Capitulo_1 Introducción

COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERU – CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA CAPITULO DE INGENIERIA DE MINAS

CURSO GEOMECANICA APLICADA AL MINADO SUBTERRANEO

DCR 

I nge ngeni nie er os S.R S. R .L .Lttda.

Geomecánica en Minería y Obras Civiles

Ing. David Córdova Rojas

Lima, 22 al 24 de Setiembre del 2006

Bloques intactos (Roca intacta)

MECANICA DE ROCAS DEFINICION “Ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de la

roca y de los macizos rocosos; esto es, aquella rama de la mecánica que trata con la respuesta de la roca y de los macizos rocosos al campo de fuerzas de su entorno físico”

Ref.: U.S. National National Comitte on Rock Rock Mechanics Mechanics - 1974

MECANICA DE ROCAS SU APLICACION PRACTICA EFECTIVA DEMANDA: DEMANDA: Su integración filosófica con otras áreas que tratan con la respuesta mecánica de todos los materiales geológicos, al campo de fuerzas de su en ento torrno fí físi sico co,, com omo: o:

Geología estructural Hidrogeología Geofísica Mecánica de suelos TODO ESTO EN CONJUNTO ES LO QUE SE DENOMINA:

GEOMECANICA

GEOMECANICA EN LA INDUSTRIA MINERA SEGURIDAD Y ECONOMIA •

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Tra rad dic iciion onal alm men ente te ha si sido do co con nsi side derrada co com mo un as asun unto to li lig gad ado o prim pr imor ordi dial alme ment nte e a la se segu guri rida dad. d. Actua Act uallme men nte te,, ad ade emá más s de la se seg gur urid idad ad,, ha hay y un re reco cono noci cim mie ient nto o creciente sobre su impacto en los aspectos económicos de las la s op oper erac acio ione nes s mi mine nera ras. s. POR ESTAS RAZONES ESTA HABIENDO IMPORTANTES PROGRESOS EN INTEGRAR ESTA HERRAMIENTA TECNOLOGICA DENTRO DEL PROCESO COTIDIANO DE TOMA DE DECISIONES.

GEOMECANICA Y SEGURIDAD •

Reducción en el número y frecuencia de caídas de rocas.

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Evitar o minimizar los daños al personal y a los equipos.

GEOMECANICA Y ECONOMIA •

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Redu Re ducc cció ión n en lo los s co cos sto tos s de re reha habi bili lita tac ció ión n de áre reas as in ine esta tabl bles es.. Ahorro potencial por la no interrupción de la producción a causa de los prob pr oble lema mas s de ine inest stab abili ilida dad. d. Ganancia en la producción por la dedicación del personal a esta tarea en luga lu garr de de dedi dic cars rse e a la re reha hab bil ilit ita aci ción ón de áre rea as in ine est stab able les s. May Ma yor re recu cupe pera raci ción ón de dell mi mine nera rall po porr ad adec ecua uado dos s di dise seño ños s ge geom omec ecán ánic icos os..

Redu Re ducc cció ión n de co cost stos os po porr el min ina ado mas asiv ivo o de gr gra and ndes es abe berrtu tura ras. s.

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Ahor orrro en el consumo de cemento de lo los s rellenos cementados.

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Otros.

ESQUEMA DE UNA MINA SUBTERRANEA IDEALIZADA

Chimenea de acceso

MINADO SUBTERRANEO EXCAVACIONES FORMAS

TAMAÑOS

ORIENTACIONES

FUNCIONES ESPECIFICAS

TAJEOS TA JEOS

VIDA CONDICIONADA A LA EXTRACCION ACTIVA DEL MINERAL INCREMENTAN INCREMENTA N SU TA TAMAÑO MAÑO

ABERTURAS DE ACCESO  Y SERVICIOS A TAJEOS

VIDA LIMITADA A LA DURACION DEL MINADO (TEMPORALES) EJEMPLOS: CRUCEROS DE ACCESO CHIMENEAS DE ACCESO ECHADEROS DE MINERAL VENTANAS VENTA NAS DE CARGUIO ETC.

ABERTURAS DE ACCESO Y SERVICIOS PERMANENTES

VIDA COMPARABLE O SUPERIOR A LA VIDA DE LA MINA EJEMPLOS: GALERIAS DE NIVEL RAMPAS PIQUES DUCTOS DE VENTILACION ETC.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO TAJEOS •

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Excavaciones de mayor tamaño y zonas de influencia infl uencia más má s grandes. El control de la estabilidad está en función del comportamiento geomecánico y económico de los tajeos individualmente y globalmente. Condiciona la ubicación, diseño y rendimiento operacional de las excavaciones circundantes. Importante: Establecer adecuados esquemas y secuencias de avance para producir mínima perturbación de la masa rocosa.

ABERTURAS DE D E ACCESO Y SERVICIOS A LOS TAJEOS •

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Están en zona de influencia de los tajeos. Su vida de servicio puede imponer condiciones severas y adversas si no se toman en cuenta las perturbaciones del minado. Importante: Posición, forma y sostenimiento para asegurar su rendimiento.

ABERTURAS DE ACCESO Y SERVICIOS, PERMANENTES •

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Deben presentar especificaciones rigurosas de rendimiento. Diseño comparable con otras áreas de la práctica de la ingeniería. Importante: Ubicación de estas excavaciones.

FACTORES QUE CONTROLAN LA ESTABILIDAD FACTORES PRE-EXISTENTES A LA EXCAVACION •

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Características del medio geológico Comportamiento mecánico del medio geológico Esfuerzos in-situ

FACTORES POSTERIORES A LA EXCAVACION •

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Esfuerzos inducidos por el minado Forma, tamaño y orientación de las excavac excavaciones iones Carácter dinámico de las excavaciones por el avance del minado

EFECTOS DE APERTURAR EXCAVACIONES CREACION DE UNA ESTRUCTURA ROCOSA •

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Vacíos Elementos de sostenimiento naturales y artificiales Mineral remanente

PERTURBACIONES MECANICAS EN EL MEDIO ROCOSO •

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Desplazamientos hacia el vacío creado Nuevos estados de esfuerzos y deformaciones Acumulaciones de energía de deformación

! SE REQUIERE CONTROLAR ESTAS PERTURBACIONES ! ….

INESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSAS

Fracturamiento y aflojamiento de la roca

INESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSAS

Deslizamientos a través de superficies de discontinuidades

INESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSAS

Deflexiones excesivas del techo

INESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSAS

Convergencia o cierre de los lo s contornos de la excava excavación ción

INESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSAS

Fallas inestables de la roca (Liberaciones de energía potencial)

OBJETIVOS DE LA GEOMECANICA EN EL MINADO •

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Asegurar la estabilidad global de la estructura de la mina. Proteger las principales aberturas de servicio a través de su vida de diseño. Proveer accesos seguros a los lugares de trabajo en y alrededor de los centros de producción de mineral. Preservar en condición de minables las reservas de mineral no minadas.

PLANEAMIENTO Y DISEÑO ES DETERMINAR ! EL PROBLEMA TIPICO DEL PLANEAMIENTO LA SECU SECUENCI ENCIA A DE EXP EXPLOTA LOTACION CION DEL YACIMIE ACIMIENTO NTO SA SATISFACIEN TISFACIENDO DO ESTOS OBJETIVOS SIMULTANEAMENTE! …..

! LA REALIZACION DE ESTOS OBJETIVOS REQUIERE DEL CONOCIMIENTO DE LAS CONDICIONES GEOMECANICAS GEOME CANICAS DEL YACIMIENTO YACIMIENTO Y DE LA CAP CAPACIDAD PARA ANALIZAR LAS CONSECUENCIAS MECANICAS DE LAS DIFERENTES OPCIONES DE MINADO!

PARTICULARIDADES DEL MINADO SUBTERRANEO •

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El uso de cualquier abertura o labor minera, está bajo el control del operador de la mina, y durante su utilización activa, activa, las superficies de una excavación excavación deberán ser objeto de inspecciones virtualmente continuas por parte del personal de la mina. Los trabajos para mantener o restablecer condicion condiciones es seguras alrededor de una excavación, variarán desde el correcto desatado hasta la colocación de sostenimiento adecuado, y estos deben ser llevados a cabo en cualquier etapa, bajo la dirección de la supervisión de la mina. El diseño dis eño de una excavación exc avación minera refleja un grado de control inmediato sobre la utilización, inspección, mantenimiento y colocación del sostenimiento de la excavación, suministrado por el operador de mina. La estructura de la mina evoluciona durante la vida de la mina, por lo que la secuencia o estrategia de extracción de un tajeo o block de mineral asume gran importanc importancia. ia.

ORGANIZACION DEL TRABAJO GEOMECANICO EN EL MINADO SUBTERRANEO

GERENTE O SUPERINTENDENTE

OPERACIONES MINA PLANEAMIENTO  Y DISEÑO DE MINA

DEPARTAMENTO GEOLOGIA MINA

GEOMECANICA

Interacción entre grupos técnicos involucrados en la ingeniería de minas

FUNCIONES DE: (EN RELACION A LA GEOMECANICA)

LA GERENCIA: •

Definir el marco de referencia sobre la política y objetivos de la empr pre esa en re rela lac ció ión n a: Restricciones corporativas particulares sobre las técnicas de minado como: las restricciones en las perturbaciones del área física loca lo cal, l, la las s re res str tric icci cion ones es sob obre re la las s pe pert rtur urba bac cio ion nes ge geo ohi hidr drol ológ ógic ica as, la las s restricciones sobre las prácticas operativas como: el trabajo en exc xcav avac acio ione nes s vert rtic ical ales es o ba bajo jo tec echo hos s tem empo pora rale les s si sin n sos oste teni nim mie ient nto, o, etc.

GEOLOGIA MINA: •

Proveer info forrmación geoló lóg gica estructural y de ingeniería geoló lóg gica del yacim imiiento sobre la base de un tr tra abajo de rutina na..

PLANEAMIENTO Y DISEÑO: •

Definir todos los componentes estructurales de la mina, sobre la base de un trabajo interactivo con el Grupo de Geomecánica, de tal mane ma nera ra de de defi fini nirr la es estr tra ate tegi gia a ge gene nera rall de mi mina nado do de dell yac acim imie ient nto. o.

FUNCIONES DEL GRUPO DE GEOMECANICA GEOME CANICA (En interacción con Planeamiento y Diseño Mina)

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Diseño de aberturas mineras permanentes

Diseño de esquemas y secuencias del avance del minado (En función de la ev evo olució ión n de la est strructura de la mina, para pa ra un pr prog ogra rama ma de mi mina nado do op oper erac acio iona nalm lmen ente te ac acep epta tabl ble) e)

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Diseño de los sistemas de extracción (Detalles de la conf co nfig igur urac ació ión n de dell ta taje jeo o y la re recu cupe pera raci ción ón de dell min iner eral al de dell ta taje jeo o)

DISEÑO DE ABERTURAS MINERAS PERMANENTES

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Ubicación de estas aberturas

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Dimensionamiento de las mismas

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Especificaciones del sostenimiento

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Diseños detallados de aberturas especiales (cabinas de winches, cámara de chancado, talleres subterráneos ...)

DISEÑO DE ESQUEMAS Y SECUENCIAS DEL AVANCE DEL MINADO (En función de la evolución de la estructura de la mina) •

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Establecer dimensiones adecuadas de los tajeos y de los pilares. Establecer esquemas adecuados de los tajeos y de los pilares dentro del cuerpo mineralizado, tomando en cuenta sus ubicaciones y orientaciones respecto al arreglo estructural de la masa rocosa y a los esfuerzos actuantes. Establece r la dirección general del avance del minado a través del cuerpo Establecer mineralizado. Establecer la secuencia secuencia de extracción extracción de los tajeos tajeos o blocks blocks mineralizados mineralizados y de los pilares remanentes, protegiendo las instalaciones de servicios, manteniendo los accesos y preservando la estabilida estabilidad d estructura estructurall de la mina. Especificar el sostenimien sostenimiento to temporal. Especificar los parámetros de resistencia de cualquier tipo de relleno.

DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE EXTRACCION •

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Establecer las medidas de estabilidad de los contornos de los tajeos, a través de la vida de trabajo del mismo, evaluando las posibilidade posibilidades s de fallas controladas estructuralmente desde las superficies de los tajeos y de los pilares. Establecer la dirección preferencial de retirada en los tajeos. Asegurar el rendimiento adecuado de la masa rocosa involucrada con las ventanas de carguío, echaderos de mineral y de relleno, durante la vida del tajeo. Anticipar ocurrencias de problemas de inestabilidad en las labores de Anticipar extracción, debido a la densidad de las aberturas, influencia de los esfuerzos y de la voladura. Apoyar en el diseño de la voladura primaria.

COMPONENTES Y LOGICA DE UN PROGRAMA GEOMECANICO Caracterización del sitio Definición de las condiciones geomecánicas de la masa rocosa del yacimiento para el minado

Formulación del modelo de mina Conceptualización de los datos de la caracterización del sitio

Análisis de diseño Selección y aplicación de esquemas matemáticos y computacionales para el estudio de las alternativas de esquemas y estrategias de minado

Monitoreo del rendimiento de la roca Mediciones de la respuesta operacional al minado de la masa rocosa del yacimiento

Análisis retrospectivo Cuantificación de las propiedades in-situ de la masa rocosa e identificación de los modos de respuesta dominantes de la estructura de la mina

Caracterización del sitio Definición de las condiciones geomecánicas de la masa rocosa del yacimiento para el minado

El primer paso del circuit ito o es para defin iniir las propie ieda dade des s me mec cánic ica as y esta tad do del me med dio en el cual ocurrir irá á el minado. Esto involu luc cra: •

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Det eter erm min ina aci ció ón de la las s pr pro opie ied dad ades es de re resi sist sten enci cia a y def efo orm rma aci ció ón de la las s dife di fere rent ntes es un unid idad ades es li lito to-e -est stra rati tigr gráf áfic icas as as asoc ocia iada das s al cu cuer erpo po de mi mine nera ral. l. Definición de las propiedades geométricas y mecánicas de los sistem sis temas as de dis disco cont ntinu inuid idade ades s me meno nores res.. Ubicación y descripción de las propiedades de las discontinuidades mayores. Estimación de la resistencia in-situ del medio rocoso a partir de las propie pro piedad dades es de sus ele elemen mento tos s con consti stitu tuye yente ntes. s. Det eter erm min inac ació ión n del est stad ado o de es esfu fuer erzo zos s in in--si situ tu en el áre rea a de min ina ado do.. Inv In ves esti tiga gaci ción ón de la hi hidr drog ogeo eolo logí gía a de dell cu cuer erpo po mi mine nera rali liza zado do y su en ento torn rno. o.

Formulación del modelo de mina Conceptualización Conceptualiza ción de los datos de la caracterización del sitio

Representa la simplificación y racionalización de los lo s datos generados en la caracterización del sitio para los análisis de diseño. El obje jettiv ivo o es tomar en cu cuen enta ta lo los s pri rin nci cip pal ale es ra ras sgos ge geo omecá cáni nico cos s que serán considerados en el comportamiento deformacional del modelo. Porr eje Po ejemp mplo: lo: •

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A las unidades litológicas se les asignará propiedades de resistencia y deformac defo rmación ión prom promedia edias s “representativas”. A lo los s ra rasg sgos os es estr truc uctu tura rale les s ma may yor ores es se le les s as asig igna nará rá un una a ge geo ome metr tría ía re regu gula lar  r  y pr prop opie ieda dade des s de re resi sist sten enci cia a al co cort rte e pr prom omed edia ias. s. Se dará una especificación representativa del estado de esfuerzos del pre-minado.

En esta etapa pueden haber discrepancias significativas en los datos de entrada debido a fallas en la consideración de rasgos particulares de la constitución geomecánica de la mina.

Análisis de diseño Selección y aplicación de esquemas matemáticos y computacionales para el estudio de las alternativas de esquemas y estrategias de minado

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Representa Represent a el corazón de la práctica de la geomecánica. Aqu quíí se pu pued ede e pr pred edec ecir ir us usan ando do té técn cnic icas as ma mate temá máti tica cas s o nu num mér éric icas as ap apro ropi piad adas as,, el re rend ndim imie ien nto mec ecá ánic ico o de la las s conf nfig igu ura rac cio ione nes s de min ina ado se sele lec cci cio onad adas as y de las la s geo eom met etrí rías as de las exc xcav ava aci cio ones es,, par ara a la las s co con ndic icio ion nes pre redo domi min nan ante tes s de la masa ma sa roc rocosa osa.. Las herramientas analíticas pueden variar desde las más simples, como por  ejemplo la teoría del área tributaria para el diseño de pilares, hasta las más avan av anza zada das, s, co como mo po porr ej ejem empl plo, o, lo los s es esqu quem emas as co com mpu puta taci cion onal ales es qu que e co cons nsid ider eran an modelos constitutivos bastante complejos del comportamiento tanto de la masa ro roc cos osa a co com mo de sus ele lem mentos de fáb ábri rica ca.. Producto de recientes desarrollos en la capacidad de los esquemas computacionales hoy en día disponibles, ha habido av ava ances significativ ivo os, y mejo me jora rami mien ento to de la co conf nfia iab bil ilid idad ad,, en la ca cali lida dad d de dell di dise seño ño es estr truc uctu tura rall en ro roca ca..

Monitoreo del rendimiento de la roca Mediciones de la respuesta operacional al minado mi nado de la masa rocosa del yacimiento

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El objetivo de esta etapa es caracterizar la respuesta operacional de la mas asa a ro roco cosa sa a la ac acttiv ivid idad ad de min ina ado do.. Se in inttent nta a aqu quíí est stab abllec ece er una co com mpre ren nsi sió ón del ro roll de lo los s var ario ios s ele lem ment nto os de la ma masa sa ro roco cosa sa en su co comp mpor orta tami mien ento to ca carg rgaa-de defo form rmac ació ión. n. Los datos requeridos para este entendimiento son obtenidos por   mediciones de desplazamientos y esfuerzos en ubicaciones claves de la estr es truc uctu tura ra de la mi mina na.. Estas Esta s med ediici cio one nes s pued eden en ser efe fect ctua uad das co con n in insp spe ecc ccio ion nes vis isu ual ale es o co con n instrumentación de campo dentro y alrededor de las zo zon nas de activ iviidad de minado. Se debe buscar correlaciones entre el rendim imiiento local de la masa rocosa y la pr prod oduc ucti tiv vid idad ad de dell ta taje jeo. o.

Análisis retrospectivo Cuantificación de las propiedades in-situ de la masa rocosa e identificación de los modos de respuesta dominantes de la estructura de la mina •

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El proceso de análisis cuantitativo de los datos generados por el monitoreo intenta reaf afiirmar y mejorar el conocim imiiento de las pro rop piedades mecánicas in in-situ de la masa rocosa, asimismo rev eviisar la adecuabilidad del modelo de min ina a formulado. De esta manera se identificarán los parámetros geomecánicos claves que dete de term rmin inan an la re resp spue uest sta a de defo form rmac acio iona nall de dell me medi dio o ro roco coso so.. Es par arti tic cula larm rmen entte val alio ioso so lo los s datos gener era ado dos s por el anál ális isiis de fa fallla las s lo loca cale les s en el si sist stem ema. a. Es Esto tos s pr prop opor orci cion onan an in info form rmac ació ión n so sobr bre e la or orie ient ntac ació ión n y ma magn gnit itud ud relativ iva a de los esfuerzos in-situ así como de los parámetros de resist ste encia in in-situ de la masa rocosa. Con toda esta información se puede formular en forma detallada diseños de tajeos y criterios operativos, pudiéndose luego establecer los diferentes est stán ánd dar ares es de min inad ado o par ara a lo los s dif ifer eren enttes ti tipo pos s de cond ndiici cion ones es est stru ruct ctu ura rale les sy litológicas. LOS DATOS GE GENE NERA RAD DOS POR EL ANA NAL LIS ISIS IS RETR TROS OSPE PEC CTI TIVO VO SO SON N USA SAD DOS PARA ACT CTUA UALI LIZA ZAR R LO LOS S DA DAT TOS DE LA CA CARA RACT CTER ERIZ IZAC ACIO ION N DE DEL L SI SITI TIO, O, EL MO MODE DELO LO MI MINA NA Y LOS PRO PROCES CESOS OS DE DIS DISEÑO EÑO,, VIA RET RETROA ROALIME LIMENT NTAC ACION. ION.

PROGRAMA GEOMECANICO DE UNA MINA SUBTERRANEA ASPECTOS CLAVES: •

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Mantener un programa de obtención de información geomecánica básica, mediante mapeos geotécnicos, para la caracterización de la masa rocosa del yacimiento, que conduzca a una zonificación geomecánica de la mina. Realizar las diversas aplicaciones geomecánicas a la explotación de la mina, usando los datos de caracterización del sitio y aplicando diversos métodos métodos de cálculo para evaluar varios esquemas y estrategias de minado.

Caracterizar la respuesta operacional de la masa rocosa a la actividad de minado, por medio de mediciones y observaciones. Acumular información in-situ sobre el comportamiento de la masa r ocosa y los modos de respuesta de la estructura de la mina, para realizar procesos de retroalimentación. Establecer estándares de los parámetros geomecánicos y los procedimientos de control de calidad de los mismos. Capacitación permanente al personal de la mina.