (Barton and Choubey, 1977) 

On the smaller scale the surface may be classified as rough, smooth, or slickensided. 

• rough – sandpaper • smooth – table top • slickensided ‐ polished 

Page 50: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

34 

 

Figure 25 Alternative method for estimating JRC from measurements of surface roughness amplitude from a straight edge (Barton  and Choubey, 1977) 

5.1.2 BEDDING  PARTINGS 

Bedding  discontinuities  are  often  referred  to  as  partings,  this  terminology  has  the  advantage  of emphasising the difference from bedding textures.  Persistence of bedding partings is typically high or greater.  Spacing will vary within the same lithology and in response to changes in lithology.  There is no easy way of assessing  the  spacing of partings, and certainly not  from  the current generation of geophysical  logs.    Core  drilling  is  required.    Some  inference  can  be made  from  knowledge  of  the lithology, but the lack of precision makes this approach unsuitable for design. 

The  results of  JRC measurements on bedding partings during  this project are presented  in Table 8.  The average JRC for partings was 9, with a minimum of 3. 

Page 51: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

35 

Table 8 Roughness of bedding partings 

Sample Type  Lithology  JRC 

(10cm interval) 

Bedding Plane  Siltstone, coaly fossils  12 

Bedding Plane  Mudstone, coaly laminations  4 

Bedding Plane  Silty sandstone, minor coaly wisps  6 

Bedding Plane  Siltstone,   3 

Bedding Plane  Fine grained sandstone/siltstone, micaceous  5 

Bedding Plane  Fine grained sandstone, coaly wisps  7 

Bedding Plane  Fine grained sandstone, coaly fossils  9 

Bedding Plane  Mudstone  11 

Bedding Plane  Siltstone  8 

Joint  Fine grained sandstone  5 

Bedding Plane  Siltstone  20 

Bedding Plane  Fine to medium grained sandstone, carbonaceous laminae  5 

Bedding Plane  Siltstone, coaly fossils  20 

Bedding Plane  Fine grained sandstone/siltstone, coaly fossils  12 

5.1.3 JOINTS  IN  STONE  

There  is  a  very  strong  trend  in  sedimentary  sequences,  and  particularly  in  coal measures,  for  the development of 2 joint sets at right angles to each other and orthogonal to bedding (Figure 26).  

 

Figure 26 Example of joint patterns in sedimentary strata. 

Hobbs  (1967) was  one  of  the  first  to  discuss  the  possible mechanics  behind  the  observed  linear relationship between bed  thickness and  the spacing of  joints  (Figure 27).    In  relatively undeformed strata, the spacing of joints tends to follow a log‐normal distribution with the ratio of the median joint spacing to bedding spacing being approximately 1.0 (Figure 28).  The implication of Figures 27 and 28 is that as a first approximation, the stone roof of coal mine roadways is composed of cubes of rock. 

Page 52: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

36 

 

Figure 27 Joints in undeformed sediments (Fookes et al, 2000) 

 

 

Page 53: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

37 

 

Figure 28 Relationship between joint spacing and bedding thickness (Ji et al, 1998) 

The data in the literature are limited to beds with thicknesses of less than about 3m.  Observations by the  authors of highwalls  and  cliff  faces  suggest  that  the  general  trend may be present  to  at  least about 20m thickness.   

Determining  the  orientation  of  joints  during  exploration  programs  is  now  a  relatively  easy  task through  the use of  the acoustic  scanner, and  in many  cases  in  the Bowen Basin  from  immediately adjacent highwalls.  General trends can also be inferred from a knowledge of the regional geology, in particular the orientation of fold axes (Figure 29).   Different  joint orientations will be present  in the vicinity of faults or dykes. 

5.1.4 JOINTS  IN  COAL  ‐ CLEATS    

In this report, the terms cleat and coal joints are used interchangeably.  In a pure sense, cleat refers to the  small  scale  (very  low persistence,  extremely  close  spacing)  fractures, particularly within bright coal (non‐persistent cleat, Figure 30).  From a geotechnical perspective, there is more interest in the features with greater persistence.   The  latter are more correctly called  joints, but common usage  in the mines often refers to them as cleats as well. 

Page 54: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

38 

 

Figure 29 Association between joints and faults/folds (Fookes et al 2000) 

Page 55: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

39 

 

 

Figure 30 Jointed and cleated coal – note very low persistence of cleat (Medhurst and Brown, 1998) 

Jemeric (1985) presents a classification system for cleats and highlights that they may have a number of different origins.   

• Endogenous Cleavage – mainly oriented perpendicular to the bedding planes.  Related to the drying  and  shrinkage  of  organic material  associated  with  its  compaction  and  release  of volatile matter.  Endogenous cleat typically has low persistence. 

• Exogenic Cleavage – formed by external forces related to tectonic events.   This cleat would tend  to  be  aligned  in  the  direction  of  the  major  principal  stress  active  at  the  time  of formation.  This is the probably the origin of the persistent cleat or coal joints.  This definition may explain how the orientation of coal  joints may vary either side of a thrust fault (Figure 31). 

It could be expected that cleat sets in coal and joints in stone may be parallel.  Information from the Bowen Basin suggests  that  this may be generally  true  (Figure 32), but  that  there can be  important deviations.   Since bedding surfaces can be  the  locus  for major  tectonic horizontal movements,  it  is reasonable  to anticipate  rotations as well as  translations along such surfaces.   The  result would be different discontinuity sets in the coal compared to the stone. 

Figure 31 An example of rotation of coal joints about thrust faults  

 

 

 

Page 56: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

40 

 

Figure 32 Cleat and joint orientations in Bowen Basin (Pattison, 1995) 

 

The results of initial testing into the roughness of coal joints indicates that the JRC is greater than for bedding partings (Table 9). 

Table 9 Joint roughness coefficient (JRC) of coal joints 

Sample Type  Direction of Testing with respect to bedding 

JRC 

(10cm interval) 

Cleat  Perpendicular  9 

Cleat  Parallel  3 

Cleat  Parallel  12 

Cleat  Parallel  4 

Cleat  Parallel  4 

Cleat  Parallel  4 

Cleat  Parallel  12 

Cleat  Parallel  4 

Cleat  Perpendicular  14 

Cleat  Parallel  4 

Cleat  Parallel  12 

Cleat  Parallel  8 

Cleat  Parallel  8 

 

5.1.5 FAULTS 

The  eastern  Australian  coal  fields  have  had  a  complex  tectonic  history, with  the  result  being  the overprinting of several fault regimes.  The state of the art is such that on a mine scale it is not possible to predict  in advance  the  full  suite of  fault  styles and directions  that may be encountered.   Close‐spaced drilling and seismic surveys can provide information on the major faults in a block of coal but 

Page 57: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

41 

are  limited  in their ability to resolve small scale faults, fault zones with  little net throw, or bedding‐parallel faults.  The application of drilling and reflection seismics is to identify ground that should not be mined, but  sesimics  in particular has  limited application  in providing geotechnical details of  the ground that is to be mined.   

Once the overall fault regime is known, it is possible to anticipate the jointing patterns (Figures 27 and 29) – and it is the jointing pattern that is of concern from a ground control perspective.  There is likely to be an increase in the density of bedding partings in proximity to faults – it would appear that the tectonic stresses tend to convert bedding textures to partings.  

It is highlighted that faults are characterised by broken ground and this implies that the ground has a less ability to accommodate high deviatoric stresses.    It  is more  likely that stress magnitudes will be locally reduced in the vicinity of faults.  In fact, the poorer ground conditions in proximity to faults are more likely to be related to the higher density of joints and partings defining pre‐existing small blocks. 

Based on  the authors’ experience,  the  following  should be anticipated  for  the 3  typical  fault  types encountered: 

Normal faults 

• 70 o ‐ 90o dip. 

• Gouge less than 20mm wide. 

• Parallel joints for 5m either side. 

• Increased bedding parting intensity 10m either side. 

• Increased permeability. 

Thrust faults 

• 15 o ‐ 40o dip. 

• Gouge zone of 0.5m to 1.5m in width. 

• Very close and close spaced shears and slickensides. 

• Undulating surfaces defining lozenge shaped blocks ranging from 10cm upwards. 

• Increased permeability. 

Bedding parallel faults 

• 10mm ‐ 250mm thick. 

• Very close spaced slickensides.  

5.2 LITHOLOGIES  

 

Knowledge of the lithologies in the roof is important as it gives the key piece of information on which to anticipate  the  spacing of bedding partings.   There  is no  relationship between  lithology and  rock strength.   

Coal measures have been deposited in a range of fluviatile (Figure 33) or deltaic environments (Figure 34).  The fluviatile system can include meandering rivers depositional environments such that the roof of  coal  seams  can  range  from  thick mudstones  (flood  plain)  through  interbedded  sandstones  and mudstones  (crevasse  splays  and  levees)  to  cross‐bedded  and  planar‐bedded  sandstones  (channel 

Page 58: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

42 

sands). Of these, the crevasse splay and  levee environments tend to produce the closer‐spaced and laterally persistent bedding partings – e.g laminites in the Southern Coalfield.  The spacing of bedding partings in the channel sands can be highly variable. 

 

Figure 33 Distribution of lithologies in fluviatile system (Fookes et al, 2000) 

Page 59: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

43 

 

 

Figure 34 Distribution of lithologies in a deltaic system (Fookes et al, 2000) 

The braided  channel  systems  tend  to have  coarser  grained  sediments  in  thicker beds.    The  cross‐bedding tends not to develop as a parting, so very‐wide and extremely‐wide spaced bedding partings are often present.  The roof types associated with deltaic systems tend to have closer spaced partings when compared to fluviatile systems.  

Page 60: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

44 

An important aspect of Figures 33 and 34 is the scale.  Lateral variations in lithologies can be on the scale of tens of metres.  The implication of this is that even drill hole spacings of 100m cannot be used to predict the lithologies that will develop above every roadway.  

 

5.3 STRENGTH 

 

Depending on  the scale and geometry of  the excavation,  the strength of  the  rock mass around  the excavation may be controlled by either the discontinuities or by the properties of the rock substance between them. 

Strength  is  an  all  encompassing  term,  and  covers  the  unconfined  strength,  confined  strength  and tensile strength of intact samples and the shear strength along discontinuities. 

5.3.1 UNIAXIAL  COMPRESSIVE  STRENGTH  

5.3.1.1 STONE 

For  coal measure  rocks,  the unconfined  compressive  strength  (UCS) of  the  roof and  floor  stone as measured in the laboratory ranges from as low as 5MPa ‐ 10MPa to in excess of 100 MPa (Figure 35) – there is no relationship between lithology and rock strength.  Igneous materials, such as dykes or sills, may be  less than 5 MPa  (for example weathered or chilled margins) or  in excess of 300 MPa  (fresh dolerite).  

 

Figure 35 Plot showing the range in strength and deformation modulus for different lithologies (Shepherd and Gale, 1982) 

Page 61: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

45 

Due  to  the  time  and  cost  in  testing  core,  Australian  coal mines  often  utilise  a  site‐specific  sonic velocity  to UCS  correlation.    Core  is  selected  for  laboratory  testing  from  drillholes  in which  sonic velocity logs have been run.  Figure 36 shows a range of relationships with examples from both QLD and  NSW  minesites  and  also  the  McNally  (1987)  formula  for  stone.    The  figure  highlights  the variability  in  the  relationships and  suggests  that  there are other  factors besides  rock  strength  that control the sonic velocity.  Other relationships include consideration of density but even these do not cover all factors.   

From a ground control perspective,  it  is  the  low strength  rocks  that are of particular  interest.   The difference in the various relationships at low strengths is highlighted in Figure 37 where 10MPa has a range of 1300m/s  in  its associated sonic velocity.    It  is generally accepted  that  the original McNally database included many samples that had been allowed to dry out before testing with the result that anomalously  high  strength  values were  obtained  (particularly  for  the  lower  strength  range).    The continued use of the McNally equation is not recommended. 

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2500 3000 3500 4000 4500Average Sonic Transit Time (metres/second)

UC

S (M

Pa)

Mine 1 Mine 2Mine 3 Mine 4Mine 5 Mine 6Mine 7 Mine 8Mine 9 McNally (stone)

 

Figure 36 A variety of UCS sonic relationships for stone 

0

5

10

15

20

25

30

2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000Average Sonic Transit Time (metres/second)

UC

S (M

Pa)

Mine 1 Mine 2Mine 3 Mine 4Mine 5 Mine 6Mine 7 Mine 8Mine 9 McNally (stone)

 

Figure 37 UCS sonic relationships for stone at lower strength  

Page 62: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

46 

There are a number of practical constraints to the accuracy of any strength/sonic correlation.  These include matching  the  depth  of  the  samples  with  the  sonic  log,  allocating  a  sonic  velocity  value, preserving the water content prior to testing (especially important for rocks less than about 20MPa), sampling  and  testing  the  lower  strength  rocks,  the  reproducibility  of  laboratory  testing,  and  the limitations of the regression analyses (typically limited to standard spreadsheet functions).   

The conclusion to be drawn from this discussion is that it is good practice to use existing relationships only with great care, and to develop a relationship for each mine using the highest level of control on the sampling and  testing procedures.   Given  the greater significance of  low strength materials,  it  is recommended that the relationship  is created from a data base biased to this end of the spectrum.  Having said that, a relationship that the authors have found to be reasonably valid across a range of coal fields is: 

UCS (MPa) = 5785 e (‐17374/vel)           Equation 1 

where vel =sonic velocity in m/s. 

The use of Point Load Strength Index testing (PLSI) to estimate UCS needs to be considered carefully.  The PLSI can be related to the rock strength using similar statistical methods as for sonic velocity.  The test suffers from a high degree of variability and a large number of data points are required to obtain a  reliable  estimate  of  the UCS.    It  is  known  from  civil  engineering  that  the  reliability  of  the  PLSI estimate for values less than about 20MPa is very low.  The sonic velocity approach to estimating UCS is preferred.  

For  very  low  strength  range,  and  for  situations where  the  thickness  of  the  band  does  not  allow laboratory testing, good estimates of strength can be obtained from standard visual and tactile tests (Table 10).  

Table 10 Visual and tactile tests (ISRM,1978) 

Grade  Term  UCS (MPa) 

Field observations 

RO  Extremely weak  0.25‐1  Indent with fingernail 

R1  Very weak  1‐5  Peel with pocket knife, crumbles under firm blows with point of geological hammer 

R2  Weak  5‐25  Peeled  with  difficulty  with  pocket  knife,  shallow  indentation with firm blows with point of geological hammer 

R3  Medium strong  25‐50  Cannot scrap or peel with knife, specimen fractured with single blow from the blunt end of a geological hammer 

R4  Strong  50‐100  More than 1 blow from the blunt end of a geological hammer 

R5  Very strong  100‐250  Many blows from the blunt end of a geological hammer 

R6  Extremely strong  >250  Can only chip the sample with a geological hammer 

5.3.1.2 COAL 

Because of its cleat and jointing, the UCS of coal is a relatively difficult parameter to determine in the laboratory.  A compilation of the results of testing coal samples, mainly by ACIRL (1986), is presented in Table 11 where  it can be seen to range between 10MPa for Middle Goonyella Seam (coking) and 35MPa Great Northern Seam (thermal).  Medhurst and Brown (1998) suggest that the UCS of coal is related  to  the brightness of  the  coal and will  range  from 35 MPa  for dull  coal  to 9.7MPa  for high brightness coals – this is consistent with the data in Table 11. 

Page 63: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

47 

 

Table 11 Range of coal unconfined compressive strengths (ACIRL, 1986) 

Seam  UCS (MPa)  Modulus (GPa) 

Harrow Creek  8.7  1525 

Bulli  28.9  4675 

Tongarra  17.9  3403 

Katoomba  33.1  4013 

Mt Arthur  21.9  3146 

Bulli  20.2  3191 

Wallarah  27.4  3838 

Moura D Seam  11.4  2488 

Lithgow  26.4  4096 

Wongawilli  16.0  3080 

Victoria Tunnel  28.0  4458 

Great Northern  35.6  4560 

Middle Goonyella  10   

Newlands bright bottoms  14   

German Creek (Southern)  10   

 

A different sonic velocity/strength relationship exists for coal (Figure 38). 

y = 0.07x - 148.57R2 = 0.5178

-10

0

10

20

30

40

50

60

2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

Sonic velocity (m/sec)

Labo

rato

ry U

CS (M

Pa)

 

Figure 38 UCS sonic velocity relationship for coal 

5.3.2 TENSILE  STRENGTH  

It cannot be stressed enough that the presence of discontinuities  in a rock or coal mass means that the tensile strength of the mass is zero. 

The tensile strength of an intact rock can be assumed to be in the order of 10% of the UCS.  

Page 64: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

48 

 

5.3.3 TRIAXIAL  PARAMETERS  

Increased  confinement  of  samples  results  in  an  increase  in  the  stress  that  will  cause  failure.  Conventionally, the relationship between failure stress and confining stress (Figure 39) is simplified to a straight line (Mohr Coulomb failure criterion) or as a curve (Hoek Brown failure criterion). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 39 Strength envelopes (dash – Mohr Coulomb, solid – Hoek and Brown) 

For the Mohr Coulomb criterion,  

σ1 = σc + σ3 tanψ              Equation 2 

where σ1 and σ3 are  the maximum and minimum effective stresses4 at  failure and σc  is  the uniaxial compressive strength, and  the  relationship between uniaxial compressive strength, cohesion (c), and friction angle (φ) is: 

σc = 2 c cosφ/(1‐sinφ), or  

c = σc (1‐sinφ)/(2 * cos φ), and  

tanψ = (1 sin φ)/(1‐sin φ), or  

sin φ = (tanψ – 1)/(tanψ + 1). 

For the Hoek Brown criterion,  

σ1 = σ3 + σc(m σc σ3 + s)a               Equation 3 

                                                                 

4 effective stress = total stress – pore pressure.  Coal seams are aquifers and have significant pore pressures prior to mining.  At the mining  face  the pore pressures are  zero  so  it  follows  that  there have been  significant effective  stress changes ahead of mining. 

σc 

σ1 

 

σ3 

ψ 

Page 65: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

49 

where m  is a parameter related to  lithology (somewhat analogous to friction angle), a = 0.5 for rock and 0.65  for coal, and s= 1.0  for  intact rock.   As will be discussed, m and s can be varied to reflect rock mass strength.  

The  σc parameter  is calculated  from  the curve  fitting and may not have  the same value  in  the  two criteria and may not have the same value as the UCS value. 

As a good approximation, the friction angle φ and m values can be related to lithology (Table 12)  

Table 12 Presumed friction angles and m values  

 

5.3.4 BRITTLE  STRENGTH  

Recent research suggests that neither the Mohr Coulomb nor the Hoek Brown criterion is suitable for the behaviour an excavation  (Kaiser and Kim, 2008).    It appears  that  cohesion and  friction are not mobilised at the same time, and that initial rock failure relates only to a loss of cohesion.  One of the early papers on brittle failure (Martin et al, 1999) concentrates on massive igneous rocks, but a closer examination reveals that one of the early case studies involved the Donkin‐Morien tunnel in the coal measures of the Sydney Basin of Nova Scotia.  The research provides the technical explanation for the early  observations  that  around  openings  the  mass  strength  appears  to  be  0.5  the  laboratory measured strength.   

This concept can be incorporated in a failure criterion either as σ1 ‐ σ3 = σc/3 to σc /2 (φ =0.0), or m = 0.0, and s =0.11 to 0.25 (Figure 40).   There  is no tensile cut‐off with the Hoek Brown criterion so,  if tensile roof stresses are possible, it may be preferable to use the Mohr‐Coloumb criterion with a zero tensile strength cutoff.  

 

Figure 40  Brittle rock parameters 

Lithology  Friction angle mi Siltstones, fine sandstones  30 10 Mudstone  25 7 Medium and coarse sandstones 35 15 Claystones  20 4 

Page 66: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

50 

This  brittle  rock  concept  is  applicable  to  estimating  the  zone  of  fracturing  about  excavations  and hence is particularly relevant to the design of ground support systems – the subject of this report.  For coal measure rocks, s = 0.11 has been found to be appropriate (see later).   

Full implementation of the brittle rock concept also requires the definition of the spalling limit.  As a concept, the spalling limit is not well defined and it needs to be determined empirically (Diederichs et al, 2004).   The height of roof  falls on development suggests that the spalling  limit  for coal measure rocks may be in the order of 3 ‐ 5 assuming isotropic deformation parameters.  This is lower than that inferred in the work on igneous and metamorphic rocks but may be an artifact of the assumption of isotropic deformation properties.   The  inferred spalling  limit  increases  to a value of about 10  if  the independent shear modulus (G) is reduced to simulate the impact of bedding anisotropy.  For coal in the ribs, the spalling limit appears to be greater – about 10 (see later). 

5.3.5 SHEAR  STRENGTH  OF  DISCONTINUITIES 

The shear strength of a discontinuity can be expressed in terms of the Mohr Coulomb criterion: 

τ= c + σn tan φ             Equation 4 

where τ = the shear strength, c= cohesion and σn = the normal stress on the surface (Figure 41). 

For  perfectly  flat  surfaces,  the  cohesion  is  equal  to  zero.    As  discussed  above,  real  world discontinuities are rough and uneven and the effect of this can be considered either  in terms of an effective cohesion or in terms of an apparently high friction angle at low normal stresses.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 41 Strength envelope for a discontinuity  

The Barton Bandis shear strength criterion for discontinuities incorporates the contribution of surface roughness (Barton, 1973): 

τ= σn tan [JRC log10(JCS/σn)+φ]         Equation 5 

where JCS= Joint Compressive Strength. 

τ 

σn 

φ 

Φ + i 

Page 67: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

51 

For bedding partings with a JRC value of 3 in a mudstone of 40 MPa, this relationship gives an increase of 6o to the friction angle for a normal stress of 300 kPa. 

5.3.6 MASS  STRENGTH  

The  strength of  the  rock mass when  considered  as  a  continuum  is of  limited  value  to  the  rockfall problem.  This section is included to give an introduction to the technical literature.  

By definition, the tensile strength of any rock mass is zero. 

5.3.6.1 STONE 

The  Geological  Strength  Index  (GSI),  Hoek  and  Brown  (1997)  provides  the  latest  and  most comprehensive approach  to determining  the equivalent continuum properties of a rock mass when the scale being considered results in more than 2 or 3 sets of discontinuities.  The GSI is an extension of the Rock Mass Rating system of Bieniawski (1976) and can be estimated readily from a number of charts.   Of the available charts, the one created for molasse  (Hoek et al, 2004)  is perhaps the most applicable to coal measures (Figure 42).  The surface conditions for coal measures are best described as  fair – reflecting  the smooth nature of  the bedding partings. The suggestion by Hoek at al  is  that quoting to the nearest 5 points is appropriate.  A GSI of about 50 should be typical for coal measures. 

 

Figure 42 Geological strength index for molasses 

The GSI is used to modify the m and s parameters in the Hoek Brown criterion: 

Page 68: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

52 

mb =mi exp((GSI‐1000/(24‐14D), 

sb=exp((GSI‐100)/(9‐3D)), and 

a= 0.5 + 1/6*(exp (‐GSI/15)‐exp(‐20/3)) 

where D= damage index.  For coal mine roadways excavated with continuous miners, D can be taken as 0.0. 

Brown (2008) suggests that the GSI reductions should not be applied for GSI values greater than 70 or less than 30, not for rocks with a UCS less than 15 MPa. 

5.3.6.2 COAL 

Medhurst and Brown (1998) and Medhurst (1999) provide a method for estimating the mass strength of coal based on the Hoek and Brown failure criterion (Table 13).  The m and s values are related to the vitrinite reflectance values, seam brightness logging, and the σc value is 35 MPa.  For coal, the a value was found to be 0.65.   

Table 13 Hoek‐Brown parameters for various coals 

Vitrinite reflectance 

mi  mb  S 

C5  C4/C3  C3/C2/C4  C2  C1 

0.9‐1.1  20‐16  3.0‐2.4  0.085  0.075  0.07  0.065  0.06 

1.1‐1.30  16‐12  2.4‐1.8  0.08  0.07  0.065  0.0625  0.0575 

1.3‐1.5  12‐10  1.8‐1.5  0.075  0.675  0.0625  0.06  0.055 

Care  is needed when using  these  relationships, particularly  for high brightness, highly  cleated,  low strength coals as  there  is a possibility  to underestimate  the strength.   Medhurst  (pers comm.) also advises that determining the laboratory strength of coal is difficult and is perhaps best estimated by testing at very low confining pressures and then extrapolating.   

 

5.4 DEFORMATION  PROPERTIES 

5.4.1 MODULUS 

Modulus values for the range of coal measure rocks are given in Figure 35.  Ratios of the modulus to the UCS have been found to be reasonably consistent for each rock type (Table 14). 

Table 14 Guidelines for the selection of modulus ratio (after Hoek and Diederichs, 2006) 

Lithology  Modulus/UCS Conglomerates  300‐400 Sandstones  200‐350 Siltstones  350‐400 Claystones  200‐300 Shales  150‐250 

 

Reductions  in  the  laboratory values  (Ei)  to  rock mass values  (Erm) can be made using  the GSI value (Hoek and Diederichs, 2006) whereby: 

Page 69: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

53 

Erm = Ei * [0.02 + (1‐D/2)/(1+exp((60+15D‐GSI)/11))].   

The reduction factor  is shown  in Figure 43 for the case where D = 0.0:  it can be seen that  intact or massive rocks have a value close to unity, and for typical coal measures rocks (GSI = 50) the reduction factor is in the order of 0.3. 

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

GSI

Mod

ulus

redu

ctio

n fa

ctor

 

Figure 43 Modulus reduction for case of damage index = 0 

Brady  and  Brown  (1985)  analyse  the  simple  case  of  parallel  discontinuities  to model  transverse anisotropy  in a continuum model.   They provide equations  to estimate  the equivalent deformation modulus and Poisson’s ratio values as a function of the spacing and properties of the discontinuities (Figure 44).  The trend is for a reduction in the equivalent modulus and Poisson’s ratio normal to the discontinuity as the spacing reduces. 

11.11.21.31.41.51.61.71.81.9

2

0 1 2 3 4 5

Spacing of discontinuites (m)

Equi

vale

nt m

odul

us (G

Pa)

0.13

0.154

0.178

0.202

0.226

0.25Eq

uiva

lent

Poi

sson

s ra

tio

ModulusPoisson's ratio

E=2 GPa,Kn = 10 GPa/mPR=0.25

 

Figure 44 Simple model for the impact of discontinuity spacing on the deformation modulus and Poisson’s ratio 

The  previous  discussion  has  assumed  the material  is  an  isotropic  continuum.    Coal measures  are characterised by the presence of bedding not only as a texture but also as the dominant discontinuity.  It  follows  that  a  better  assumption would  be  a  transverse  anisotropic  continuum with  the major additional  parameter  being  the  independent  shear modulus  (G).    There  is  little  guidance  for  the selection  of  the  independent  shear  modulus  for  coal  measures.    Through  back  analyses  using 

Page 70: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

54 

continuum  codes,  the  principal  author  has  found  values  of  between  30MPa  and  250MPa  give reasonable simulation of fall cavities.  

5.4.2 POISSON’S  RATIO 

There  is  little  information  about  the  variations  in  Poisson’s  ratio  for  different  rock  types, mainly because its value has little impact on 2 dimensional stress models.  As will be seen, this is not the case when in the case of 3 dimensional stress analyses.   

Figure 44 shows  the decreasing  trend  in Poisson’s  ratio as  the spacing of discontinuities decreases.  For rock masses, it can be anticipated that the Poisson’s ratio is less than the laboratory values, and that it increases as the mean stress level increases.   

 

5.5  IN‐SITU  STRESSES 

 

It is not possible to predict the state of stress in the ground from a knowledge of the depth of cover.  The state of stress at any point will vary depending on the depth of cover, the presence of faults, the nature of any discontinuities, and the stiffness of the local rock types.   

The following general rules need to be applied with care.  Ideally, the stress state will be measured at each mine  site.   However,  such a measurement  is unlikely  to be  representative of all of  the mine, especially when faults are traversed.  Furthermore, stress measurements are difficult and expensive.  The  approach  should  be  to  apply  regional  knowledge  of  the  general  stress  field  to  point measurements  at  the  mine  site,  and  particularly  to  observations  of  how  excavations  behave underground.  In the latter case, it is essential not to jump to the paradigm that all roof falls are due to elevated horizontal stresses; in fact this is unlikely to be the case once the roof is supported at the densities typical of current Australian coal operations.   

5.5.1 STRESS  IN  STONE  

Data  from  New  South  Wales  and  Queensland  (Nemcik  et  al,  2006)  show  that  the  ratio  of  the horizontal stress to the vertical stress is typically between 1.0 and 2.5 times at typical mining depths, with even higher values at shallow depths (Figure 45).  Hillis et al (1999) report that 80% of the data from  the Bowen Basin has  the vertical stress being  the  lowest of  the 3 principal stresses, and 17% with the vertical being the  intermediate stress;  in the Sydney Basin 90% have the vertical being the minimum stress.   

Within the limitation of any model for stress magnitudes and directions, the following considerations have proved to be useful: 

• The high horizontal stresses are most  likely related to Tertiary and Recent Age migration of the Australian plate to the north‐north‐east.  

• At depths  in excess of about 200‐250m  the major principal horizontal stress  is  likely  to be oriented north‐north‐east. 

• At depths  less than about 200m‐250m, stress relief to the surface along bedding will mean that the minor principal horizontal stress will be parallel to the dip direction and hence the major principal horizontal stress will be parallel to the strike of the coal measures. 

Page 71: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

55 

• The presence of bedding as the dominant discontinuity means that the vertical stress is likely to be a principal stress. 

• The vertical stress (in MPa) can be estimated as the depth of cover (m) times 0.025 

• Large deviations  in  the general  stress pattern will be encountered around  large  faults and fold structures. 

• A reduction in stress magnitudes should be anticipated near faults. 

• As  a  starting  position,  the magnitude  of  the major  principal  horizontal  stress  should  be assumed to be twice the vertical stress, and the minimum principal horizontal stress should be assumed to be 1.5 times the maximum principal horizontal stress. 

 

Figure 45 Summary of stress measurement data from New South Wales and Queensland coalfields (Nemcik et al, 2006) 

5.5.2 STRESS  IN  COAL 

The stress field in coal is substantially more complex than in stone.  Enever et al (2000) have reported consistently  low  values  of  the minimum  horizontal  stress  based  on  step  tests  during  coal  seam methane  exploration  (Figure  46).    All  the  data  indicate  that  the  vertical  stress  is  either  the intermediate or the major stress.  No definite explanation has been provided. 

The situation  is further complicated as overcore measurements conducted from mine openings  into thick  coal  seams have  revealed  a different  stress  field  again  (Table 15).    There  are not many  test results available and the few that are do show a consistent pattern.  The field data gives a stress field that is not perfectly aligned to the vertical and horizontal.  It is not known if this is measurement error or  a  reflection  of  the  true  stress  orientation.    The  key  observations  are  that  the major  stress  is approximately vertical and significantly less than the vertical stress that would be expected from the depth of cover.  The horizontal stresses are lower than the measured vertical stresses – and as low as 25% in many cases. 

 

Page 72: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

56 

 

Figure 46 Measured minimum stress in coal as a function of depth (Enever et al, 2000) 

Table 15 Compilation of stress measurements taken from under excavations 

  Depth (m)‐ 

Nominal vertical overburden stress 

(MPa) 

“Vertical” stress (MPa) 

Greater “horizontal” (MPa) 

Lesser “horizontal” (MPa) 

Seam A  170  4.3  1.3  0.6  0.3 

Seam B  165  4.1  1.9  1.2  0.5 

200  5.0  2.3  1.0  0.4 

200  5.0  2.6  1.1  0.6 

220  5.5  1.3  0.46  ‐0.27 

Seam C  220  5.5  3.3  4.1  1.3 

Seam D  Tests unsuccessful (Enever and Doyle 1996) 

 

Seedsman  (2004) has speculated on  the mechanisms  that may be acting  to produce  this measured stress field in coal.  He noted that the ratios of the vertical to horizontal stresses are similar to those expected from the vertical  loading with  lateral restraint (Poisson’s ratio effect) and that the vertical stresses  are  lower  than  those  anticipated  from  depth  of  cover.    He  proposed  a model  based  on shrinkage of coal ahead of the mining face as the groundwater (and gas?) pressures are reduced by the mining face.   The overlying stone does not shrink and as a result there  is a decoupling between the stone and the coal.   The coal may undergo some sort of passive failure at this stage (as yet not defined).   Closer  to  the mining  face and as a  result of a broadening of  the dewatering –  shrinkage zone,  the  overlying  stone  sags  and  loads  the  coal  vertically.    These  re‐imposed  vertical  stresses generate horizontal stresses. 

The timing of the reloading needs to be considered.   The discrepancy  in the vertical stress suggests that separation has developed and this must disappear over time.  It is possible that there are lower vertical  stresses  at  the  face  compared  to  outbye.    This matches  observations  underground where there is outbye and /or time dependent deterioration of the ribs.   

Page 73: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

57 

If  the  reloading model  is  accepted,  it  is  possible  to  extend  the  analysis  to  consider  the  impact of intense  cleating  in  the  coal.    For  the  simple  case of a  coal mass  containing a  single  set of parallel discontinuities,  it  can be  shown  that  the  closer  the  spacing of  the discontinuities,  the  lower  is  the Poisson’s ratio of an equivalent transversely anisotropic continuum (Figure 44).  This lower Poisson’s ratio would result in a lower induced horizontal stress in more jointed coal as the coal is reloading.   

5.5.3 FAULTED  GROUND 

In general, stress magnitudes should be lower in faulted ground. 

Elevated deviatoric stresses generate failure initially and this failure may be seen as faults, more often than  not  with  associated  sub‐parallel  joints.    Once  the  rock  is  broken,  the maximum  deviatoric stresses  within  the  broken  rock  are  controlled  predominantly  by  the  frictional  resistance  of  the surfaces  generated  by  the  faulting.    Indications  of  the  scale  of  this  effect  can  be  obtained  by considering passive earth pressures (Herget, 1988) assuming a cohesion of zero (Figure 47).  Nemcik et al (2006) produced similar results through numerical methods.  Brady and Brown (1985) discuss the application  of  specific  tests  for  the  mechanical  acceptability  of  a  stress  state  with  respect  to equilibrium on pervasive planes of weakness.  

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Magnitude of horizontal stress at passive failure (MPa)

Dep

th (m

)

Vertical stress

10°

15°

20°

25°

30°

35°

 

Figure 47 Reduced lateral (horizontal) stress associated with the presence of surfaces with lower frictional resistance based on (a) passive earth pressures, (b) UDEC modeling (Nemcik et al 2006). 

In  Figure  47,  it  can  be  seen  that  the maximum  horizontal  stresses  decrease  as  the  friction  angle decreases – for example as would happen in the presence of slickensided surfaces.  This observation is  important  for  2  reasons:  (1)  it would  suggest  that  horizontal  stresses  are  lower  in  proximity  to thrust faults in clayey rocks than in sandstone rocks, and (2) the poor roof conditions that are typically encountered in the vicinity of thrust faults are not the result of elevated horizontal stresses but are a consequence of the presence of broken rock about the faults.  

 

Page 74: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

58 

5.5.4 TOPOGRAPHY  

For most practical purposes, the influence of topography on the stress field is relatively small.  Some simple  continuum models of a 100m deep valley with valley walls at 62.5o and a 2:1 horizontal  to vertical  stress  field have been  conducted  to demonstrate  this  (Figure 48).    The models  show  that there are concentrations of horizontal stresses  immediately beneath valleys along with  the obvious reductions in vertical stresses leading to increases in deviatoric stresses.  However, the impact of the valley is negligible within about 1.5 times the depth of the valley. 

Hill‐top or ridge‐top mining (Figure 49) will be different with potential low horizontal stresses normal to the ridge line and much higher values parallel to the ridge line.  

2.00

6.00

10.00

14.00

Sigma 1Field stress: gravityGround surface elevation: 1000 mUnit weight of overburden: 0.025 MN/m3Total stress ratio (horizontal/vertical in-plane): 2Total stress ratio (horizontal/vertical out-of-plane): 1.5Locked-in horizontal stress (in-plane): 1Locked-in horizontal stress (out-of-plane): 1Stress Analysis

Ground Elevation : 1000.00

4.00

6.00

8.00

Deviatoric stressField stress: gravityGround surface elevation: 1000 mUnit weight of overburden: 0.025 MN/m3Total stress ratio (horizontal/vertical in-plane): 2Total stress ratio (horizontal/vertical out-of-plane): 1.5Locked-in horizontal stress (in-plane): 1Locked-in horizontal stress (out-of-plane): 1Stress Analysis

2.00

Ground Elevation : 1000.00

10.00

15.00

Horizontal stressField stress: gravityGround surface elevation: 1000 mUnit weight of overburden: 0.025 MN/m3Total stress ratio (horizontal/vertical in-plane): 2Total stress ratio (horizontal/vertical out-of-plane): 1.5Locked-in horizontal stress (in-plane): 1Locked-in horizontal stress (out-of-plane): 1Stress Analysis

5.00

Ground Elevation : 1000.00

 

Figure 48 Effect of topography on stress distribution  

Page 75: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

59 

 

Figure 49 Horizontal stresses in hilltop or ridge mining 

 

5.6 LOCAL  TERMINOLOGY 

 

Over  time,  different  coalfields  have  evolved  different  expressions  for  various  geological  features (Table 16).    Some of  the  terms are  colourful.   There are  some  significant differences between  the usage of the term “cutter” – the USA uses the term for stress induced failures at the rib line while in Australia the term is used to describe the trace of basically vertical joints. 

There is a tendency in Australia to use the term “gutter” as a general term for all roof cracking.  

Table 16 Local geological terminology 

 

 Draw rock  low  strength  shale/coal  that  often  drops  before  bolts 

installed Stack rock, catalogue rock   laminiteHead coal  Top coal, coal topsRash  Carbonaceous shales and coalKettlebottoms  Pot arses – fossilized tree trunksHorsebacks  Roof falls that develop between bolts Hill seam  Dilated vertical joints parallel to the slope Greasy backs  Slickensided surfaceCutter roof (USA)  GutteringWater cracks  Open joints Gutter  Shearing of the roof at the roof/rib corner that tends to 

hade at a steep angle over the roadway. Trench  Joint  bounded  rectangular  cavities  in  the  roof  either 

between bolts or over full width of roadway Channel roof   Arch shaped cavities that develop prior to bolting. Cutters (Australia)  Small scale normal faults or joints

Reduction in horizontal stresses,related to proximity to free face of valley 

Page 76: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

60 

 

6 MINING  INDUCED  STRESS  CHANGES 

 

In this section, both the vertical and horizontal stress changes induced about coal mine roadways and also  the  immediately  adjacent  extraction  areas  are  discussed.    The  focus  is  on  the  stresses  that develop  in  the  immediate  vicinity  of  the  roadway,  and  not  necessarily  on  the  stresses  developed elsewhere in the system. 

There  can  be  no  doubting  that  considerations  of  the  stress  redistribution  is  complex,  involving interactions between the in‐situ stresses and the large longwall goaf, stress redistribution around the roadway  itself, and any body stresses  induced by the deformation and movement of the  immediate rock and coal mass. 

 

6.1 REDISTIBUTION  ABOUT A  LONGWALL 

 

Both the vertical and horizontal stresses are concentrated at the maingate corner (Figure 50).  Vertical stresses in coal have been measured in the context of pillar design (Mark, 1990, Colwell, 1998).  Our knowledge of the redistribution of horizontal stresses about a  longwall  is based on extensive stress monitoring work  conducted  by Dr Gale  and  his  associates  over  the  last  20  years.    In  these  latter studies,  stresses  and  stress  changes  have  been measured  using  hollow  inclusion  cells  installed  in stone above the chain pillars and about 5m ‐ 10m  into the roof.   As will be discussed, these are not the stresses at the roof line.  

6.1.1 MAINGATE  CORNER 

Standard  chain  pillar  design  methods  provide  an  estimate  of  the  vertical  stress  expressed  as  a uniformly distributed load.  The actual stress magnitudes depend on the depth of cover and the width of  the  pillars.    Typically  the  vertical  stress  is  doubled  at  the maingate  corner  (Figure  50).    Similar results can be obtained from a simple 2D elastic stress analysis. At the face/tailgate corner the verticla stress has increased fourfold. 

Measurements of horizontal  stress  concentrations and  reductions about  the maingate  corner have been conducted by SCT (Gale, 2008) and others.  There is a concentration of horizontal stresses above the  chain pillar  at  the maingate  corner  and  a  reduction  in  the horizontal  stresses  above  the pillar behind  the  face  adjacent  to  the  goaf  (Figure  51).    There  is  also  an  increase  in  the  vertical  stress observed above the pillar behind the face. 

Page 77: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

61 

0

10

20

30

40

50

60

Virgin Maingate Bleeder Tailgate Double goaf

Vert

ical

str

ess

(MPa

)

0

1

2

3

4

5

6

Vert

ical

str

ess

as a

pro

port

ion

of th

e vi

rgin

st

ress

40m pillar, 500m depth (MPa)

25m pillar, 250m depth (MPa)

40m pillar, 500m depth

25m pillar, 250m depth

 

Figure 50 Pillar design vertical stresses developed above chain pillars assuming a 200m wide panel. 

 

Figure 51  General pattern of vertical and horizontal stress redistribution (Gale 2008) 

Page 78: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

62 

The magnitude of  the  concentration of  the major principal horizontal  stress depends on  the angle between the stress axis and gateroad direction (Figure 52), with the possibility that there is a doubling of the magnitude at a 45o angle.  A simple 2D elastic analysis produces the same trend with respect to the  angle  between  the  stress  direction  and  the  roadway  but  the  magnitudes  are  higher  –  this indicates  that  some  failure may be developing  in  rock mass  in  the horizontal plane.   This  failure  is likely to be bedding‐plane shear.  

As  will  be  discussed,  the  simultaneous  increases  in  both  the  horizontal  and  vertical  stress  are significant in terms of the stresses induced in the immediate roof of an excavation.  Depending on the concentration factor that applies to the horizontal stress, it is possible that the vertical stress acting in the maingate may become the major principal stress.   

 

Figure 52 Concentration of horizontal stress magnitude at the maingate corner as a function of the angle between principal horizontal stress axis and the roadway direction (after Gale 2008) 

6.1.2 BLEEDER/TAILGATE  

Inspection of Figures 50 and 51 reveals that there are additional vertical stress increases on the chain pillar behind the  longwall  face  (this will be referred to as a bleeder roadway) and reductions  in the principal horizontal stress.   The horizontal stress reduction  is greater than that  indicated from a 2 D elastic analysis.  Tarrant (2006) possibly provides the mechanism for this greater stress relief and also for the  lesser stress concentration at the maingate corner – shear along bedding  in the direction of the goaf. 

The combination of an increase in vertical stress with a decrease in horizontal stress would appear to be  inconsistent with  the  so‐called Poisson’s  ratio effect.   This effect cannot be used  to explain  the generation of stresses near excavations.  Jaeger and Cook (1979) stress that the horizontal to vertical stress  ratio  is  related  to  the Poisson’s  ratio only  in  the  case of  complete  lateral  restraint  (uniaxial strain).  Such complete lateral restraint is not available in proximity to an excavation. 

6.1.3 TAILGATE  CORNER  

Monitoring  of  horizontal  stresses  above  pillars  in  tailgates  has  rarely  been  reported.    The  vertical stresses within the pillar have been comparatively better studied.   Shen et al (2006)  instrumented a 

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

0 20 40 60 80Angle between direction of major principal horizontal stress

and gateroad (degrees)

Con

cent

ratio

n of

the

mag

nitu

de o

f the

pr

inci

apl s

tress

tang

entia

l to

the

long

wal

l exc

avat

ion Range of values 

Page 79: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

63 

tailgate at Ulan at a depth of about 200m and showed that overall the vertical stress increased by 3‐4 MPa while at the same time the horizontal stress decreased by up to about 1 MPa (Figure 53).   The overall pattern in the tailgate is consistent with increase in vertical stresses implicit in the pillar design models (Figure 50) and further reduction in horizontal stresses resulting from more lateral translation of the roof into the now two longwall voids.  

 

Figure 53 Stresses above a pillar in a tailgate (Shen et al 2006). 

 

6.2 REDISTRIBUTION  ABOUT  A  ROADWAY 

6.2.1 BASIC  CONCEPTS 

Pragmatically, stresses and failure state are better understood in 2 dimensions – a vertical stress and one horizontal stress normal to the roadway axis.  In the following discussion, both these stresses are conveniently  taken  to be principal  stresses.   Whilst  this  is a  reasonable assumption  for  the vertical stress on initial roadway development (because the seam dips are so flat), it is not strictly valid for the horizontal  stress  if  the  roadway  is  not  aligned  parallel  to  a  principal  stress.    Also  note  that  the assumption of a vertical principal stress may not be valid once the stresses are redistributed about a longwall goaf.  A simplifying assumption needs to be made such that the magnitude of the horizontal principal stress in the following 2 D models can be calculated from the following relationship: 

K=0.5(L+M) – 0.5(L‐M)cos 2α Equation 6 

Increases in vertical stress

Decreases in horizontal stress 

Page 80: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

64 

p

Kp

W

H

where   K = ratio of horizontal to vertical stress in plane geometry 

  L = ratio of major principal horizontal stress to vertical stress 

  M = ratio of minor principal horizontal stress to vertical stress 

  α = angle between roadway axis and direction of the major principal horizontal stress. 

The reader is encouraged to download Examine2D from the Rocscience web site.  This allows analysis of  elastic  stress  redistribution  about  any  shaped  roadway  to  complement  the  readily  available solutions for a circular excavation.  Whilst the following elastic analyses give invaluable insight, it must always  be  remembered  that  rock  and  coal  masses  are  not  elastic  and  that  even  the  smallest deformations can result in major changes in the way the stresses are subsequently redistributed.    

Elastic solutions are available  for  the stresses  induced about circular and elliptical holes  (Table 17).  Note that the stresses are independent of size of the hole.  For a circular hole, the stresses at the roof centerline are tensile  for K values of  less  than 0.3;  for ellipses with a width/height ratio of 2:1,  the critical K value is 0.5.   

Table 17 Roof and side stresses for circles and ellipses 

Centreline Circle Ellipse Roof or floor P(3K‐1) P(K‐1+2KH/W) Sides  P(3‐K) P(1‐K+2W/H) 

 

These simple equations provide some insight into how coal mine roofs may behave.  For the general stone stress model, where the horizontal stresses are greater than the vertical and hence K is greater than  1,  the  implication  is  that  roadway  roofs  are under  compression.    Importantly  the  coal  stress model, where  the  horizontal  stresses  are  less  than  the  vertical  (Table  15),  implies  that  the  roof stresses may approach the onset of tension.  In the bleeder roadway and particularly the tailgate, the higher vertical stresses together with reduced horizontal stresses will mean a reduction in the K value and the trend to reduced roof stresses if not the onset of tensile stress5. 

Brady  and Brown  (1985)  extend  this  elastic  analysis  of  stresses  to  the  case  of  a  flat  lying  feature (bedding parting?) located towards the top of the excavation (Figure 54).  Should there be slip on such a surface, the result is a reduction in stresses acting in the crown of the excavation.  If such a surface is located above the excavation, the result is an increase in the stresses acting in the crown.   

                                                                 

5 If it is assumed that the rock or coal mass in the immediate roof has zero tensile strength because of the presence of jointing, the actual stresses cannot become tensile because of the onset of failure.  

Page 81: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

65 

 

Figure 54 Effect of planes of weakness on distribution of roof stresses 

6.2.2 ELASTIC  STRESS  REDISTRIBUTION  AROUND  A  RECTANGULAR ROADWAY 

The elastic stress redistribution about rectangular roadways can be readily assessed using Examine2D.  It is emphasized that this simple model assumes no subsequent yielding of the rock.  This should not be used as a reason to dismiss the simple elastic codes in favour of more sophisticated ones because, whilst the  latter may have the numerical ability to handle yielding, the  lack of validated constitutive equations and input parameters means that they are still in the research domain.   

Figures 55 to 57 present the results of the analyses of a typical rectangular roadway with a number of stress fields.  In these analyses the roadway is 2.8m high and 5.2m wide.  Six stress ratios have been considered – K= 0.2, 0.5, 1.0, 1.4, 1.7, and 2.0, with the major principal stress being 10 MPa.   Three stress components are presented: deviatoric stress (σ1 – σ3) which is the driver for compressive/shear failure  (Figure 55), σh – the horizontal stress which,  if tensile, would allow the onset of shear along vertical  joints  (Figure 56),  and  σv‐  the  vertical  stress, which  is  significant  in  terms of  rib behaviour (Figure 57).  A summary of the results is presented in Table 18. 

Table 18 Summary of stresses for rectangular roadway (σ1 = 10 MPa) 

K  Horizontal stress at 0.2m into roof at centerline 

(MPa) 

Horizontal stress 0.1m from rib and 0.1m into roof 

(MPa) 

Maximum deviatoric stress 0.1m from rib and 0.1m into roof 

(MPa) 

Vertical stress at top of rib at 0.2m into rib 

(MPa) 

0.2  ‐5  8.3  19.5  19 0.5  ‐1  13.5  21  22.5 1.0  6  24  27  20.5 1.4  8  22  24  14 1.7  9  22  21  10.5 2.0  10  21  21  9  When the K value  is greater than 1, the contours of deviatoric stress tend to form an arch over the roof line but this does not develop when the K values are less than 1 (Figure 55).  The highest values are at the roof/rib corner with the magnitude ranging from about 30 MPa for a K value of 1.0 to about 21 MPa  for higher or  lower K values.    It  is  this concentration at  the roof corners  that  is one of  the sources of stress guttering.  

Stress reductions 

Stress increases

Page 82: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

66 

From Figure 56, the centreline of the roof has tensile horizontal stress for K values less than 0.5, and the  roof  stress  becomes  increasingly  compressive  as  the  K  value  increases.   Near  the  rib  line  the horizontal stresses are compressive, even for low K values.  The vertical stresses imposed on the rib vary from 22.5 MPa to 9 MPa (Figure 57).  When these values are  considered  in  the  context  of  percentage  increases,  the  variation  is  relatively  small  –  225%  to 180%.  It  is of value  to highlight  that elastic  theory proposes  that  the stresses  in  the roof of an excavation may  reduce  and  become  tensile  in  the  dominantly  vertical  stress  field.    This  result  is  the  direct opposite to that proposed by Colwell and Frith (2006) whereby the Poisson ratio effect is invoked in order  to  induce  elevated  horizontal  stresses  that  are  required  for  their  failure  mechanism.    As mentioned above, the Poisson ratio effect is not applicable adjacent to excavation voids because the requirement for absolute lateral restraint cannot be met.  

K = 2.0  K = 1.7

K = 1.4  K = 1.0

K  = 0.5  K = 0.2Figure 55 Distributions of deviatoric stresses about a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa) 

 

Page 83: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

67 

K = 2.0  K = 1.7

K = 1.4  K = 1.0

K = 0.5  K = 0.2 

Figure 56 Distribution of horizontal stresses about a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa)  

Page 84: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

68 

  

K = 2.0  K = 1.7 

K = 1.4  K = 1.0 

K = 0.5  K = 0.2 

Figure 57 Distribution of vertical stresses about a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa)  

 

Figure 58 presents a number of analyses for low K values, such that the horizontal stress magnitude is significantly  less  than  the  vertical  stress magnitude  (10 MPa).    In  this  case  the  contours  are  the minimum principal stress and only the negative (tensile) values are shown.  The tensile zone is weakly developed at a K value of 0.5 and it increases in height with decreasing K.  Whereas the height of the tensile zones does not change with increasing stress magnitudes, the magnitude of the stresses within the envelope does.   

 

 

Page 85: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

69 

Figure 58 Negative minimum principal stresses induced around a 1.86:1 roadway (σ1 = 10 MPa) 

 

Shear stresses are developed about the roadway, and of particular interest are those that are aligned parallel  to  bedding  surfaces  and  normal  to  the  roadway  centreline.    Shear  displacements may  be induced  along  bedding  if  the  shear  stresses  are  in  excess  of  the  frictional  restraint  that  can  be developed  in  response  to  the normal  load  across  the bedding.    The bedding parallel  excess  shear stress (BPXS) is simply calculated from elastic models as: 

BPXS = τ – σn tan(φ) Equation 7

where   τ  = bedding parallel shear stress σn =stress normal to bedding, φ = friction angle. 

 

Figure 59 provides an example of how the shear, normal, and bedding parallel excess shear stresses develop along a surface 0.2m into the roof of a 5.2m wide roadway.  The values are normalized to the magnitude of the far‐field vertical stress.  It can be seen there are no shear stresses at the centre of span  and  both  the  normal  and  shear  stresses  increase  towards  the  ribline.    The  bedding  parallel excess shear stress peaks about 0.4m from the rib for a surface 0.2m  into the roof and this position trends  towards  the centreline higher  into  the  roof  (Figure 60).    Integrated across  the  roadway,  the maximum BPXS is developed about 0.5m into the roof.  

K=0.2 

K=0.5

K=0.4

K=0.3 

Page 86: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

70 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Excess bedding parallel shear stress (kN/M

Pa)Stress (M

Pa/M

Pa)

Distance across roadway (m)

Normal stress

Shear stress

Excess shear stress

 

Figure 59 Example of shear and normal stresses and bedding parallel excess shear stress assuming a 35o friction angle and K = 2.0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5Distance across roadway (m)

0.5

1

Hei

ght i

nto

roof

(m)

 

Figure 60 Contours of BPXS as a function of height into distance across the roof (expressed as MPa/MPa) 

6.2.3 THREE‐DIMENSIONAL  STRESS  CHANGES  

The analyses to date have been in 2 dimensions.  In the mine, the coal face itself provides restraint to the  immediately  adjacent  excavation  and  this  results  in  changes  in  the  way  the  various  stress components develop.  The following plots are from a 3D elastic boundary element code (Examine3D) and show the stresses developed on a surface 0.2m above the roof line. 

For the case of the deviatoric stress, the maximum values are near the face line and along the rib line (Figure 61).    In  this  analysis,  the  roadway  is  aligned  at 30o  to  the direction of  the major principal horizontal stress and the bias in the stress magnitudes towards one side of the road near the face line is apparent. 

Page 87: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

71 

 

Figure 61 Development of deviatoric stresses at 0.2m above the roof line as the heading is advanced (K=2) 

For  a  stress  field  where  the  vertical  stress  is  the major  principal  stress,  there  is  no  bias  in  the development of  tensile  roof  stresses  and  the peak of  the  tensile  stresses  is distant  from  the  face (Figure 62).  

 

Figure 62 Distribution of negative mean stress in the immediate roof of a roadway for K=0.15 

For bedding parallel excess shear, most of the shear stresses develop close to the face (Figures 63, 64, 65).   Note  that  in  this 3D analysis,  the  shear  stress  that  is considered  is  the bedding parallel  shear stress normal to the roadway centreline.   A key observation that must be emphasized  is the rate at which BPXS develops away from the face – at a distance of 2m, some 75‐80% of the final BPXS has 

Page 88: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

72 

developed.  This observation is critical to understanding how roof bolts are loaded in shear – the bolts are only exposed to the shear stresses that are induced after the bolts are installed. 

 

Figure 63 Three dimensional view of the distribution of BPXS (ignore negative sign)  

 

Figure 64 Vertical slice through Figure 63 showing how BPXS develops (ignore negative sign) 

Page 89: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

73 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Distance from the face (m)

-2

-1

0

1

2

Dis

tanc

e fro

m c

entre

line

(m)

 

Figure 65 BPXS on a surface 0.2m above the roof line 

6.2.4 NON  LINEAR  STRESS  REDISTRIBUTIONS 

It  is well established  that coal mine  roofs deform  into  the excavation as  the  roadway  is advanced.  This deformation  zone  is  routinely  identified with  roof extensometry and  is  loosely  referred as  the “softened  zone”  or  “the  height  of  softening”.    Whilst  the  term  is  somewhat  misleading  as  the observations are simply of vertical movement and the origin of the movement may be dilation across bedding or the onset of compressive failure, the use of the term “softening” does have the advantage of focusing attention on what the impact may be in terms of the immediate roof stresses.  Softening implies a  lower modulus of deformation, which should mean  that  there  is  less of an ability  to bear stresses compared to stiffer units nearby. 

The scale of roof movement and the associated stress redistribution has been demonstrated recently by Mark  et  al  (2007).    These  authors  were  able  to  show  that  even  at  less  than  20mm  of  roof movement; the horizontal stresses were already redistributed into an arch over the roadway (Figure 66).    To quote  from  the paper  “The  orientations  of  the  principal  stresses  increases  imply  that  the immediate roof of the crosscut yielded or “softened” and was not capable of transmitting additional horizontal  stress…….The measurements made during  the  study  showed  that  the additional  stresses were  redirected above  the  immediate  roof of  the  crosscut even before  significant  roof deformation had occurred”.  This redirection continued as the longwall retreated and the roadway was exposed to maingate stress concentrations. 

The same general mechanism can be demonstrated in a 2D continuum numerical model whereby the softening  is simulated by  the onset of compressive  failure.   Figure 67a show onset of brittle  failure above a rectangular roadway.  If the excavation shape is changed to reflect the failure zone, it can be seen not only the stress trajectories are redirected around the failure zone but also how there may be additional failure at the crown of the simulated excavation (Figure 67b).   

Page 90: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

74 

After development, prior to longwall After longwall 

Figure 66 Stress measurements at Emerald Mine 

 (a) Failure zone and stress trajectories developed above a rectangular roadway  

 (b)  Failure  zone  and  stress  trajectories  developed  if  the  failure  zone  acts  as  a  fully softened zone. 

Figure 67 Simulation of stress redistribution above a roadway using an elastic model  

Page 91: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

75 

Further evidence  in support of the non‐linear redistribution of stresses can be found  in the data on stress  relieving  roadways.   Gale  and Matthews  (1992)  reported  that  substantial  relief  from  lateral stress  can be obtained  if  roadways  are driven  close  to  an  earlier driven  roadway  (Figure  68).  The quantification  of  roof  softening  was  not  available  at  the  time,  but  experience  in  the  Southern Coalfield  is  that a bolted  roof – not an overall  collapse –  is adequate  to generate  the  stress  relief.  However, the key point is that Newton’s third law requires that the stress relief is also present within the existing roadway. 

 

 

Figure 68 Concept of a stress relieving roadway 

This non‐linear stress redistribution is particularly problematical when considering the stresses in the roof during the formation of an intersection.  The second roadway is driven in a completely different stress field to that of the first roadway such that the stresses in the intersection roof at the point of breakthrough will be less than those encountered during the straight driveage.  

There is no doubt that this behaviour is a key feature of underground roadway.  Unfortunately, with the current state of the art, it is difficult to incorporate it in numerical analyses, and certainly not in routine design using numerical approaches.   This  limits  the applicability of  the numerical  tools and requires the application of more judgment by the design engineer. 

6.2.5 STRESSES  INDUCED  WITHIN  A  BLOCKY  ROOF  

This  discussion  on mining‐induced  stress  so  far  has  been  based  primarily  on  continuum  concepts (linear and non‐linear).  As discussed earlier, a rock or coal mass is not a continuum and it is possible that its behaviour as a discontinuous medium can significantly modify the stress around an opening.  There is value in considering a block model for the immediate roof and how stresses may be induced by the reorientation of the blocks in response to the formation of the opening.  The simplification to rectangular blocks that is possible with coal measures allows consideration of two simple analogues. 

6.2.5.1 VOUSSOIR BEAMS 

The bedded nature of coal measures allows the ready application of the voussoir beam model (Brady and Brown, 1985).  The concept here is that under situations of no applied lateral force, the incipient 

Page 92: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

76 

rotation of  the  voussoirs  induces  a  lateral  thrust  in  the beam  (Figure  69).    The magnitude of  this induced lateral thrust depends on the span, density and thickness of the beam.  At the point of failure of voussoir beam, the compressive stresses at the roof/rib corner approach the magnitude of the UCS of  the  rock.    An  important  point  to  note  is  that  the  result  of  voussoir  action  is  the  possible development of compressive stresses at the roof/rib corner and tensile stresses at the roof centreline.  An underground observer may observe  the development of  a  “stress  gutter”.    The  voussoir beam model will be discussed in more detail in later chapters. 

 

 

 

 

 

Figure 69  Voussoir beam deformations induce compressive stresses at the roof corners and tensile stresses at the roadway centreline 

6.2.5.2 CANTILEVERS 

If the roof line is exposed to the onset of tensile stress and there is sufficient relaxation such that the joints dilate, it is possible that a cantilever will develop (Figure 70).  The failure of a cantilever in this situation will  be  through  elevated  shear/compressive  stresses  at  the  roof/rib  corner.   Once  again there is the possibility of generating compressive failure in a situation of no imposed horizontal stress at the roof line. 

 

 

Figure 70 Example of a shear surface generated by cantilevering action 

 

0.0530.0530.0530.0530.0530.0530.053

Sigma 1[MPa]

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

-10

12

8 9 10 11 12 13 14

Page 93: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

77 

6.3 OTHER  STRESS  REDISTRIBUTIONS 

6.3.1 TAILGATE  PILLARS 

If there is differential movement between the 2 sides of a roadway, the result is an increase in the bay length of the roof line (Figure 71, after Diederichs and Kaiser, 1999) and a consequence reduction in the  stress  acting  across  the  roof.    The  scale  of  this  effect  is  in  the  order  of  1MPa  to  2MPa  for  a differential compression of 100mm, with a greater  reduction  for  roofs with higher modulus values.  The scale of stress reduction is significant when it is recalled that the stresses at the roof line after the formation of the roadway may be already  low as a result of the stress relief  into the goaf and non‐linear  effects  discussed  above.    A  potential  location  for  such  differential movement  is when  the roadway  is bounded by a yielding pillar or coal  fender and  this  is considered  to be  the basis of  the relationship between chain pillar design and tailgate roof support discussed by Colwell (1998).   

 

‐3

‐2.5

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Stress change in ro

of (M

Pa)

Compression of ribside (mm)

5000 MPa

10000 MPa

15000 MPa

Modulus

 

 Figure 71 Relaxation of a roof line as a result of vertical deformation in one of the sides 

6.3.2 VERY  HIGH  STRESSES  UNDER  OR  ABOVE  PILLARS.   

For multiple seam operations, and particularly when  the seams are close  together,  there may be a significant stress footprint about the existing pillars or goaf edge.  The shape of the footprint has not been measured, but there are indications from mining operations that the significant stress changes extend further than a simple analogy to foundations engineering would suggest.   

Insight  into  the  stress  footprint  can  be  gained  by  considering  the  stress  under  a  rigid  footing  for isotropic and transversely isotropic materials.  When a high level of transverse anisotropy induced by joints or bedding partings  is considered  (modelled by using a  low value for the shear modulus), the distribution of vertical stress changes significantly from that for an isotropic material (Figure 72).   

Page 94: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

78 

11 11User DataSigma YY

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

 

11 11User DataSigma YY

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

 

Figure 72 Stresses under a rigid footing 

The pragmatic  response  should be  to  anticipate  elevated  vertical  stresses when mining within  say 30m of overlying or underlying pillars.   When  combined with what  is  known  about  the non‐linear distribution of horizontal stresses about voids,  it would be prudent to consider the  implications of a very  low  K  value  for  the  stress  field  and  the  possibility  of  induced  tensile  stresses  in  the  roof (Seedsman, 2003).   

 

6.4 COMPILED  MODELS  FOR  STRESS  PATHS  IN  THE  IMMEDIATE  ROOF 

 

Even allowing for depth variations, there  is not a unique stress field acting  in a coal mine roof.   The stress conditions vary depending on the lithology that is present, the stage of mining, the dimensions of the pillars, and the presence of workings in other seams.  Furthermore, the stress field may change in proximity to faults and other major geological features.  Care needs to be taken when interpreting point measurements  at  one mine  site  as  they may  be more  related  to  small‐scale  body  stresses induced by block rotations and not indicative of the overall stress field. 

The situation is not hopeless – it is possible to formulate some general models.  These modes provide the basis from which deviations can be identified and uncertainties identified.   

6.4.1 STONE  ROOF  –  SINGLE  SEAM 

A model for the stress path for a stone roof exposed to an initial stress field of 6 MPa vertical and 9 MPa  horizontal  is  discussed  below  for  initial  development,  the maingate  corner  and  the  tailgate corner (Figure 73).  Deviatoric stresses and minor principal stresses are considered. 

At the point of excavation, the reaction to the overburden load is removed and the vertical stresses at the roof  line vanish.   Until the roof deforms, the horizontal stresses are not yet redistributed.   High deviatoric  stresses  and  bedding  parallel  shear  stresses  develop  immediately.    These  stresses may induce stress guttering at the roof corners, either by compressive failure of  low strength rock or by the incipient deflection of the roof beams.   

As the mining face advances, say to in excess of roadway width, the roof will have deformed to a ‘final state”,  or  in  some  situations  failed  if  overall  compressive  failure  develops.    In  either  case,  the 

Shear modulus = 250 MPa Shear modulus = 8333 MPa

Page 95: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

79 

horizontal  stress  in  the  immediate  roof will have decreased  to very  low values and a  “stress arch” developed higher  in the roof.   Deflections of the bolted roof will generate body stresses associated with the formation of a voussoir beam in the immediate roof (Figure 74). 

At the maingate, increases in both the vertical and horizontal stresses around the retreating goaf will alter the stress arch above the roadway and this may  lead to an  increase  in the height of softening.  There is no direct increase in the horizontal stress acting in the immediate roof because that roof has already  deformed  and  “softened’.    The  extra  “softened” material will  be  an  additional  surcharge loading on the bolted beam which will then cause an increase in the body stresses within the voussoir arch and an indirect increase in the horizontal stresses at the roof line.  This may lead to the onset of stress guttering. 

DEVELOPMENT  MAINGATE TAILGATE Vertical stress : Horizontal 

stress = 6:9 Vertical stress : Horizontal 

stress = 12:10 Vertical stress : Horizontal 

stress = 25:7 

 

 

Figure 73 Evolution of deviatoric and negative minor stresses during longwall retreat 

At the tailgate end of the face, the imposed stress field is now dominantly vertical with a reduction in the horizontal stress due to the presence of the goaf on one side and also behind the faceline.   The stresses within  the stress arch decrease and  there are some very high vertically‐oriented deviatoric 

guttering ?  Increased  size  of softened zone ? 

Loosening of rock in crown  of  softened zone? 

Page 96: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

80 

stresses  at  the  roof/rib  corner.    The  horizontal  stresses  in  the  immediate  roof  remain  relatively constant at  low magnitudes, unless  the chain pillar yields.    In  the  latter case,  reaction  to  the body stresses is lost and the horizontal stresses vanish.  Localised compressive stresses may develop if the roof structure allows the formation of cantilevers. 

 

 

Figure 74 Redistributed insitu and induced body stresses about a roadway with K >0.8 once the roof and floor deflects. 

6.4.2 COAL  ROOF –  SINGLE  SEAM  

The  stress  field  in  coal  just  ahead  of mining  should  be  considered  to  have  all  three  components compressive but with the vertical stress dominant – K values of about 0.2 should be assumed, with even lower values in the presence of closely spaced joints. 

This stress field results in very low horizontal stresses in the roof of the excavations and possibly the onset of tensile stress.  The size of the tensile zone increases away from the face which introduces the risk of falls developing outbye.  If the model of the coal stress field being related to depressurization of the coal and reloading by a gradually deforming overburden applies, there is also the possibility the vertical stress magnitude will increase outbye, but that should not alter the height of the tensile zone unless there is a reduction in Poisson ratio with the higher stress that develop outbye. 

Destressed roof may show signs of elevated body stresses due to block rotations which may mask the overall behaviour (Figure 75).  This is more likely if there are only a few large blocks – multiple small blocks may not be able  to adequately  interact.    It should also be noted  that a destressed coal roof may have dilated joints and cleats such that resin loss is possible. 

At the maingate corner the vertical and horizontal stresses increase, but if K value stays the same the result would be no substantial change in the roof stress conditions.  

With the lack of horizontal roof stresses, coal roofs are particularly exposed to any stress relaxation in the tailgate that could be introduced with a yielding tailgate pillars design. 

Softened zone Vertical  dead  weight  acting  on bolted rock beam 

Stress  arch  induced  in rock beam 

Insitu  stresses  redirected around softened zone 

Page 97: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

81 

 

Figure 75 Redistributed insitu and induced body stresses about a roadway with K <<0.8 once the roof and floor deflects 

 

6.4.3 STRESS  PATHS  IN  THE  RIBS 

The stresses  in coal are dominantly vertical  throughout  the  longwall mining cycle.   This means  that the  ribs are exposed  to progressively  increasing deviatoric stresses dominated by very high vertical stresses and negligible horizontal stresses. 

Destressed roof due to onset of tensile conditions 

Stress  arch  induced  in coal beam 

Page 98: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

82 

 

7 SUPPORT  AND  REINFORCEMENT  TECHNOLOGIES  

 

The  terminology  for  the  various  support  and  reinforcement  elements  is  rather  loose,  and  is  not consistent between mining and civil.    In  the  following discussion  the generic  term “tendon” will be used to highlight the fact that these elements work in tension.   

There are 2 basic approaches to the prevention of roof and rib collapse – support or reinforcement. 

Support implies that the ground did not have, or has lost most if not all, any self‐supporting capacity in the stress regime that  is active at the time.   The term “support” may have  it origin  in the use of props and beams that provided support from underneath the roof.  Nowadays, the full cross‐sectional area of the roadways  is required and the “support”  is most often  in the  form of suspension  from a zone in the roof that is considered to be stable.  Recognising that the objective is suspension, the key aspect of the installed tendons is tensile loading. 

Reinforcement involves conserving or improving the overall rock mass properties and, in the context of  coal measures,  this becomes  the prevention of  shear along bedding.   During  the  reinforcement action, the tendons should be loaded in tension. 

The various technologies can be used in either a support or reinforcement mode.  Essentially the key aspect is the tensile capacity of the tendon.   

In mining,  some  deformation  is  acceptable  and  they  are  implicitly  if  not  explicitly  included  in  the design of openings.  These deformations can come from the dilation of a yielding rock/coal material, from  shear  along bedding, or  from  rotation of discrete blocks.    The  implication of  this  is  that  the tendons  must  have  a  relatively  large  degree  of  tolerance  of  deformation.    The  analytical  tools presented in this report are based on a balance of driving and restraining stresses; deformations are not considered.  Validation of the tools has been through back analysis of existing technologies.  The implication of any differences  in  the post‐yield capacity of  tendons, as compared  to H and X grade steel, needs  to be carefully considered.   Higher strength, but more brittle steel may  leads  to major reductions in roof conditions.    

 

7.1 REINFORCEMENT  ACTION  

 

In a support function, the tendons can be assumed to be loaded simply by dead weight.  The imposed loading is tensile controlled by the mass of the block that is being suspended and the capacity of the anchorage.  

As  defined  above,  the  reinforcement  mode  relates  to  shear  along  bedding  discontinuities.    The reinforcement action can be direct shear of the tendon (guillotine), the dowel effect where the shear resistance is controlled by a bearing failure in the rock, or the friction effect (bolt) where the frictional restraint provided by a closed bedding parting can be exploited (Figure 76).  Coal measure rocks are not strong enough to generate a guillotine effect. 

Page 99: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

83 

 

 

 

 

 

Figure 76 Tendons in shear 

7.1.1 DOWEL  EFFECT 

The dowel effect applies when the bedding surface is open and results in the controlling factor being the compressive strength of the rock.  There are several different equations that describe this effect and all are similar.  Bjurstom (1974) proposes that the dowel resistance (Figure 78) is given by: 

Dowel = 0.67 d2 √(UCS.By)             Equation 8 

where By = yield stress of the steel and d = diameter of tendon. 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dow

el re

sist

ance

(ton

nes)

Rock UCS (MPa)

X grade -650 MPa

S grade -400 MPa

Mild steel - 300 MPa

 

Figure 77 Dowel resistance for 21mm diameter tendons as a function of UCS 

7.1.2 FRICTION  EFFECT 

The friction effect requires closed bedding partings.   Noting that the BPXS has developed to a  large degree by the time any tendons are installed, there is a high likelihood that bedding partings will be open during  the bolting.    Installing  fully grouted dowels can  lock  in  the bedding parting open.   The pragmatic ways of closing any open bedding parting  is either to pretension the bolt against a point anchor, or to jack‐up the roof by reacting against the floor.   

Guillotine  Bolt Dowel 

Page 100: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

84 

There is also the requirement that the bedding stays closed during any deformation – the trend of the plunge of the bolt needs to be vertical or in the opposite direction to the sense of subsequent shear (Figure 78).  For coal mine roadways this means either vertical or fanned outwards. 

 

Figure 78 Importance of bolt angle in maintaining closed bedding 

For rational bolt orientations and shear displacements, the frictional resistance of a bolt (Figure 78) is given by: 

Bolt Friction = U*tan(φ)             Equation 9 

where U is the tensile load in the bolt. 

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350

TENSILE LOAD IN BOLT (kN)

SHEA

R R

ESIS

TAN

CE

(TO

NN

ES)

20

25

30

35

 

Figure 79 Frictional shear resistance provided by bolts 

Comparing Figures 79 and 77,  it can be seen that the same X grade tendon can provide either say 5 tonnes (as a dowel in 45 MPa rock) or 24 tonnes (as a bolt across a closed parting with a 35o friction angle). 

Increase in shear resistance due to greater frictional restraint and tensile stress in tendon 

Decrease in shear resistance as a result of loss of frictional restraint 

Page 101: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

85 

 

7.2 TENDONS 

 

For completeness, a listing of the most common bolts used in Australia is provided below along with a table of typical bolts used in USA. 

Table 19 Summary of Australian bolt types 

Grade  DSI X  DSI H  DSI S  DSI AVH  Jennmar JX Bolt Diameter (mm)  23.2  23.2   23.2  22.5  24 Core Diameter (mm)  21.7  21.70  21.7  20.7  21.7 Yield Strength (MPa)  650  400  300  775  650 Yield strength (kN)  240  150  110  260  240 Ultimate Tensile Strength (MPa)  920  680  475  935  890 Ultimate Tensile Strength (kN)  340   250  175  315  340 Standard elongation (%)  15  22  35  14  19 Uniform elongation (%)  8  10  12  3   

Table 20 Summary of tensile strength of USA bolt types 

  40  60  75  90 Yield load (kN)  340  480  585  690 

Reference  Diameter 5  18.1mm  88  124  151  178 6  21.8mm  126  178  217  256 7  25.4mm  172  243  296  349 8  29.0mm  225  317  386  456 9  32.6mm  284  401  489  577 

Ultimate load (kN)  550  720  790  930 5  18.1mm  142  186  204  240 6  21.8mm  204  268  294  346 7  25.4mm  278  364  400  470 8  29.0mm  363  476  522  614 9  32.6mm  460  602  660  777 

Table 21 Long tendons 

Type   HiTen  Flexibolt 

TG Cable  Bowen Cable  SSB  Megabolt 

Features  Plain strand cable resin capsules 

Internal breath tube 

Bulbed strand along full length 

Strand with bulbed 

anchorage 

Straight indented wires Internal tube 

Diameter (mm)  23.4  28  21.8 Bulbs: 32‐38 

21.8  Bulbs : 32‐18 

27‐39 

Hole diameter (mm)  28  38‐42  42‐45  35‐55  35‐45 Yield strength (kN)  500  560  525  525  480‐870 Ultimate strength (kN)   580  630  590  590   

N.B. Capacity may be limited by the barrel and wedge strength 

 

Page 102: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

86 

 

7.3 ANCHORAGES  

 

Overwhelmingly  in  the  Australian  coal  industry,  the  anchorages  are  resin‐based  to  allow  rapid installation.  Post grouting is typically done with cementitous grouts. 

The  design  of  the  anchors  can  be  based  on  the  ground  anchor  approach  in  civil  engineering (Littlejohn, 1993).   Recognising  that  the  strength of  the  resins  is  in  the order of 70 MPa, which  is stronger  than many of  the  coal measure  rocks  (Figure 35),  failure will  take place at  the  resin/rock interface, assuming  that  the  steel/resin  interface  is adequately  rough.   The pull out  capacity of an anchor(Tf) is given by: 

Tf = c * 3.14159*d*L             Equation 10 

where c = UCS*(1‐sinφ)/(2*cosφ), L= length, and d = diameter of hole. 

It  is recommended to apply a relatively high factor of safety for cartridge based systems to account for uncertainties with mixing and gloving.  Civil engineering would have a minimum of 2.0 for cement grout systems, and  for mining  this value would be appear  to be appropriate.   Figure 80 provides a simple design chart for the length of grouted anchorage for each tonne of bolt load.   

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

10 15 20 25 30 35 40

Unconfined compressive strength (MPa)

Leng

th o

f anc

hora

ge @

fact

or o

f saf

ety

of 2

.0 (m

/tonn

e)

283032354555

Hole diameter

friction angle = 30o

 

Figure 80 Recommended minimum anchorage lengths in coal measure rocks with resin anchorages 

It is noted that this approach indicates that large holes provide shorter anchorages.  It is essential to note that this assumes ideal resin mixing – which may not be possible with a large annulus that could result if standard diameter bolts are used in large holes. 

Equation 10 can also be used in reverse, to estimate the UCS from the results of short encapsulation length pull tests, once an assumption is made regarding the friction angle.  

Page 103: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

87 

 

7.4 STRAPS  AND  PANELS  – SKIN  RESTRAINT 

 

Australian  coal mines use  straps or mesh panels, not  shotcrete.   The  task of  straps or panels  is  to protect the operators from the fall of scat and to provide restraint to the roof if there is a tendency for the roof to collapse between the bolts.  From a pragmatic operation perspective, straps and mesh also assist in the correct location of the bots.  The straps or panels transfer vertical loads to the bolt collars.  The mechanics of this transfer are complex as the loading is orthogonal to the orientation of the strap or panel.   

If the roof is under compression and has not suffered overall failure, the loading on the strap or mesh is relatively low and is related to the collapse of thin slabs of the immediate roof (say in the order of 0.5 tonnes for bolts spaced 2m apart).  If the roof has failed under either compressive or particularly tensile  loading  conditions,  the  loads on  the  skin may be  significantly higher  (readily  in excess of 5 tonnes). 

Failure of the strap or mesh will be at the bolt locations and may be due to vertical shear through a rigid membrane or tensile failure if deformations are allowed to develop – the latter is considered the likely mechanism for steel straps or panels. 

Coates (1970) provides an analysis of the loading of straps or panels on the assumption that it forms a catenary.  The tension (T) induced in the mesh can be estimated by: 

T = Pvs2/(8q)            Equation 11  

where Pv is vertical pressure on mesh, s is bolt spacing, and q is the sag of the mesh.   

A design chart based on this equation is given in Figure 81.  Inspection of this chart shows that very high  loads  can  be  readily  induced  in  a  strap  or mesh  panel  especially  if  large  deflections  do  not develop.  The more the membrane deflects, the lower are the induced loads.  

There are no data on the loading and failure of coal mining panels, but there are data on simple mesh panels  used  in  the metal mines  (Figure  82).    For  the mesh  of  5mm  diameter wires,  the  ultimate capacity  is  about 2  –  3  tonnes  after  about 100mm  to 300mm deflection.   Note  that  each weld  is typically  certified  at 0.85  tonnes,  so  the ultimate  load  represents only about 3 welds –  this  is not surprising once it is recognised that ultimately the load on the mesh is transferred to 2 wires reacting against a bolt or cable collar. 

For W  straps,  reference  can be made  to  the bearing  capacity of bolts  in  sheet  steel, whereby  the bearing resistance per bolt, Br, can be computed in accordance with the following equation;  

Br = C d t Fu               Equation 12  

where C = 3  for  this geometry, d = nominal bolt diameter,  t = sheet  thickness, and Fu = tensile strength of steel sheet. 

For 350 grade 1.9mm thick steel sheet, this represents 4.2 tonnes.  This suggests that W straps could be twice as effective a mesh panels in this loading condition. 

 

Page 104: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

88 

0.1

1

10

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Applied load (tonnes)

Indu

ced

load

in m

embr

ane

(tonn

es)

50mm deflection, 0.5m bolt spacing50mm deflection, 1m bolt spacing50mm deflection, 2m bolt spacing100mm deflection, 0.5m bolt spacing100mm deflection, 1m bolt spacing100mm deflection, 2m bolt spacing200mm deflection, 0.5m bolt spacing200mm deflection, 1m bolt spacing200mm deflection, 2m bolt spacing

 

Figure 81 Loading of a strap or panel if loaded as a catenary 

 

Figure 82 Results of loading 1.5m and 2.0m square mesh panels (Thompson, 2004) 

Page 105: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

89 

8 PREVENTION  OF  ROOF  COLLAPSE 

 

The  previous  sections  have  outlined  the  range  of  geological  and  strength  conditions  that may  be present in the roof of a coal mine and have discussed the range of stresses that can be applied or are induced  about  a  coal mine  roadway.    This  section  provides  specific  steps  in  a  framework  for  the specification of support or reinforcement to prevent roof collapse. 

The basis  for  the  framework  is  the  “logical methodology  for mine excavation design” presented  in Brady and Brown (1985) and subsequent editions.  The logical methodology was initially proposed for massive rock cut by one or two discontinuities, but  in  later editions  its application was extended to moderately jointed rock.   Brady and Brown also emphasize that the presence of failed zones around a mining opening  is common; the mining problem  is not necessarily to prevent failure but certainly to prevent uncontrolled displacement of rock from the boundary of the excavation. 

There are 4 fundamental steps in the framework that lead to 5 different roof support designs (Figure 83).  Because of the complex stress path that a coal mine roof can undergo during longwall extraction, the  steps  in  the  framework may  need  to  be  applied  at  least  3  times  –  initial  roadway  formation, maingate corner, and tailgate corner.  The steps are: 

1. Check for the presence of non vertical joints – the operational concern is that such joints can define “key blocks” that are unstable  in any stress regime and may be difficult  to support with  the  support hardware and drill  rigs on  standard  continuous miners.    Such  joints are more likely to be present around faults, but should be anticipated to be present anywhere. 

2. Check for the possibility of overall compressive failure.  This condition is the major hazard at the maingate.  It may also develop on initial roadway formation, particularly at low depths of cover where weathering/alteration effects have reduced rock strength.  It would appear that  current mining  depths  in  Australia  (less  than  550m)  do  not  induce  such  failures  in “standard” roof rocks. 

3. Check for the possibility of tensile horizontal stresses in the roof.  This condition should be anticipated for coal roofs, tailgates where the chain pillar  is designed to yield, under pillar and goaf edges in multiple seam mining, and when mining close and parallel to valleys and highwalls.  

4. Assess whether  large unsupported spans can be formed.    It will be shown that a spanning unit needs  to be only  0.25m  ‐  0.3m  thick.   While  intrinsic  geological  variability does not allow the assumption that such roof is always present, it may be possible to test its presence by taking an extended cut (unsupported) longer than the roadway span.   

5. If such a test cannot be made on each cut, the roof design must be based on the assumption that  thinly bedded units  are present  that need  to be  reinforced  to  stop bedding parallel shear.    Because  the  behaviour  of  bedded  roof  is  non‐linear  and  there  are major  stress redistributions  in the roof after only very small deflections, this reinforcement needs to be considered only at the time of initial roadway formation.  

Page 106: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

90 

NON-VERTICAL JOINTS ? Y

N

COMPRESSIVEFAILURE ? Y

N

TENSILEFAILURE ? Y

N

CHANGE LAYOUTSUSPENSION

STABLE OVEREXTENDED

CUT ?Y

N

REINFORCEMENTSKIN RESTRAINT

SUSPENSIONCROSS MEMBER

SUSPENSION LONG TENDONSCROSS MEMBER

SKIN RESTRAINT

 

Figure 83 Logical framework applied to coal mine roof support 

The analyses contained within the 4 steps utilise relatively simple elastic stress models applied to a number  of  pre‐identified  failure  modes.    A  limit  equilibrium  approach,  balancing  driving  and restraining stresses, is used to quantify the support or reinforcement requirements.  In common with good engineering design practice and where possible, calibration/verification  is sought by reference to actual mine experiences and this  is used to provide guidance on the  initial selection of factors of safety.   

Page 107: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

91 

 

8.1 NON‐VERTICAL  JOINTS  

 

For  the mining geometries and  roof bolters  that are used  in Australia,  the presence of a  joint or a series of parallel joints dipping at less than a certain threshold and normal to the roadway centerline is a major hazard  in any roof stress regime  (Figure 84).   For a compressive stress regime, shear can develop  along  the  joints;  conversely  for  a  tensile  regime  the  blocks  can  fall  under  gravity.  Furthermore,  a  standard  roof bolt pattern  is unlikely  to  intersect  the  joints  and provide  adequate reinforcement.   Note  that  loading  on  the  skin  restraint  (straps  or mesh)  could  readily  exceed  the available capacity. 

 

Figure 84 The hazard of parallel non vertical joints. 

The model in Figure 84 is only in 2 dimensions.  There is a need to consider the trend or strike of the joint with respect to the roadway axis.  Direct analogy with rock slope design practice would suggest that the hazard is reduced if the strike of the joints is greater than 20o from the trend of the roadway.  The  authors  are  not  aware  of  any  specific work  on  the  appropriate  angle  for  roof  geometries  so recommend  this  analogy  should be  validated by mine  site observations  and not  relied on without challenge. 

Non‐parallel joints can form wedges or triangular roof prisms that will simply fall from the roof (Figure 85).  Whilst this hazard cannot be ignored, in some ways these represent a lesser hazard in the coal mining sector as they will tend to collapse prior to the  installation of the support.   Furthermore this condition will most likely be related to the presence of faults and the support regime will have already been modified.  

Page 108: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

92 

 

Figure 85 Non‐parallel joints defining triangular prisms 

8.1.1 COLLAPSE  MODEL 

The system shown in Figure 85 collapses when shear develops along the joints.   

There is a need to consider the stress conditions that are active in the roof.  Close to the mining face, before the roof has deflected, the stress field near the roof line with a stone roof will be characterized by a high horizontal compressive stress.   For coal  roof,  the horizontal roof stresses may already be very low.  Back from the face, and also in the tailgate, the roof may relax and the horizontal stresses vanish.  In that case, the major stress will be vertical – related to the self weight of the block. 

For the compressive stress regime, the critical dip angle  in the  immediate roof  is 90  ‐ φ, where φ = friction  angle on  the  joint.    For  typical  roof  lithologies  and  joint  roughness,  an  appropriate  critical minimum acceptable dip is 65o.  This means that the hazard could develop if the joints dip at less than 65o. 

Figure 86 is based on the method of Brady and Brown (1985) for symmetric triangular prisms and can be used to estimate the likely roof stresses that were present prior to a joint‐bounded fall.  Note that for  these  triangular  prisms  a  relatively  low  horizontal  stress  stabilizes  the  roof.    The  reference provides the basis for more detailed analyses of different prisms.   

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

0.01 0.10 1.00 10.00

Horizontal stress in the roof (MPa)

Sta

ble

dip

of jo

ints

form

ing

a sy

met

rical

tria

ngul

ar ro

of

pris

m

25 degrees35 degrees45 degrees

1m high prism,density = 2.5 t/m3

 

Figure 86 Relationship between joint dip, joint friction and horizontal roof stress for a stable symmetric prism  

Page 109: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

93 

8.1.2 SUPPORT  DESIGN 

It is not possible to give specific recommendations on how this sort of ground can be supported.   

The orientation of  the  joints and  the available bolt angles makes  it unlikely  that  the  joints  can be reliably intersected and then reinforced with bolts. 

One approach could be to  invoke suspension from more stable ground.   The mass of potential  joint bounded blocks  can be  readily determined  from knowledge of  the  joint geometries and bolt/cable density and length assessed.   

An  alternative  is  to  strap  or mesh  at  the  roof  line  across  the  joints.    In  this  approach would  be necessary to consider the loads that may be induced on the membrane.  A more closely‐spaced bolt pattern will probably be needed to achieve this outcome.  

8.1.3 COMMENTARY   ON   DESIGN   TO   PREVENT   COLLAPSE WITH   NON‐VERTICAL  JOINTS 

Non‐vertical  joints  in  the  roof  are  a  particular  hazard  that  should  not  be  ignored.    The  actual conditions  that  a  mining  crew  may  encounter  may  be  difficult  to  characterize  in  advance.  Furthermore,  the  signs of  the presence of  such  joints may be  subtle and difficult  to  identify.    It  is essential that the crews are made aware of the hazard and the need for close observations. 

Many  zones  of  non‐vertical  joints will  be  found  to  be  related  to  fault  structures.    If  they  can  be anticipated in advance, it would be good practice to seriously consider the alignment of roadways so that they are at least 20o away from the fault trends. 

Recognising  the  severity  of  the  hazard,  trigger  action  response  plans  (TARPS)  for  the  face  crews should be based on either: 

• Stop mining and seek advice if dipping joints are trending within 20o of the roadway trend, or 

• Install a relatively intense pre‐determined support pattern.   

The  presence  of  non‐vertical  joints  is  the  defining  feature  of metaliferous mines  (Figure  5).    By recognizing  the  difficulties  in  securing wedges,  it  is  perhaps  understandable why  that  sector  has tended to use rock mass rating systems as the basis of their roof support design.  Equally important is the recognition of the advantages of the drill and blast mining system in such rock masses – extended cuts, high blast vibration to dislodge joint blocks, and a greater operational tolerance of overbreak. 

 

8.2 COMPRESSIVE  FAILURE 

 

In  this  failure mode,  there  is  an overall  compressive  failure of  the  rock mass  induced due  to high deviatoric stresses compared to the compressive strength of the rock.   The  failed volume of rock  is then assumed to undergo a gravity‐driven collapse.  Roof collapse is prevented by the suspension of the rock mass from unfailed material higher up. 

Page 110: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

94 

To maximize the ease of use of this compressive failure mode, the rock mass will be considered as an elastic  isotropic  continuum with brittle  failure properties.    The  validity of  these  simplifications  are tested against  two published case studies.   The simplifications allow  this  failure mode  to be readily examined using freely available software (Examine2D).   This report presents some simple equations that  can be used  to  rapidly assess  the  likelihood of  compressive  failure.   A more accurate analysis could  be  obtained  using more  sophisticated  codes  such  as  Phase2  or  FLAC  that  allow  layering  of different materials.  Such effort will produce a fuller understanding of the mechanics of roof condition but may produce only marginal  improvements  in  the support design due  to  the  limitation of being able to characterise the materials to enable more sophisticated plasticity approaches.  

8.2.1 COLLAPSE  MODEL 

Figure 87 presents the results of two Examine2D models for a brittle material with a UCS of 10 MPa.  Contours of the strength factor are presented.   The classic representation of stress guttering can be seen whereby there are zones of more failure (low strength factors) at the roof corners.  In the first case,  it  is possible that roof bolts could be used to suspend the fall mass,  in the second case  longer tendons would be required. 

 

Figure 87 Two analysis of brittle strength factor using Examine2D showing zones of brittle failure and possible bolting and cable patterns. 

A series of analyses of a 5.2m wide, 2.8m high roadway in 10MPa rock have been conducted with the major principal stress of 10 MPa, and the two other stress components equal (Table 22).  In general, low  values of  the  strength  factor define  zones at  the  corners and higher  values extend across  the roadway.   A  series  of  analyses with  different  K  values  allowed  the production  of  Figure  88 which shows the maximum height of the various contours of the strength factor for different K values.  The surface defined by these 3 variables is distinctively non planar. 

Table 22 Data base for brittle failure analyses 

Horizontal stress (MPa)

Vertical stress (MPa)

Strength factor Maximum height (m)

K RSI @UCS=10MPa

10.00 5.00 0.525 6.37 2.00 3.81 10.00 5.00 0.5 5.57 2.00 4.00 10.00 5.00 0.45 4.39 2.00 4.44 10.00 5.00 0.4 3.42 2.00 5.00 10.00 5.00 0.35 2.54 2.00 5.71 10.00 5.00 0.3 1.33 2.00 6.67 10.00 6.67 0.65 6.44 1.50 2.31 10.00 6.67 0.6 5.65 1.50 2.50 10.00 6.67 0.55 4.90 1.50 2.73 10.00 6.67 0.5 4.21 1.50 3.00 10.00 6.67 0.4 2.92 1.50 3.75

Page 111: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

95 

Horizontal stress (MPa)

Vertical stress (MPa)

Strength factor Maximum height (m)

K RSI @UCS=10MPa

10.00 6.67 0.35 2.24 1.50 4.28 10.00 6.67 0.32 1.44 1.50 4.69 10.00 7.14 0.7 6.50 1.40 2.00 10.00 7.14 0.6 5.21 1.40 2.33 10.00 7.14 0.5 4.03 1.40 2.80 10.00 7.14 0.4 2.86 1.40 3.50 10.00 7.14 0.35 2.16 1.40 4.00 10.00 7.14 0.33 1.63 1.40 4.24 10.00 7.14 0.32 1.46 1.40 4.38 10.00 6.25 0.6 6.19 1.60 2.67 10.00 6.25 0.5 4.47 1.60 3.20 10.00 6.25 0.4 3.05 1.60 4.00 10.00 6.25 0.35 2.32 1.60 4.57 10.00 6.25 0.31 1.36 1.60 5.16 10.00 8.33 0.8 6.05 1.20 1.50 10.00 8.33 0.7 5.28 1.20 1.71 10.00 8.33 0.6 4.47 1.20 2.00 10.00 8.33 0.5 3.61 1.20 2.40 10.00 8.33 0.4 2.62 1.20 3.00 10.00 8.33 0.35 1.98 1.20 3.43 10.00 8.33 0.34 1.77 1.20 3.53 10.00 10.00 1.2 6.44 1.00 0.83 10.00 10.00 1.1 6.08 1.00 0.91 10.00 10.00 1 5.72 1.00 1.00 10.00 10.00 0.9 5.30 1.00 1.11 10.00 10.00 0.8 4.86 1.00 1.25 10.00 10.00 0.7 4.39 1.00 1.43 10.00 10.00 0.6 3.88 1.00 1.67 10.00 10.00 0.5 3.23 1.00 2.00 10.00 10.00 0.4 2.39 1.00 2.50 10.00 10.00 0.35 1.73 1.00 2.86 10.00 5.55 0.55 6.10 1.80 3.28 10.00 5.55 0.5 4.97 1.80 3.60 10.00 5.55 0.45 4.05 1.80 4.00 10.00 5.55 0.4 3.26 1.80 4.50 10.00 5.55 0.35 2.43 1.80 5.15 10.00 5.55 0.31 1.36 1.80 5.81 10.00 7.52 0.7 6.02 1.33 1.90 10.00 7.52 0.6 4.92 1.33 2.22 10.00 7.52 0.5 3.88 1.33 2.66 10.00 7.52 0.4 2.80 1.33 3.32 10.00 7.52 0.35 2.11 1.33 3.80 10.00 7.52 0.325 1.55 1.33 4.09 10.00 7.69 0.75 6.36 1.30 1.73 10.00 7.69 0.7 5.83 1.30 1.86 10.00 7.69 0.6 4.80 1.30 2.17 10.00 7.69 0.5 3.84 1.30 2.60 10.00 7.69 0.4 2.76 1.30 3.25 10.00 7.69 0.35 2.07 1.30 3.71 10.00 7.69 0.325 1.52 1.30 4.00 8.33 10.00 1.1 4.87 0.83 0.91 8.33 10.00 0.9 4.11 0.83 1.11 8.33 10.00 0.8 3.75 0.83 1.25 8.33 10.00 0.7 3.38 0.83 1.43 8.33 10.00 0.55 2.62 0.83 1.82 8.33 10.00 0.5 2.42 0.83 2.00 8.33 10.00 0.45 2.11 0.83 2.22

Page 112: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

96 

0

1

2

3

4

5

6

7

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Strength factor - brittle failure

Max

imum

hei

ght o

f abo

ve ro

of li

ne (m

)

2.001.801.601.501.401.301.201.000.83

Horizontal/vertical stress ratio (K)

 

Figure 88 Relationship between height of strength factor and the K value for a 5.2m by 2.8m roadway and a major principal stress of 10 MPa 

The  simplicity of  the brittle  rock parameters  (only a  single compressive  strength parameter, as  the friction angle is zero) combined with an elastic analysis allows a number of easy parametric studies as it can be shown that the contours in Figure 89 are constant for the same strength/stress ratios.   

The  roof strength  index  (RSI)  is defined as  the  ratio of  the unconfined compressive strength of  the rock  to  the  vertical  stress.    Plots of RSI  against height of  failure  for different  K  values  (Figure  89) indicate  that  they may define a  surface  that  is  close  to planar, at  least  for heights of greater  than 1.5m.  A multiple linear regression gives the following relationship for the height of failure defined by a strength factor = 1.0 (Hf):   

Hf (m) = 1.25 + 6.12K ‐ 1.94RSI (r2=0.97),          Equation 13 

 only for heights greater than 1.5m.   

The equation is extrapolating for K values of less than 0.83, and should not be used for K values less than 0.6.  A comparison of the actual and fitted data shows that there is a systematic error in the fit, with  a  potential  error  of  0.5m, which  is  judged  to  be  acceptable.   A  brief  study  of  the  impact  of different  roadway heights  suggests  that  there are  small differences  in  the  strength  factor contours near the roof/rib corners but no significant differences in the contours for heights above 2m (Figure 91). 

The roof strength index is defined in this way as it is readily calculated from standard geophysical logs – the UCS can be calculated from the sonic velocity logs and the vertical stress can be calculated from the density log.  The RSI has the same formulation as the Competence Factor (Muirwood, 1972). 

Page 113: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

97 

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

0 1 2 3 4 5 6 7

Roof strength index

Max

imum

hei

ght o

f fai

lure

(m)

2.00

1.80

1.60

1.50

1.40

1.30

1.20

1.00

0.83

Horizontal/vertical stress ratio (K)

 

Figure 89  Height of failure as a function of roof strength index for various K values 

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

Multiple linear regression value

Num

eric

al a

naly

sis

valu

e

 

Figure 90 Comparison between the results of multiple linear regression and the numerical data 

 

 

 

Figure 91 Slight changes in failure zones near the excavation with no difference beyond 2m  

2.2m high      2.8m high 3.3m high 

Page 114: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

98 

8.2.2 SUPPORT  DESIGN 

Rock  that  has  undergone  compressive  failure  should  not  be  assumed  to  have  any  self  supporting capacity.  The appropriate strategy is to suspend the failure mass from above.  The design requires a prediction of the height and weight of the failed zone.  

An equation for the height of failure based one specific roadway dimension has been determined and it would appear to be applicable for different roadway heights.  It can used to estimate the length of the tendons and the required capacity. 

The height of compressive failure is either,  

Hf(development) = 1.25 + 6.12K ‐ 1.94RSI         Equation 14 

Hf (longwall)         = 1.25 + 6.12(K*(Lf/Mv) ‐1.94RSI/Mv     Equation 15 

where Lf = the horizontal stress concentration at the maingate corner (Figure 52), and Mv = maingate vertical concentration (Figure 50, assume= 2?). 

The  shape  of  the  strength  factor  contours  is  not  readily  amenable  to  curve  fitting  to  allow  the contained area to be determined by integration.  It is assessed that a reasonable approximation to the area under the curve is 0.7 times Hf * roadway width. 

An alternative approach is to determine the RSI value which defines a height of failure that potentially overrides  the primary bolts.    For example, allowing  for  the bolt  tail and  the anchorage,  the active length of a 2.1m bolt may be 1.8m.  Setting Hf to this value on development, the minimum RSI that would permit primary bolt only is: 

Minimum RSI (2.1m bolt) = 3.15 K – 0.28.           Equation 16 

The following is an example of how the support design could progress: 

Input: Depth of 250m, sonic velocity = 3240 m/sec, indicated UCS = 27, average density = 2.4 t/m3. L = major horizontal/vertical stress ratio = 1.6, M = minor horizontal/vertical stress = 1.4, roadway driven at 20o to the major principal horizontal stress.  Secondary support is to use 45 tonne cables installed in 28mm holes.  

Design values: Vertical stress = 250*2.4*0.0098 = 5.88MPa, RSI = 27/5.88 = 4.59, Mv = 2.0, Lf = 1.75, K = 1.42.  Assume a friction angle of 30o. 

Output:  Height of compressive failure – development = 1.1m, mass of failed volume – development = 9 tonnes, height of compressive failure – maingate = 4.4m, mass of failure volume – maingate = 39 tonnes.  Anchorage length = 1.31m. 

Interpretation: 

The height of compressive failure on development is 1.1m which is less than the length of the primary roof  bolting  that  is  to  be used.    The  dead weight of  9  tonnes  is  very much  less  than  the  installed capacity of  the primary bolting.   No additional  support on development  is  required.   The height of compressive failure at the maingate  is 4.4m which  is higher than the  length of the roof bolts.   Long tendon support will be required prior to longwall retreat.  A pattern of 2 by 50 tonne cables every 2.4m would be adequate to suspend the potential fall mass, and a pattern of 2 every 2m would give some 

Page 115: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

99 

contingency.    Long  tendons would  need  to  be  6m  long  if  installed  along  the  centreline  or  less  if installed in pairs across the roadway. 

 

Case Study #1 Kestrel Mine 

The  roof  strength  index has been used  in a  study of maingate  failure  in Kestrel Mine  in Central Queensland (Gordon and Tembo, 2005).  The trend at this mine has been for long tendon support to be required at shallow depths and not at greater depths where the overall stresses would tend to be higher.    It was  found  that an RSI value of 3.5 was a good predictor of  the need  to  install additional roof bolts on development and to install cables prior to longwall retreat.  A value of less than 3.2 was a good predictor for the need to install cables on development.  At Kestrel, the UCS was predicted from sonic velocity logs. 

The minimum RSI value at the adjacent Gordonstone operation was about 2.5 and this operation was characterized with very difficult development roof conditions requiring  long  tendon support on development.   Similar  low  strength  roof units are also present  in  the adjacent Crinum Mine (payne, 2008) 

In these operations the roof bolts were 2.1m long.  The horizontal to vertical stress ratios was 1.2 and 1.6 and the gate roads were aligned sub‐parallel to the major principal horizontal stress. 

The  figure  shows  the  relationship  between  the  RSI  and  the  height  of  brittle  failure  on  the assumption  that  the  longwall  stress  concentration was  1.2.    Recognising  the  variations  in  roof strengths and the uncertainties in the stress information, it is considered that there is reasonable agreement between the mining conditions and a mode of when the bolts could be over‐ridden by a failure zone. 

 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0

RSI

Hei

ght o

f com

pres

sive

failu

re (m

)

DevelopmentMaingate

 

Figure CS1‐1 Height of compressive failure as a function of the RSI for the stress assumptions at Kestrel 

Page 116: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

100 

 

 

Case study # 2 ‐ Emerald Mine 

Emerald Mine  has  been  referred  to  in  the  body  of  this  report  in  the  context  of measured  stress directions.   The paper also  includes  information on the stress magnitudes and the height of softening measured with extensometers. The UCS  ranges between 24.4 MPa  ‐36.4 MPa,  the  immediate  roof  is coal and then shales and clays.  The roadway dimensions are 4.9m by 2.4m. 

This stress data  indicates an initial K value of 1.78 and then both the vertical and the horizontal stress increase equally. 

   

 

The predicted height of brittle failure can be calculated as a function of the horizontal stress magnitude for different UCS values.  It can be shown that the roof displacement data is consistent with the brittle failure model if the UCS is in the range of 30 to 35 MPa (which is the measured range). 

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Horizontal stress (MPa)

Hei

ght o

f fai

lure

usi

ng R

SI m

odel

(m)

UCS = 20 MPaUCS = 25 MPaUCS = 30 MPaUCS = 35 MPaMark et al (2006), Figure 15

 

Page 117: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

101 

 

8.2.3 COMMENTARY  ON  DESIGN  TO  PREVENT  COMPRESSIVE  COLLAPSE 

The design assumption is that the collapse zone can be suspended.  This requires that the immediate roof  line has some  load‐carrying capacity so that the vertical  loads can be transferred to the cables.  The primary bolting and mesh is probably adequate for this role so long as the cables are located to minimise spans.  

The  three  case  studies  from  the  literature  suggest  that  the prediction of  compressive  failure  rising above the bolt anchorage  is  in reasonable agreement with some mining conditions.    It  is noted that there  is  some  uncertainty  in  the  estimation  of  the UCS  from  the  sonic  velocity  logs.    This would suggest that any “factors of safety” should be close to unity. 

Advocating compressive failure as the source of maingate  instability, which  is the  implication of the RSI approach provides explanations to a number of key observations with respect to depth and stress: 

• At  the  same mine, with  the  same  roof  types,  there  is no  strong  relationship between  the need for secondary support and increasing depth. 

• In the industry data base, there is a wide divergence in the use of long tendon support. 

• Compressive  failure  higher  in  the  roof  is  consistent  with  stress  reductions  within  the “softened zone”. 

Case study #3 Crinum Mine 

At the adjacent Crinum Mine a move from a 6 bolt to 6:2 pattern was found to be necessary when the RSI approached 3.5  (Payne 2007).   Once again, at Crinum  the UCS was predicted  from  sonic velocity  logs.    Figure CS2  ‐ 1  shows  the  shape of  the  failure  zone  and  the  location of  the 6 bolt pattern  (thin  lines) used at Crinum.   The  inner 4 bolts possibly do not have adequate anchorage.  The thick lines show the location of the additional 2 bolts.  It can be seen that these bolts have more of the anchorage outside the failure zone.  

 

Figure CS3 – 1 Strength factor for RSI = 3.5 under development conditions (K=1.2) 

Page 118: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

102 

• Compressive failure higher in the roof can induce stress guttering at the roof line as a result of vertical loading of the bolted roof. 

• The magnitude of the bedding parallel shear stress that would be induced at the maingate if there was no  relaxation  in  the  softened  zone exceeds  the capacity of  the bolting patterns used. 

Coal  measures  are  transversely  anisotropic,  especially  for  the  finer  grained  units.    Transverse anisotropy can increase the roof stresses such that the failure heights increase (Figure 92), so ignoring them is non‐conservative to the roof support design.  Because of this, there may be a need to apply higher  factors  of  safety  in  highly  bedded material  if  using  the  simple  equation  and  prior  to  field verification.  Alternatively, a separate analysis using Examine2D or more sophisticated codes could be considered.    As  discussed  earlier  in  this  report,  there  is  little  guidance  on  the  choice  of  the independent shear modulus. 

 

(a) Isotropic elastic 

 

(b) Transverse anistropic elastic (G=200 MPa) 

Figure 92 Different isotropy and failure conditions 

Page 119: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

103 

 

8.3 TENSILE  FAILURE  

 

The important to point is that a rock mass in compression may behave as a stable continuum.  In a  destressed  state,  small  imposed  or  gravitational  loads  can  cause  large  displacements  of component rock units.  (Brady and Brown, 1985) 

 

A  rock mass must be assumed  to have zero  tensile strength  (by virtue of  its discontinuities) so  the development of a zone of elastic tensile stress must be assumed to be a zone of failure and associated redistribution of stresses.  Whether a roof collapse develops depends on the nature of the joints sets – closely spaced joints, particularly if oriented parallel to the roadway axes will promote a collapse. 

Since the collapse mode requires shear along vertical  joints,  it  is appropriate to examine the elastic horizontal stresses that are developed  in the  immediate roof (Figure 93).   As discussed  in an earlier chapter, the stresses will become negative (tensile) when the K ratio is less than 0.65.  Note how the stresses are still compressive at the roof/rib corner and that the maximum height is at the centre of the roadway.   The height of the tensile zone  (Ht)  increases as the K value decreases  (Figure 94) but does not change with increasing magnitudes of the stresses.  Slightly different relationships exist for different roadway aspect ratios. 

An approximate relationship between the K value and height of the tensile zone is: 

Ht =2.3K2 ‐4.74K +2.12 (for K between 0.1 and 0.62).     Equation 17 

 

 

Figure 93 Negative horizontal stress (K=0.2) for a 5m by 3m roadway 

Page 120: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

104 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

K value

Maxim

um heigh

t of zon

e of negative 

horizontal stress (m

)

5m by 3.5m

5m by 3m

5m by 2.5m

5m by 2m

 

Figure 94 Height of negative horizontal stress (5.5m by 3.3m roadway) 

K values of  less than 0.65 may be more common than expected  in coal mines.   Certainly, the stress fields measured within coal seams in advance of the mining face have such K values (Table 15).  Other locations where  the mining  geometry  results  in  an  increase  in  vertical  stress  and  a  reduction  in horizontal stresses include close proximity to large excavation “voids” where non‐linear behaviour of the overburden results in the development of stress arches higher in the roof and lower into the floor.  Possible  locations  include  tailgates where  there  is  an  adjacent  goaf and under pillar goaf edges  in multiple seam operations.  There is a particular hazard if pillars are designed to yield. 

8.3.1 COLLAPSE  MODE 

The collapse mode is simply the gravity‐driven collapse of joint bounded blocks (Figure 95) or, in the case of a tailgate, may be the gravity collapse of blocks defined by the onset of brittle failure at the maingate.  In  the  case  of  joints,  whether  the  collapse  occurs  may  be  related  to  the  kinematic acceptability of the blocks (Figure 96) whereby block interactions may result in a metastable roof that has adequate serviceability.   It  is apparent that roadway orientation has the potential to be a major control on collapse.  

 

Figure 95 Collapse mode for tensile stress regime 

Page 121: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

105 

 

Figure 96 Roadways oblique to joint sets will produce better conditions in both headings and cutthroughs  

8.3.2 SUPPORT 

Roofs exposed to tensile stresses are particularly difficult to stabilize.  The quote at the beginning of this section highlights the fact that such roofs can appear to be stable and then collapse with little if any warning.  Visual inspections and TARPS cannot be relied on as there may be no slow deterioration and no noise.   

The support strategy should be to provide a tensile member in the roof (strap or mesh) and then to suspend  from  the  zone  of  compressive  stresses  above  the  roadway which  also  has  an  adequate spanning capability.  In terms of dead weight loading, the bolting density would be very low, but there is  a  need  to  consider  bolt  spacings  and  the  loading  of  the  straps  or mesh.   With  the  roadway geometries  under  considerations,  it  is  not  practical  to  attempt  to  reinforce  the  vertical  joints themselves.  The loading on the bolts will not be high, the major practical consideration is the loading on the strap or panel. 

 

 

Figure 97 Loading on mesh panels 

8.3.3 COMMENTARY  ON  DESIGN  TO  PREVENT  TENSILE  COLLAPSE   

Supporting roofs exposed to tensile stresses is relatively difficult as it is easy to overload the mesh or strap.   The use of standing support would remove a number of uncertainties – but  is  it compatible with the roadway use? 

Page 122: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

106 

If examining this collapse mode in numerical models, you should examine plots of horizontal stress to assess possibility of movement on joints, plots of negative σ1 and mean stress, and the distribution of failure zones provided that the tensile strength is set to zero (in the Mohr‐Coulomb criterion). 

In a zone of tensile roof stresses, it is possible for cantilevers to form which can then fail (Figure 98).  This failure mode can be deceptive as the onset of collapse, as viewed from the roadway, may involve compression.  Given the hazards intrinsic in tensile failures, it is important that the full geometry of a roof fall is examined before a mechanism is decided upon. 

 

Figure 98 Generation of compressive stresses and failure in a regime of no imposed horizontal stress 

 

8.4 DELAMINATION  FAILURE  

 

In  this  section we analyse  the  impact of  the presence of bedding partings.   Partings define  jointed rock beams.   These beams may be able  to  span across  the coal mine  roadway or,  if  they  too  thin, there is a need to use roof bolts to create a composite beam.  This composite beam can be created if shear along the bedding partings is prevented. 

Unless  it  can  be  demostrated  otherwise,  geological  variability  is  such  that  it  should  always  be assumed that close to extremely‐close spaced bedding partings will be present just ahead of mining.  Extended‐cut mining can provide such a demonstration.  For immediate face bolting, where bolting is conducted within about 2.7m of the face, this cannot be demonstrated and, furthermore, there are still changes in the stresses acting in the roof at the position at which the bolting is conducted.   

As  the  roadway  is  formed,  shear  can develop  along bedding partings,  the bedding may open,  and individual beams of rock develop (Figure 99).  If the beams are too thin, they may collapse.   

So there are two parts to the design exercise – identifying the characteristics of a spanning unit and determining how to create such a unit if there is insufficient confidence that one is present. 

 

Page 123: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

107 

 

Figure 99 Slip and separation in a layered roof rock (Brady and Brown, 1985) 

8.4.1 COLLAPSE  MODEL 

The mechanics of the jointed rock beam is shown in Figure 99 – failure can be by shear along joints, compressive  failure  through  the  rock  substance, or by  snap‐through  (buckling).   Voussoir beam or linear arch analysis can used  to analyse  the mechanics: a number of methods are available  ‐ Brady and  Brown  (1985),  Cpillar  (www.rocscience.com),  or  Sofianos  and  Kapensis  (1998).    The  latter  is amenable to spreadsheet procedures and has been used in this report.  A listing of the spreadsheet is included in an appendix. 

Figures 100 and 101 present some typical relationships.  As expected, the critical thickness (factor of safety = 1.0)  increases with span and decreases with rock strength.   For a 5.5m span, and a  typical strength of 40 MPa, the necessary thickness without a surcharge is about 0.1m, and this increases to 0.3m  for a 2m surcharge or a 10m span and a 1m surcharge.   The associated deflections are about 20mm.   The authors’ experience  is  that  these numbers are  reasonably  consistent with  interpreted field behaviour. 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Span (m)

Crit

ical

thic

knes

s (m

)

UCS = 10 MPaUCS = 20 MPaUCS = 40 MPaUCS = 60 MPa

 

Figure 100 Critical thickness and deflection of voussoir beams as a function of span and rock strength (E/UCS=250) 

Page 124: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

108 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Surcharge (m)

Crit

ical

thic

knes

ss (m

)

UCS = 10 MPaUCS = 20 MPaUCS = 40 MPaUCS = 60 MPa

 

Figure 101 Critical thickness and deflection of a 5.5 m span voussoir beam (1m surcharge) 

Based on Figures 100 and 101, some simple rules of thumb can be derived – the required thickness is about 2.5% to 4% of the span, and the resulting deflection is about 0.5% of the span.  

The  critical  thickness quoted  above  relates  to  a  factor of  safety of 1.0,  and  in most  cases  against compressive failure.  Greater thicknesses result in a rapid increase in the factor of safety (Figure 102). A 30% ‐ 40% increase in thickness results in change from 1.0 to 2.0 in the factor of safety. 

1

2

3

4

5

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Thickness (m)

Fact

or o

f saf

ety

(com

pres

sion

)

UCS = 10 MPaUCS = 20 MPaUCS = 40 MPaUCS = 60 MPa

 

Figure 102 Stability of a voussoir beam increases with increasing thickness (1m equivalent surcharge) 

8.4.2 REINFORCEMENT  DESIGN  

If  a  spanning  unit  has  not  or  cannot  be  determined  to  be  present,  there  is  a  need  to  install reinforcement  across  the  bedding  surfaces  so  that  an  adequately  spanning  beam  can  be  formed.  Determining  the  stresses  to  be  applied  to  the  reinforcement  element  is  complex  involving considerations of the full three dimensional stress field in a discontinuous material which is known to 

Page 125: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

109 

behave non‐linearly.  In the following analysis, a 3 dimensional elastic continuum code will be utilized.  This approach is assessed to be conservative (i.e. will over estimate the bedding parallel shear stress) as  it does not account  for the established stress redistributions to higher  in the roof and relaxation near the roof line once the roof deflects.  It will be assumed that at the development mining face the roof beam is exposed to the full elastic horizontal stress regime. 

Section  6.2.2  discussed  bedding‐parallel  excess  shear  stresses  (BPXS)  and  how  they  develop  away from  the  face.   Figure 64 highlights  the  fact  that about 60‐70% of  the BPXS have developed by  the time the roadway has advanced 2.7m.    If there are bedding partings present  in the zone of positive BPXS, shear movements will have occurred.    It follows that bolts are  installed  in a rock mass where movements have developed.  The bolts will only be exposed to subsequent potential movements and the associated stresses.   

8.4.2.1 DRIVING FORCES 

A series of analyses have been conducted using Examine3D (www.rocscience.com.au) with a grid of prediction points near the face and a plan located 37.5m distant (Figure 103).  The roadway was 5.0m wide and 3m high, and a Poisson’s ratio of 0.25 was used (more details in Appendix B).  The Suu and Sue stress tensors were  imported  into an Excel spreadsheet to be manipulated to generate data files of positive BPXS  for  a  range of  friction  angles.    Simple  incremental  linear  assumptions were used  to integrate  the  area  under  the  curves.    Because  this  is  a  linear  elastic  code,  the  various  stress components can be normalized – in this case to the magnitude of the vertical stress.   

 

Figure 103 Examine 3D geometry 

The  approach  can  result  in  a  variety of plots.    Figure 104  shows  the distribution of BPXS  that will develop after the face has advanced 2.31m for 3 different heights into the roof.  The peak values are about  0.5m  from  the  rib  line, which  is  closer  to  the  rib  line when  compared  to  the  simple  beam models (Stimpson, 1987).   The data can be further manipulated to show the progressive  increase  in BPXS with distance from the rib line (Figure 105) 

Plane strain

Mining face 

Page 126: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

110 

2.31M FROM FACE LINE

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Distance across roadway (m)

BPX

S @

35

degr

ee fr

ictio

n an

gle

(MN

) 0.2M INTO ROOF

0.4M INTO ROOF

0.6M INTO ROOF

 

Figure 104 BPXS at 2.31 m from the face 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5DISTANCE FROM RIB LINE (m)

INC

REM

EN

TAL

BPX

S (%

)

 

Figure 105 Cumulative increase in BPXS with distance from the rib line 

The average BPXS decreases as an inverse function of the distance from the face raised to the fourth power  (Figure  106).    For  typical  bolting  locations  (about  2.3m  to  2.7m  from  the  face),  the  BPXS represent about 20‐25% of the plane strain value.   Figure 107 shows how the BPXS varies with both height  into the roof and timing of the bolting.    It can be seen that there  is a “ridge” of high values about 0.5m ‐ 1.0m into the roof for about the first 2m of the driveage.  At typical bolting locations, the ridge is very much less prominent.  

Page 127: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

111 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 2 4 6 8 10 12Distance from the face line (m)

Ave

rage

BPX

S at

35

degr

ee fr

ictio

n (M

Nm

)

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Height into roof (m)

 

Figure 106 Average BPXS across the roof line for different heights into the roof and different locations of bolts (area under curves in Figure 107 expressed as uniformly distributed load  

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6Bolting location with respect to face (m)

0

0.5

1

1.5

Hei

ght i

nto

roof

(m)

 

Figure 107 BPXS as a function of the location and height 

In the following analysis, the BPXS developed on two bedding horizons are discussed – 0.2m and 0.4m above  the  roof  line  (dataset  in  an  appendix).    The  data  was manipulated  in  the  context  of  the following relationship:  

BPXS (kN/m) = XS * vertical stress (MPa) * Ffriction *Fbolt timing,       Equation 18 

where XS is a function of the height into roof and the K values acting normal and parallel to the roadway, Ffriction is a correction for different friction angles, and Fbolt  timing  is a correction for bolt location. 

The XS values are presented  in Figure 108  (0.2m  into  roof) and Figure 109  (0.4m  into  roof)  for  the case of a friction angle of 35o and 2.3m from the face. 

Page 128: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3Normal/vertical

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Par

alle

l/ver

tical

 

Figure 108 XS factor for 0.2m into the roof 

 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Normal/vertical

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Par

alle

l/ver

tical

 

Figure 109 XS factor for 0.4m into the roof 

The Ffriction parameter is itself a function of the K values such that Ffriction = 1+(G *(35‐x)/25) where G is given in Figure 110 and x is the design friction angle.  The Fbolt timing parameter (Figure 111) does vary with the K ratios, but at this stage it has not been further analysed.  

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3Normal/vertical

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Para

llel/v

ertic

al

 

Figure 110 G parameter to account for different friction angles 

0.1

1

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8Distance from the face line (m)

Bolti

ng lo

catio

n fa

ctor

2.5-1.5-11.5-1-12.0-1.33-1

Normal-parallel-vertical

 

Figure 111 The bolt timing factor 

8.4.2.2 RESISTING FORCES 

The deformations  that develop close  to  the  roof mean  that  it should be assumed  that  the bedding surfaces will be open.  Pragmatically there is a need to close the open bedding surface, otherwise only the relatively inefficient dowel resistance will be available. 

Based  on  observations  of  the  roof  lifting  and  adjacent  bolts  losing  tension  made  during  the introduction  of  pre‐tensioned  roof  bolts  in  the  Australian  industry,  it  is  assessed  that  correct installation  of  tensioned  bolts  can  close  bedding  surfaces.    It  is  not  necessary  to  apply  a  preload against, not necessarily to apply significant preload across the closed surface and the shear stiffness is such  that  full  capacity  is  mobilized  within  a  few  milimetres  of  movement  (Figure  112).    Shear resistance is given in Figure 79.   

Page 129: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

111 

 

Figure 112 Fully grouted bolts are very stiff during initial shear loading (Stjern, 1995) 

8.4.3 DENSITIES  AND  PATTERNS  

The number of ideally placed bolts is calculated by dividing the BPXS value by the frictional resistance provided by  the bolts.   The number of bolts will depend on  the strength of  the bolts,  the depth of cover,  the K  ratios, and  the  friction angle of  the bedding.   Expressed  in  terms of  installed  capacity (Section  4.2.1.2),  there  is  good  agreement  between  this  BPXS model  and  current mining  practice (Figure 113) especially if the mines with low RSI values are excluded.  Friction angles of between 30o and 35o are indicated and this is consistent with the rock types and joint roughness.  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300 400 500 600 700Depth (m)

Prim

ary

Supp

ort C

apci

ty (t

onne

s/m

2 )

Stone roof253035Linear (Stone roof)

Low RSI values

 

Figure 113 Comparison between ideal BPXS support capacity at 0.4m into the roof (Kn=2.0, Kp=1.5, G=1.3) and the Australian database  

Ideally  the bolts  should be placed  so  that  they are equally  loaded and Figure 105  can be used  for guidance.  According to this analysis, there is no advantage with centreline bolts as the locations are strongly biased towards the rib sides (Table 23) and this can result  in a  large “unsupported” span  in the centre of the roadway that  is bigger than the cut out distance.    If the roof  is thinly bedded this 

Page 130: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

112 

span may not be adequately stable (Figure 100) indicating the need for mesh panels.  The possibility of adverse loading on the panels may require additional bolts or the relocation of the “ideal” towards the roadway centerline.  The rib side bias has been examined with physical models and these certainly show the advantage of a bias towards to the ribs (Figure 114). 

Table 23 Bolt locations to resist BPXS 

Pattern  Distance from rib line (m)  Centreline span (m)  Compromise locations (m) 2  0.55  4.1  1.35 4  0.3,0.8  3.6  0.6,1.6 6  0.2,0.55,1.05  3.1  0.4,0.9,1.6 8  0.15,0.4,0.7,1.15  2.9  0.2, 0.5, 1.0,1.7 

 

Figure 114 Optimum bolt patterns from physical models (Stimpson, 1987) 

The following is an example of how the support design could progress: 

Input: Depth of 250m, average density = 2.4 t/m3. L=1.6, M=1.4, roadway driven at 20o to the major principal  horizontal  stress.  Thinly  bedded mudstone  roof,  JRC  =  4. Bolting  conducted  at 2.3m  from face. Pre‐tensioned 22mm diameter X grade bolts.   

Design values: Vertical stress = 250*2.4*0.0098 = 5.88MPa, Kn = 1.42, Kp=1.52. Assume a base friction angle of 25o, and a  JRC contribution of 8o. Required beam  thickness  is at  least 0.3m  to carry 2m of surcharge.  

Output: XS =122 (use 0.4m height chart), G=1.48, Ffriction= 1.11, Fbolt timing = 1.0, BPXS=796kN, Boltfriction = 340 *tan 32 = 212 kN, Anchor length =0.9m. 

Interpretation: 

The ideal bolt density is 3.75 bolts per metre of roadway advance. A 4 bolt pattern is recommended. The  thinly  bedded mudstone  could mean  large  loads  on  the mesh  panel,  so  less  than  ideal  bolt locations  (in  terms  of  BPXS)  is  recommended.    Bolt  locations  of  0.6m  and  1.6m  from  each  ribs  is recommended.   The  centre  span  is 2.0m and  some  loading on  the mesh  is anticipated.   An outbye centre bolt  could be  considered  if  there  is concern about mesh  loading.   A minimum bolt  length of 1.4m is possible, but precedent practice is the use of 1.8m bolts.  1.8m bolts can be installed in a single pass operation. 

Page 131: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

113 

 

8.4.4 COMMENTARY  ON  DESIGN  TO  PREVENT  DELAMINATION   

Based on  the  authors’  experiences,  the  voussoir beam  tool  is  appropriate  for  estimating  spanning thickness.   The tool can also be used to  identify the requirements  for a spanning unit higher  in the roof if a suspension strategy is to be adopted (e.g. if destressed coal is to be suspended from a stone roof). A key aspect is the estimation of the surcharge, which should include the anchorage length of the bolt and any suspended load. At this stage, it is considered that a factor of safety of 1.5‐2.0 should be applied to the required thickness – this means a thickness of 0.4m may be appropriate. 

It is noted that you could include the magnitude of the horizontal stress in the beam calculation if you wish – the input UCS value is the available compressive capacity (UCS – σh). 

One of the implications of the BPXS analysis is that bolting densities reduce if bolting can be deferred until the roadway  is advanced.   The voussoir beam analysis can be used to assess the risk of  loss of roof skin with span in this case being from face to last line of bolts.  If risk is acceptable, the bolting densities are substantially reduced.  This is probably why the USA industries uses generally lower bolt densities as that industry uses extended cut mining to a much greater level than Australia.  

The design tool for bedding plane shear assumes that the roof beam  is exposed to the elastic stress field  in  a  continuum with no  relaxation due  to  roof deflection.   While  this  appears  to be  a major simplification, the validation to current mining practice indicates that it is reasonably valid at least for a height of 0.4m.  It appears that factors of safety close to unity may be appropriate.   

The XS value varies by no more than 20 % within the range of K values encountered in the Australian industry.    This  suggests  that  there  is  no  real  advantage  in  having  different  support  densities  in headings compared to cut‐throughs.   

The use of ultimate strength of  the bolts  is acceptable,  if you can  rely on  their post yield and post failure  capacity.    The  greater  the  tolerable  deformations  in  the  system,  the more  likely  that  the immediate roof stresses will relax. 

The BPXS tool should only be applied for initial roadway development and not at the maingate corner because there is little doubt that the relaxation of roof stresses has developed.  If there was no such relaxation,  the maingate BPXS magnitudes would be similar  to  those shown  in Figure 110 with  the bolt timing being set at 0m – say 5 times greater than those used in the design for the development face.  If this was the case, one implication would be that maingate roofs without cable support would fail – and this is demonstrably not the case in Australia or other countries.  It is noted that Seedsman (2000) had not identified this relaxation mechanism.  

Deterioration of the maingate conditions can be explained  increase  in height of stress arch and the resulting  increase  in the vertical surcharge to the beam when the RSI  is  low.   This vertical surcharge induces compressive stresses  in the roof beam that has been created  in the “softened zone” by the roof bolts so that the observer may see additional guttering.   

It  is possible  that  the  reports of  stress notching  in  intersections are a  reflection of  changes  in  the height of the stress arch and not increased horizontal stresses at the roof line. 

It is noted that the roadway width used in the BPXS analysis was 5.0m.  The results can be reasonably applied to roadways with widths between 4.5m and 5.5m.  They should not be directly extrapolated 

Page 132: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

114 

to wider  roadways because  the  impact both  in  terms of  the wider  roadway  and  the bolt  location factor has not been examined.    

Page 133: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

115 

 

9 PREVENTATION  OF  RIB  COLLAPSE 

 

A similar logical framework has been developed for ribs (Figure 115).  For ribs, there are 3 steps in the framework.   Different from roof, ribs undergo a simple step‐wise  increase  in the applied stress field from development to the maingate and then the tailgate.   At one  level,  it  is appropriate to consider the hazards of coal ribs in the context of a vertical pitwall.  This analogy is not sufficient so it is then necessary to consider the possibility of the onset of additional failure modes related to the additional vertical stresses that ribs carry compared to rock faces. 

The steps are: 

1. Check the height of the roadway.   Rib support  is concerned with falls from height, with the greatest concern with falls from above shoulder level.  Assuming that roadway width is such that reasonable access is available around the various pieces of mining machinery and hence a relatively clear workspace, a roadway height of 1.8m is considered to be a reasonable limit for pattern rib support.   

2. Check for alignment with respect to coal joints and cleat.   

3. Check for the possible onset of mining‐induced failure.  Note that this may not develop if the alignment is such that joints and cleats dominate behaviour.  Also note that this failure may be time and mining system dependent. 

Consider realignment ofroadway Possibiity of

large wedge and planarslides Bolt length based

on slide geometry

More than 20degrees to

cleatN

Y

Strength/verticalgreater than 5.0 N

Y

Mining-inducedfracturing will developimmeidately or over

time

Secureintersections

Extractionheight greater

than 1.8mN

Y

Pattern supportnot required

Pattern supportnot required

 

Figure 115 Logical framework for support of ribs 

Page 134: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

116 

9.1 STRUCTURE CONTROL 

 

In one aspect, ribs can be considered as vertical pit walls (Figure 116).  They are therefore exposed to the  same hazards of  joint‐controlled  failure with planar slides, wedges and  topples.   Highly broken coal,  for example  in a  fault  zone,  could also generate a  circular  slip mode.   Numerous papers and books discuss planar slides and wedges and there are software programs available (such as Rocplane and Swedge, www.rocscience.com).   

 

Figure 116 Failure modes for rock slopes that can be observed in coal ribs (Hoek and Bray, 1981). 

In  the  rock  slope  engineering,  there  is  a  preference  to  avoid  “noses”  in  pit  walls  as  these protuberances  are  unstable  due  to  the  lack  of  lateral  restraint.    In  coal  mine  roadways,  all intersections are “noses” (Figure 117) and may need special attention. 

Page 135: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

117 

 

Figure 117 All intersections are noses 

9.1.1 SLIDES 

The  key  variables  in  a  planar  slide  analysis  are  the  dip  and  friction  angle  of  the  discontinuity.  Recognizing  the  low heights,  the  stresses are  low and  JRC  can become a  significant  contributor  to friction angle.  The JRC for coal surfaces ranges between 4 and 14, averaging 8 (Table 9).  Thus, for a typical rib geometry, the friction angle increment related to JRC may be up to 20o.   

Figure 118  shows  the  installed bolt capacity  to achieve a  factor of  safety of 1.5 using with passive bolts.   The  installed capacities are only  in the order of 1 tonne/m advance to 2.5 tonnes/m advance for a 3m high rib.  For different rib heights, the loads can be reduced according to the square of the height. 

0

5

10

15

20

25

30

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

Dip of plane with friction angle of 45o

Bol

t for

ce (k

N/m

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Fact

or o

f saf

ety

with

out b

olts

or f

all m

ass

(tonn

es/m

)Bolt force at 3.0m highFactor of safety without passive boltsMass at 3m

 

Figure 118 Planar geometry and required face support for a 3m high rib 

Page 136: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

118 

9.1.2 WEDGES 

At more than 20o to the strike of a discontinuity, there  is still the possibility of a wedge falling from the rib line.  The maximum dimensions of the wedge are in the order of 5m long and about 1.5m into the  face  (Figure  119).    The  required bolt  capacity  is  in  the order of  0.5  tonnes/metre of  roadway advance for a 3m high rib.   

0123456789

10

10 15 20 25 30 35 40 45

Angle between face and strike of one of the conjugate joint sets

Leng

th a

nd d

epth

of r

ib

impa

cted

(m) o

r wei

ght o

f w

edge

(ton

nes)

012345678910

Inst

alle

d pa

ssiv

e su

ppor

t to

give

FoS

= 1

.5 (k

N/m

)

Length (m)Depth (m)Mass (tonnes)kN/metre

 

Figure 119 Wedge geometry and required face support 

9.1.3 TOPPLES 

Sagaseta et al (2001) provides a general solution for the anchor force to limit toppling failures.  They argue that the anchor force (Ft) is given by the following relationship: 

Ft = 0.5*γkTH2             Equation 19 

Where γ = density, H  is face height, and kT  is a dimensionless factor which  is provided  in a series of design charts.  For the geometries of interest, the range of kT value is 0.2 to 0.3. 

The anchor  force  to prevent  toppling  is  therefore  in  the order of 1  tonne/m  to 2  tonnes/m  (Figure 120). 

0

5

10

15

20

25

30

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4

Rib height (m)

Inst

alle

d ca

paci

ty (k

N/m

)

0.20.3

 

Figure 120 Anchor force to prevent toppling 

Page 137: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

119 

9.2 STRESS  INDUCED  RIB  COLLAPSE  

9.2.1 MINING INDUCED  FRACTURES 

O’Bierne et al (1986) discussed mining induced fractures in coal ribs.  Brittle rock behaviour provides the theoretical background to these observations.   

As discussed in Section 5.3.4, there are 3 components to the brittle rock failure criterion – the onset of failure related to the loss of cohesive strength, a spalling limit, and then the standard Hoek Brown criterion  in  the  “far  field”.   The  far  field  in  this  context may be only a  few metres away  from  the excavation.  Readily available software cannot yet handle this composite criterion, so there is a need to apply it stepwise. 

Figure 121 shows the distribution of the strength factor with respect to the brittle parameter for the case of 20 MPa coal with vertical stresses of 5 MPa and 10 MPa.  This simple analysis would suggest that rib  failure would progressively extend well  into the rib with  increasing depth.    It  is known that this is not the case as observations of rib spall at depth suggest that it is still only a skin effect. Colwell (2004) examined  rib data over a depth  range of 125m  to 525m and  reported  that average  rib bolt length was 1.2m and the maximum length was 1.8m.  

   

(a) 5 MPa vertical stress        (b) 10 MPa vertical stress 

Figure 121 Distribution of the cohesive loss component about roadways 

The explanation for this discrepancy is the need to consider the spalling limit.  The spalling limit is the ratio  of  the magnitude  of  the major  and minor  principal  stress  and  hence  is  independent  of  any strength parameter.  The distribution of the spalling limit with depth at mid‐height is a function of the K  ratio  and  the  aspect  ratio  of  the  opening,  and  in  general  is  reaches  a  value  of  10  somewhere between 0.6m and 1.1m into the rib (Figure 122). 

Similar to the RSI concept, it is possible to manipulate the data in the context of a coal strength index (CSI) to produce a design chart for the depth of brittle failure (Figure 123).   The shape of the failure zones can be obtained by  inspection of Figure 121a.   Pattern  rib support may only be  required  for failure depths in excess of about 0.1m, or a CSI of about 7.5.   

 

Page 138: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

120 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Depth into rib (m)

Spallin

g ratio

K=0.1, 5m by 3mK=0.2, 5m by 3mK=0.4, 5m by 3mK=0.1, 5m by 2mK=0.2, 5m by 2mK=0.4, 5m by 2m

 

Figure 122 Value of spalling ratio along the spring‐line of the rib for different K ratios and roadway aspect ratios 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9Coal strength index

Dep

th o

f brit

tle fa

ilure

(m)

0.1, 5m by 3m0.2, 5m by 3m0.3, 5m by 3m0.4, 5m by 3m0.1, 5m by 2m0.2, 5m by 2m0.3, 5m by 2m0.4, 5m by 2m

maximum depth set by spalling limit = 10

 

Figure 123 Estimation of maximum depth of brittle failure 

9.2.2 BUCKLING 

For roadway orientations that are within say 20o of the trend of a coal joint set, there is a possibility of buckling of coal beams if the joints are closely spaced.  Euler buckling concepts offer some insight into the mechanisms involved, with the limitation that there is a large degree of uncertainty regarding the imposed loading.   

The  axial  loading  of  slabs was  discussed  by  Hoek  and  Brown  (1980) who  provided  the  following relationship for the axial stress (σα) at which the plate will buckle:  

Page 139: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

121 

σα = Π 2 E/(12q2(l/t)2            Equation 20 

where   E=modulus of elasticity,  

l = height of the slab,  

t = thickness of slab, and  

q  =  constant with  values  of  1  for  both  ends  pin‐jointed,  and  0.5  for  both  ends clamped. 

The  axial  stress  applied  to  a  joint  bound  slab  at  the  side  of  a  roadway  is  difficult  to  accurately determine due  to  the development of yielding  in  the coal and any  low strength bands.   A simple 2 dimensional elastic analysis suggests that the vertical stress at the rib line can increase by about 220% (Table 18, Figure 57).  Using this result, Figure 124 quantifies the relationship between slab thickness, extracted  coal  thickness  and  depth.    At  shallow  depths,  slabs  less  than  about  200mm  thick may buckle, and this increases with depth to 400mm at depths in excess of 400m.  

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4

Roadway Height (m)

Buc

klin

g th

ickn

ess

(m)

200

300

400

500

Simple beam, pin jointedE= 1500 MPaVertical stress related to depth of cover and density of 2.5 t/m3 , and an abutment peak at 2.16 the average stress

DEPTH

 

Figure 124 Thickness of slabs that may undergo buckling. 

 

9.3 COMMENTARY  ON  RIB SUPPORT  DESIGN 

 

Hoek and Bray (1981) suggests that the kinematic acceptability of planar slides is reduced if the rock face  in  an  open  excavation  is  aligned  at  more  that  20o  from  the  strike  of  the  joint.    This recommendation  should be  considered  to be a minimum  in  the underground  coal environment as there may still be concerns with the practicalities of the installation of rib support at greater angles.  The authors have found that an angle of about 35o would be preferred.   

The discussion about coal stresses (Section 5.5.2) speculated that there may be a reduction in vertical stress to below that related to depth of cover at the mining face and that this increases outbye.  If this 

Page 140: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

122 

is  the  case,  there may be  an  apparent  time dependent deterioration of  the  ribs  related  to brittle failure as the CSI reduces as the vertical stress increases. 

The  Euler  analogy  needs  to  be  applied with  care  as  it  requires  that  the  loading  system  is  of  low stiffness such that there is no stress relaxation if the rib compresses to any degree.  If the rib slabs are formed by a brittle failure mechanism, the development of more intense failure zones at the roof and rib corner would not be expected to transfer the same levels of vertical loading.  The mechanics being invoked are the same as those that drive the relaxation of the softened zone in the roof. 

Page 141: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

123 

 

10 REFERENCES 

 

ACIRL. (1986). Evaluation of coal pillar stability and extraction methods. In ACA End of Grant Report. 

AusIMM, (1995). Field Geologist Manual (3rd e.d.). (p.390). The Australasian Institute of Mining and Metallurgy. Carlton, Australia. 

Barton, N.R. (1973). Review of a new shear strength criterion for rock joints. Engineering Geology 8, 287‐322. 

Barton, N.R. (1980).  Evaluation of shear strength in rockfill and between rockfills and rock foundations. NGI report.

Barton, N.R., & Choubey, V. (1977). The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics 1/2:1‐54. 

Barton, N., Lien R., & Lunde, J. (1974). Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support.  Rock Mechanics 6 (4), 163‐177. 

Bieniawski, Z.T. (1976). (Eds. Bieniawski, Z.T.) Rock mass classifications in engineering practice. In Exploration for rock engineering. 1, 97‐106. Cape Town : AA Balkema. 

Bieniawski, Z.T. (1993).  (Eds. Hudson, J., Brown, E.T., Fairhurst, C., & Hoek, E.). Design methodology for rock engineering: Principles and practice. Comprehensive Rock Engineering, 2:779‐93. Oxford: Pergamon. 

Bjurstrom, S. (1974). Shear strength of hard rock joints reinforced by grouted untensioned bolts. Proceedings 3rd ISRM Congress, Denver, 1194‐1999. 

Brady, B.H.G. & Brown, E.T. (1985).  Rock mechanics for underground mining. London, UK: George Allen & Unwin. 

Brown, E.T. (2008). Estimating the Mechanical Properties of Rock Masses.  SHIRMS 2008 (Ed Potvin,Y. Carter, J., Dyskin,D. and Jeffrey,R), Perth, 3‐17. 

Canmet. (1977). Pit Slope Manual, Chapter 6, Mechanical Support. Ottawa: Canmet. 

Coates, D.F. (1970). Rock mechanics principles.  Mines Branch, Department of Energy, Mines and Resources. Monograph 874. 

Colwell, M.G. (1998).  Chain pillar design: Calibration of ALPS. (p.67). Final Report: ACARP Project C6036. 

Colwell, M.G. (2004).  Analysis and design of rib support (ADRS): A rib support design methodology for Australian collieries. (p. 325).  Final report: ACARP Project C11027. 

Colwell, M.G., & Frith, R. (2006).  Why uniaxial compressive strength and Youngs modulus are commonly poor indicators of roadway roof stability – except in the tailgate.  Paper presented in Coal Operators Conference at University of Wollongong, Illawarra branch, AusIMM.  

Cram, K. (September, 2008). Production from Australian longwall mines. Australian Longwall Magazine. 

Diederichs, M.S., & Kaiser, P.K. (1999). Tensile strength and abutment relaxation as failure control mechanisms in underground excavations.  In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences: 36, 69‐96. 

Page 142: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

124 

Diederichs, M.S., Kaiser, P.K., & Eberhardt, E. (2004). Damage initiation and propagation in hard rock during tunneling and the influence of near‐face stress rotations.  In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences: 41, 785‐812.  

Donaldson, A.C. (1979). (Eds. Donaldson, A.C., Presley, M.K., & Renton, J.J.) Origin of coal seam discontinuities. (p.102‐132). In Carboniferous Coal Guidebook. WV Geological Survey, Vol B‐37‐1. 

Enever, J.R. & Doyle, R. (November, 1996). (Eds. NcNally, G.H., & Ward, C.R.). The role of horizontal stress in longwall design: A case history at Dartbrook Colliery, NSW. (p.143‐151). Symposium on Geology in Longwall Mining, 12‐13. 

Enever, J.R., Jeffrey, R.G. & Casey, D.A. (2000).  (Eds. Girard, J., Liebbman, M., Breeds, C. & Doe,T.). The relationship between stress in coal and rock. (p.409‐414). Pacific Rocks 2000. Rotterdam: Balkema. 

Fookes, P.G., Baynes, F.J., & Hutchinson, J.N. (2000).  Total geological history: A model approach to the anticipation, observation, and understanding of site conditions. Paper presented in GeoEng 2000, An international conference on geotechnical and geological engineering in Melbourne. Lancaster, USA: Technomic Publishing Company. 

Gale, W. J. (2008). Stress issues in underground coal mines and design approach. Paper presented in “Stress Measurements, Monitoring and Modelling Techniques and their Design Applications”, Wollongong: Eastern Australia Ground Control Group. 

Gale, W. J. & Matthews, S. M. (1992) Stress control methods for optimised development and extraction operations. Report to National Energy Research Development, and Demonstration (NERD&D) Program, Project 1301. 

Gordon, N. & Tembo, E. (2005). The roof strength index: A simple index to one possible mode of roof collapse.  Paper presented in Bowen Basin Symposium. (Eds. Beeston, J.W.) Yeppoon, Queensland. 

Haile, A. (2004). A reporting framework for geotechnical classification of mining projects. Bulletin of the AusIMM. September, p.30‐37. 

Hanna, T.H. (1982). Foundations in tension: ground anchors. Trans Tech Publication Series on Rock and Soil Mechanics, Volume 6. 

Hasenfus, G.J. & Su, D.W.H. (2006). Horizontal stress and coal mines: Twenty‐five years experience and perspective. (p.256‐267). Paper presented in 25th International Conference on Ground Control in Mining. 

Herget G. (1988). Stress in rock.  Balkema. 

Hillis, R.R., Enever, J.R. & Reynolds, S.D. (1999). In situ stress field of eastern Australia.  Australian Journal of Earth Sciences. 46, 813‐825. 

Hobbs, D.W. (1967).  The formation of tension joints in sedimentary rocks: An explanation.  Geology Magazine, 104 (6), 550‐556. 

Hobst, L. & Zajic, J. (1983).  Anchoring in rock and soil. (p.570). Developments in Geotechnical Engineering, 33. Elsevier, Amsterdam. 

Hoek, E. & Bray, J.W. (1981). Rock slope engineering. 3rd Edition. London: Instn Min. Metall.: London. 

Hoek, E & Brown E.T. (198). Underground Excavations in Rock.  Instn Min Metall.: London .  

Hoek, E & Brown E.T. (1997). Practical estimates of rock mass strength. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 34 (8), 1165‐1186 

Page 143: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

125 

Hoek, E., Marinos, P.G. & Marinos, V.P. (2005). Characterisation and engineering properties of tectonically undisturbed but lithologically varied sedimentary rock masses. International Journal of Rock Mechanics Mining and Sciences, 42 (2), 277‐286. 

Hoek, E & Diederichs,M. (2006) . Empirical estimates of rock mass modulus.  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43, 203‐215. 

ISRM (International Society for Rock Mechanics) Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests. (1978). Suggested Methods for the quantitative description of discontinuites in rock masses.  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 5, 316‐368. 

Jaeger, J.C., & Cook, N.G. (1979). Fundamentals of Rock Mechanics. London: Chapman and Hall. 

Jemeric, M.L. (1985). Strata mechanics in coal mining. Rotterdam: A.A.Balkema. 

Ji, S., Zhu, Z., & Wang, Z. (1998). Relationship between joint spacing and bed thickness in sedimentary rocks: Effects of interbed slip. Geology Magazine, 135 (5), 637‐655. 

Kaiser, P.K & Kim, B‐H. (2008). Rock Mechanics Challenges in Underground Construction and Mining. SHIRMS 2008 (Ed Potvin,Y. Carter, J., Dyskin,D. and Jeffrey,R), Perth, 23‐38. 

Lambe, T.W. (1973). Predictions in soil engineering. Geotechnique, 23 (2) 149‐202. 

Littlejohn, S. (1993). Overview of rock anchorages. Comprehensive Rock Engineering, 4:413‐450. Oxford: Pergamon. 

Mark, C. (1990). Pillar Design Methods for Longwall Mining. United States Bureau of Mines Information Circular 9247, 53p. 

Mark, C., & Molinda, G.M. (2005). The coal mine roof rating (CMRR): A decade of experience.  Coal Geology, 64, 85‐103. 

Mark, C., Gale, W., Oyler, D., & Chen, J. (2007). Case history of the response of a longwall entry subjected to concentrated horizontal stress.  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 44, 210‐221. 

Martin, C.D., Kaiser, P.K., & McCreath, D.R. (1991). Hoek‐Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels. Canadian Geotechnical Journal, 36: 136‐151. 

McCabe, K.W., & Pascoe, W. (1978). Sandstone channels: Their influence on roof control in coal mines. (p.24). Mine Safety and Health Administration, IR 1096. 

Medhurst, T.P. (1999).  Highwall mining: Practical estimates of coal seam strength and the design of slender pillars. Trans Instn Min Metall (Sect A Min Industry), 108, A161‐A171.  

Medhurst, T.P., & Brown, E.T. (1998). A study of the mechanical behaviour of coal for pillar design. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 35, 1087‐1105  

Molinda, G.M. (2003). Geological hazards and roof stability in coal mines.  US Department of Health and Human Services, NIOSH, Pittsburgh Research Laboratory, Information Circular IC 9466, Publication number 2003‐152. 

Molinda, G.M., & Mark, C. (1994).  The coal mine roof rating (CMRR): A practical rock mass classification for coal mines. United States Bureau of Mines IC 9387. 

Morgenstern, N.R. (2000). Performance in geotechnical practice.  Paper presented at the Inaugural Lumb Lecture, 10 May, Hong Kong.  

Muirwood, A.M. (1972). Tunnels for roads and motorways.  Quart J Eng Geol, 5, 111‐126. 

Nemcik, J.A., Gale, W.J, & Fabjanczyk, M.W. (2006). Methods of interpreting ground stress based on underground stress measurements and numerical modelling.  Paper presented in Coal 2006, 7th Underground Coal Operators conference. 104‐112.  

Page 144: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

126 

O’Beirne, T, Shepherd, J, Rixon, K and Napper, A, 1986. Coal rib stabilisation – a new perspective. The Coal Journal, pp7‐11.  

Palmstrom, A., & Broch, E. (2006).  Use and misuse of rock mass classification systems with particular reference to the Q system.  Tunnelling and Underground Space Technology, 21, 575‐593. 

Pattison, C.I, Fielding, C.R, McWatters, R.H. & Hamilton, L.H. (1995). Nature and Origin of Fractures in Permian Coals from the Bowen Basin and the Relationship with in situ reservoir permeability.  Bowen Basin Symposium, Mackay. 217‐234. 

Payne, D. (2007). Crinum Mine – 15 longwalls in weak roof.  What did we learn?. Paper presented in Coal 2006, 7th Underground Coal Operators conference. 22‐41. 

Peck, R.B. (1969). Advantages and disadvantages of the observational method in applied soil mechanics. Geotechnique, 19, 171‐187. 

Pells, P.J.N. (2002). Developments in the design of tunnels and caverns in the Triassic rocks of the Sydney region.  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 39, 5, 569‐588 

Pells, P.J.N., & Bertuzzi, R. (2007). Limitations of rock mass classification systems.  Tunnels and Tunnelling International, April, 33‐37. 

Peng, S.S. (1986). Coal Mine Ground Control. (p.491). John Wiley and Sons Inc. 

Potvin, Y. & Nedin, P. (2003). Management of rockfall risks in underground metaliferous mines: A reference manual.  Minerals Council of Australia 

Sagaseta, C., Sanchez, J.J., & Canizal J. (2001).  A general analytical solution for the required anchor force in rock slopes with toppling failure.  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 38 (3), 421‐435. 

Schach, R., Garshol, K., & Heltzen, A.M. (1979). Rock bolting: A practical handbook. (p.84). Oxford: Pergamon Press. 

Seedsman, R.W. (2000).  Progress in the development of a roof bolt design methodology based on resisting shear. Paper presented in 19th International Conference on Ground Control in Mining. 272‐277.  

Seedsman, R.W. (2003). Roof support in gateroads in multiple seam longwalls: Lessons from ultra‐close mining at Gibsons Colliery.  Paper presented in Coal 2003 4th Australasian Coal Operator’s Conference, Wollongong. 

Seedsman, R.W. (2004). (Eds. Villaescua, E., & Potvin, Y.). Failure modes and support of coal roof.  Paper presented in Ground Support in Mining and Underground Construction.  Proceedings of the 5th International Symposium on Ground Support, Perth.  AA Balkema. 

Shen, B., Guo, H., King, A. &Wood, M. (2006). An Integrated Real‐time Roof Monitoring System for Underground Coal Mines.  Paper presented in Coal 2006 7th Australasian Coal Operator’s Conference, Wollongong. 

Shepherd, J. & Gale, W. (1982).  Colliery roof stability and the role of geology.  The Australian Journal of Coal Mining Technology and Research, No 1, 47‐67. 

Sofianos, A. & Kapenis, A.P. (1998). Numerical evaluation of the response in bending of an underground hard rock voussoir beam roof. .  International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 35(8), 1071‐1086. 

Stimpson, B. (1987). Optimising the reinforcement effect of full‐column, untensioned, grouted bolts in bedded mine roof. International Journal of Mining and Geological Engineering, 5, 285‐298. 

Page 145: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

127 

Stjern, G. (1995). Practical Performance of Rock Bolts. Doktor Ingenior Thesis, Instituttt for Geologi Bergteknikk, norges Tekniske Hogskole, Universtitetet i Trandheim. 

Tarrant, G. (2006).  Skew roof deformations mechanism in longwall gateroads: Concepts and consequences.  Paper presented in COAL 2005, 6th Australian Coal Operators Conference. Brisbane, AusIMM. 

Thompson, A.G. (2004). Rock support action of mesh quantified by testing and analysis. Paper presented in Surface support in Mining. (Eds. Potvin, Y., Stacey, D., & Hadjigeorgiou, J.)  Australian Centre for Geomechanics, pp 391‐398. 

Zipf, R.K. (2005). Failure mechanisms of multiple seam mining interactions. Paper presented in 24th International Conference on Ground Control in Mining. 93‐106.  

Page 146: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

128 

APPENDIX A VOUSSOIR BEAM SPREADSHEET 

By  implementing  the  spreadsheet  as  detailed  below,  you  acknowledge  that  you  appreciate  the limitations of the method as outlined in Sofianos, A. & Kapenis, A.P. (1998). Numerical evaluation of the  response  in bending of an underground hard  rock voussoir beam  roof.    International  Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 35(8), 1071‐1086.  

 

 

 

 

 

 

 

 

INPUT m Span 70 m Beam thickness 10 Gpa Modulus 7.5 kn/m3 Density 25 MPa UCS 30 m Surcharge thickness 5 kN/m3 Surcharge density 24

Output Crushing factor =C18/C23 Buckling factor =C19/C23 Deflection mm =C30*C27*1000

calculations n check 0.1-0.3 =0.3-0.14*C16*POWER(C23,0.333) Sn =C2/C3 m Equivalent surcharge =C7*C8/C5 equation 9 =4*C14*C6/C4/1000/C26*SQRT((1-

0.5*C14*C6/C4/1000*C24*C26*C26)) buckling =3/C26/C26/C26 Q =(C3+C17)/C3*C5*C3 Qn =(C17+C3)/C3*C5*C2/C4/1000000 lamda =0.2+0.06*SQRT(C16)+0.0005/SQRT(C23) Zon =1-2*C14/3 Sz =C2/C27 Zo =C25*C3 delzo =C23*C26*C26*C26/16 omega =1/3*ATAN(SQRT(1/27-C28*C28)/C28) delz =1-COS(C29)/SQRT(3)-SIN(C29)

thickness (C3) 

Surcharge thickness and density (C7,C8)

span (C2) 

UCS, modulus, density (C6,C4,C5) 

Page 147: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

129 

APPENDIX B EXAMINE 3D MODELLING 

 

This appendix provides more details on some of the Examine3d modelling.   

Figure B1 shows the difference between 5m, 5.5m, and 8m wide roadways.  The plots support the use of the BPXS plots for roadways between 4.5m and 5.5m in width, but not for roadways that are wider.  

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

8M WIDE

5M WIDE

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

5.5M WIDE

 

Figure B1 Results for different roadway widths, assuming 3m height, σ1 = 12 MPa, σ2 = 9 MPa, and σ3 = σv = 6 MPa, roadway parallel to σ1 , and PR = 0.25 

 

Page 148: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

130 

Figure B2 shows the effect of Poissons ratio.  For Bottling at 2.31m and a 35º friction angle, the value of the BPXS at 0.4m  into the roof  is 0.906, 0.863, and 0.838 for Poissons Ratio values of 0.35, 0.25, 0.15 respectively. 

 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Bolt location (m)

0

0.5

1

1.5

2

Hei

ght i

nto

roof

(m)

0.15

0.25

0.35

 

Figure B2 Results for different Poissons ratios, assuming 3m height and 5m wide, σ1 = 12 MPa, σ2 = 9 MPa, and σ3 = σv = 6 MPa, roadway parallel to σ1 . 

Page 149: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

131 

Table B1 Summary of BPXS data as refered to in the body of the report.  

Normal to roadway

Parallel to roadway

Vertical BPXS (kN)

Height into roof (m0 0.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 Friction angle 35 35 30 25 20 15 10

1 1 6 277 387 440 497 554 615 673 1 3 6 345 483 538 588 644 699 751 1 6 6 421 599 659 705 759 810 856 1 12 6 560 820 894 932 988 1029 1066 3 1 6 312 410 466 526 593 658 720 3 3 6 370 490 551 606 672 734 791 3 6 6 452 607 673 724 788 846 897 3 9 6 529 724 793 842 903 956 1002 3 12 6 603 833 913 955 1019 1066 1108 3 24 6 879 1240 1356 1394 1466 1499 1524 6 1 6 347 422 490 559 635 711 782 6 3 6 401 497 571 635 710 784 850 6 6 6 490 620 700 758 830 900 959 6 9 6 576 738 820 877 947 1011 1065 6 9 6 576 738 820 877 947 1011 1065 6 12 6 656 853 940 993 1063 1121 1171 6 12 6 656 853 940 993 1063 1121 1171 6 12 12 904 1214 1347 1449 1575 1692 1794 6 15 6 730 962 1060 1106 1179 1230 1277 6 18 6 804 1071 1177 1219 1294 1340 1382 6 24 6 951 1278 1402 1444 1516 1558 1589 8 12 6 683 862 956 1017 1090 1156 1211 9 3 6 437 511 597 671 754 838 913 9 6 6 523 628 722 789 870 951 1019 9 9 6 608 746 842 908 986 1062 1125 9 12 6 693 863 962 1026 1102 1172 1230 9 12 6 693 863 962 1026 1102 1172 1230 9 15 6 775 976 1082 1141 1217 1281 1336 9 18 6 851 1085 1201 1254 1333 1442 1442 9 24 6 999 1304 1434 1480 1563 1609 1652

12 1 6 413 440 533 623 718 814 903 12 3 6 469 519 617 703 795 889 973 12 6 6 554 637 744 825 912 1001 1079 12 8 6 612 715 825 907 989 1076 1150 12 9 6 639 753 863 947 1027 1113 1184 12 12 6 723 870 983 1069 1143 1222 1289 12 12 12 981 1240 1399 1515 1660 1799 1918 12 15 6 808 987 1103 1191 1258 1332 1395 12 18 6 890 1099 1222 1309 1374 1441 1501 12 24 6 1045 1317 1461 1539 1605 1660 1711 15 6 6 588 649 767 859 955 1053 1139 15 9 6 671 764 886 980 1070 1164 1244 15 12 6 756 881 1006 1102 1185 1274 1350 18 1 6 476 461 574 685 802 915 1022 18 3 6 534 541 660 767 881 991 1093 18 6 6 601 636 765 872 981 1090 1188

Page 150: Analytical Tools for Managing Rock Fall Hazards in Australian Coal Mine Roadways

132 

Normal to roadway

Parallel to roadway

Vertical BPXS (kN)

Height into roof (m0 0.2 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 Friction angle 35 35 30 25 20 15 10

18 9 6 703 776 908 1013 1112 1215 1304 18 12 6 788 893 1028 1125 1228 1325 1409 18 18 6 957 1127 1267 1380 1459 1544 1620 18 24 6 1125 1352 1506 1618 1690 1763 1831 24 1 6 509 448 583 722 864 998 1126 24 3 6 528 566 667 804 941 1072 1196 24 6 6 655 650 798 930 1060 1186 1303 24 6 12 938 1037 1234 1404 1590 1777 1945 24 9 6 737 765 921 1050 1174 1297 1407 24 12 6 814 873 1034 1166 1284 1403 1509 24 18 6 1021 1151 1312 1446 1544 1647 1740 24 24 6 1190 1385 1551 1690 1775 1866 1951