Modeling and risk assessment of fault-induced mine water inrush

Resumen

En minería subterránea o de interior, las irrupciones súbitas de agua a las labores mineras constituyen un riesgo que se hace muy común en algunas zonas con graves consecuencias en muchas ocasiones mortales. En las últimas décadas se han registrado innumerables accidentes por avenidas de agua en los principales países productores de carbón (China, India, Polonia, Rusia, etc.) que han provocado la muerte a miles de mineros según los registros oficiales. De entre todos los accidentes provocados por el agua, los producidos por inundaciones de las labores desde fallas geológicas representan en estos países una alta proporción, lo que trae consigo una urgencia por investigar los mecanismos de éste tipo de fenómenos y la necesidad de evaluar el riesgo por inundación inducida por fallas. Esta tesis doctoral aborda la incursión súbita de aguas inducida por fallas desde tres perspectivas: su mecanismo, la evaluación del riesgo y las medidas posteriores al desastre. Para investigar los mecanismos de entrada de aguas inducidos por fallas, se estableció un modelo computacional de una capa subterránea típica de carbón con una falla oculta con el fin de evaluar cuantitativamente la magnitud de la concentración de esfuerzos de los campos tensionales de la falla. La simulación numérica se realizó utilizando el método de elementos finitos extendidos y la mecánica de la fractura, y los resultados de la simulación sugirieron que la concentración de esfuerzos en la punta de la falla causada por la presión del fluido, tensiones in situ y tensiones inducidas por la actividad minera juegan un papel clave en la inducción de la reactivación de fallas y favoreciendo la intrusión de aguas. Para conseguir la evaluación del riesgo de inundación inducida por fallas, se introdujeron dos metodologías en las investigaciones llevadas a cabo: el sistema de inferencia adaptativa neurofuzzy (adaptive neuro-fuzzy inference system - ANFIS) y los sistemas de ingeniería de rocas (rock engineering systems - RES). La primera metodología fue introducida para predecir la probabilidad de una irrupción de aguas causada por una falla específica y la segunda fue introducida para cartografiar el riesgo de irrupción de agua inducida por la falla para toda una cuenca. Mediante estas dos metodologías se establecieron dos modelos cuantitativos de evaluación del riesgo (modelo ANFIS y modelo RES) y los correspondientes estudios de casos fueron elaborados utilizando estos dos modelos establecidos. Los resultados de la evaluación final mostraron que el modelo ANFIS es muy preciso en la predicción de la causa de la irrupción de aguas por una falla específica y el modelo RES puede obtener claramente un mapa de seguridad de la inundación de agua para toda una cuenca minera. Para inundaciones de labores mineras inducidas a partir de fallas, la medida más importante después de ocurrido el desastre es reconocer rápidamente las fuentes de entrada. Identificar con precisión qué acuífero o qué cuerpo de agua está directamente relacionado con el accidente de entrada es el paso clave para controlar el accidente y reducir las bajas así como las pérdidas económicas. En esta tesis, se propone el uso de la red neural de retropropagación (back propagation – BP) para identificar las fuentes de inundación de agua. Según los estudios de casos realizados en el área minera de Jiaozuo, los resultados mostraron que el método propuesto en esta tesis es un método eficaz y preciso para reconocer las fuentes y el origen de las irrupciones de aguas.