Estallido de Rocas

«ESTALLIDO DE ROCAS»

Se ha considerado de interés preparar este artículo, el mismo que da una visión general de la situación actual en que se encuentra a nivel mundial la problemática relacionada con el fenómeno de estallidos de rocas. La toma de conocimiento de todos los aspectos que se presentan, será de importancia para los ingenieros que se encuentran frente a este nuevo reto que plantea la ejecución de excavaciones rocosas subterráneas, particularmente asociadas a las operaciones mineras.

CONSIDERACIONES CONSIDERACION ES PREVIAS •

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Antes del minado, el material a ser excavado ejerce un conjunto de fuerzas de sostenimiento natural a la roca circundante y cuando se produce la excavación se eliminan estas fuerzas de sostenimiento, es decir, el proceso de minado es estáticamente equivalente a la introducción de un conjunto de fuerzas sobre las superficies de la excavación, igual en magnitud pero en sentido opuesto a aquellas que actuaban originalmente. Los procesos de minado van generando una estructura rocosa, que consta de vacíos y de elementos de sostenimiento naturales y/o artificiales, esta estructura rocosa va evolucionando conforme avanza la explotación de la mina El objetivo final en el diseño de una estructura minera será controlar los desplazamientos de la roca dentro y alrededor de las excavaciones rocosas.

ANTECEDENTES SOBRE ESTALLIDO DE ROCAS

El término estallidos de roca ha sido usado de un modo general para describir la falla de la roca, variando esta en magnitud desde la expulsión de pequeños fragmentos de roca de la superficie de pilares o paredes de las excavaciones mineras hasta el colapso súbito de áreas que cubren varios cientos de metros medidos a lo largo del rumbo de las vetas, por varios cientos de metros en profundidad.

A nivel mundial actualmente ocurren estallidos de rocas principalmente en los siguientes lugares: 

En Witwatersrand - Sudáfrica

Los estallidos de rocas fueron inicialmente observados desde el cambio del Siglo XIX al siglo XX. Con el incremento de la escala de minado y la profundización de las minas en décadas subsecuentes (actualmente las profundidades varían desde 1000 m hasta mas de 3000 m) el peligro de los estallidos progresivamente ha sido mayor, lo cual obligó al gobierno de Sudáfrica a conformar comités de investigación en la materia hasta en 3 oportunidades (1915, 1924 y 1964).

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En los Campos Auríferos de Kolar en la India

Los problemas llegaron a ser serios cuando se alcanzaron mayores profundidades (hasta más de 3200 m), causando pérdidas de vidas humanas, daños y pérdidas de piques, accesos de personal, excavaciones de transporte, instalaciones de bombeo, de ventilación, etc. Asimismo valiosas reservas de mineral se perdieron para siempre.

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 En Canadá

El primer estallido ocurrió en 1932 en las minas Lake Shore  y Wright Hargreaves que alcanzaron las profundidades mayores (hasta 2600 m debajo de la superficie). Las profundidades promedio de las minas de esta área varían desde 750 hasta 2000 m aproximadamente. Con el progreso del minado de esta área, los estallidos de roca crecieron significativamente.

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En el Distrito Coeur d'Alene (USA)

Se han experimentado problemas d estallidos desde aprox. los inicios de la década de 1930, donde vetas estrechas de buzamiento muy empinadas son corrientemente minadas a profundidades mayores que 2500 m. Especialmente en las tres décadas pasadas el Bureau of Mines de U.S.A. ha realizado investigaciones sobre los estallidos de rocas para su prevención y control.

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En Zambia – Zaire

A principios de la década de 1970 ocurrieron los primeros estallidos en la provincia metalogenética de Zambia-Zaire, resultantes en pérdidas de vidas  y la producción. No obstante las investigaciones realizadas desde aquel tiempo el problema continuó agravándose, lo cual obligó a replantear investigaciones más detalladas, las cuales condujeron a seguir extrayendo el mineral con un mínimo de ocurrencias de estallidos de rocas.

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En la Industria Minera Carbonífera

La frecuencia y magnitud de los estallidos de roca, han creado problemas especiales en algunas situaciones de minado metalífero en roca dura. Los estallidos de roca sin embargo no son problemas únicos en roca dura, algunas operaciones mineras de carbón han experimentado también problemas de estallidos de roca, siendo en ciertos casos este fenómeno de mayor complejidad que el experimentado en roca dura.

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En la mina Casapalca - Perú

Esta mina tiene actualmente 1300 m de profundidad y la roca es competente. Las primeras noticias sobre la ocurrencia de estallidos se remontan a la segunda mitad de la década del 70'. Entre finales de la década del 80' y principios de la década del 90' hubo aumento en la frecuencia y severidad de la ocurrencia de estallidos.

LOS MODERNOS PROGRAMAS DE INVESTAGACION

se puede separar en cuatro fases los esfuerzos que se vienen realizando en la lucha contra los estallidos de rocas:

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Primera Fase: INVESTIGACION INICIAL

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Segunda Fase: DESARROLLO DE CONTRAMEDIDAS

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Tercera Fase: IMPLEMENTACION DE MEDIDAS PREVENTIVAS

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Cuarta Fase: INVESTIGACION FUTURA

MECANISMO DE LA OCURRENCIA DE LOS ESTALLIDOS DE ROCA Una explicación del origen de los estallidos de rocas, es que ellos son liberaciones inestables de energía potencial de la roca circundante a las excavaciones. Otra explicación es que los cambios producidos por el minado simplemente activan eventos sísmicos que se derivan principalmente de la energía de deformación producida por las diferencias geológicas en el estado de esfuerzos. Es decir, al llegar a un cierto valor la energía acumulada en la roca (la cual rebasa la resistencia de la misma), esta produce el fenómeno del estallido.

 La energía sísmica y las causas de los eventos sísmicos

La base física de los estallidos de rocas ha sido definida por Cook como "la rotura o falla incontrolada de la roca asociada con una liberación violenta de energía", los cuales causan daños a las labores subterráneas y por inferencia al personal y/o equipos. En este contexto y relacionado a los eventos sísmicos, los estallidos de roca constituyen un subconjunto de un rango amplio de eventos sísmicos que pueden ocurrir dentro del macizo rocoso como consecuencia de las actividades de minado. El minado da lugar a una actividad sísmica, que varía desde eventos microsísmicos, tan pequeños como 10-5J (Joules), a temblores tan grandes como 109J. Para propósitos del problema que abordamos, una ocurrencia violenta o súbita que irradia una cantidad de energía cinética no menor de 104J, sería considerada como un evento sísmico que podrá causar daños a las labores mineras.

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Fuentes de energía sísmica

Los estallidos de rocas y otros eventos sísmicos están asociados con condiciones del equilibrio inestable, que podrían involucrar deslizamientos sobre superficies de discontinuidades pre-existentes o el fracturamiento de la roca intacta. En este sentido los mecanismos involucrados en la sismicidad inducida por el minado, son los mismos que aquellos causados por los sismos terrestres naturales.

PRINCIPIOS BÁSICOS PARA LA MITIGACIÓN DE LOS RIESGOS DE ESTALLIDOS DE ROCAS

Los siguientes factores juegan un rol principal en determinar si un evento sísmico llegará o no a ser estallido: - El contenido de energía cinética del evento.

- La distancia desde el foco del evento hasta la excavación minera. - El estado de esfuerzos alrededor de la excavación. - La calidad de la roca alrededor de la excavación; y, - La calidad del sostenimiento de la excavación. La mitigación de los riesgos asociados con los estallidos de rocas puede lograrse, buscando: - Reducir el número de eventos sísmicos. - Disminuir el contenido de energía sísmica de los eventos sísmicos. - Disminuir la proporción de eventos sísmicos que se manifiestan como estallidos de roca; y, - Finalmente, minimizar los efectos del daño de los estallidos de rocas.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA OCURRENCIA DE ESTALLIDOS DE ROCAS

1.- Los factores relevantes pre-existentes al minado, básicamente comprenden: - El medio geológico. - Las propiedades de comportamiento mecánico de ese medio geológico; y, - El campo de esfuerzos original. 2.- Los factores posteriores al minado comprenden: - Los esfuerzos inducidos por el minado; y consecuentemente, - La energía de deformación.

EL MEDIO GEOLÓGICO En primer lugar nos referiremos al material rocoso. Generalmente están asociados con la ocurrencia de estallidos, rocas que cualitativamente son descritas como duras, fuertes y frágiles. La fragilidad y otras características relacionadas a los estallidos de rocas pueden ser más cercanamente identificadas con la petromineralogía. Las rocas ígneas y metamórficas son generalmente más propensas a los estallidos que las sedimentarias. En términos de composición mineral, las rocas más silíceas y aquellas que contienen otros minerales duros son más propensas a los estallidos, mientras que por ejemplo los carbonatos y otros minerales sueltos no lo son.

PROPIEDADES DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL MEDIO GEOLÓGICO : Las rocas con módulos de elasticidad de 40 a 100 GPa son propensas a estallidos y cuanto más elásticas sean esta propensidad aumenta, por el contrario, la propensidad disminuye cuando las rocas tienden a un comportamiento no elástico.

EL CAMPO DE ESFUERZOS ORIGINAL •

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 El efecto gravitatorio de la carga litostática, crea esfuerzos in-situ altos. Es necesario entonces incluir aquí la influencia de posibles esfuerzos tectónicos residuales, que podrían cambiar sustancialmente la naturaleza y magnitud de los esfuerzos insitu.

LOS ESFUERZOS INDUCIDOS POR EL MINADO Y LA ENERGÍA DE DEFORMACIÓN. El tamaño de la excavación. El ancho de los tajeos: el incremento del ancho de los tajeos está asociado con el incremento de la ocurrencia de estallidos de rocas. En general las formas y tamaños inadecuados de las excavaciones crean problemas de inestabilidad. El inadecuado dimensionamiento de pilares.

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Igualmente las inadecuadas secuencias o esquemas de minado crean propensidad a los estallidos. La complejidad geométrica como se presentan las vetas o cuerpos mineralizados. •

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La densidad de las excavaciones o ubicación espacial de unas excavaciones con respecto a otras.

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El minado próximo a áreas antiguas de minado.

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Los efectos de deformación con el tiempo, los cuales se agravan en medios de disturbancia geológica y consecuentemente generan disturbancias de esfuerzos si es que no se adoptan medidas adecuadas para evitarlo.

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Finalmente, podemos añadir algunos procedimientos operacionales de minado.

MEDIDAS DE PREVENCIÓN DE ESTALLIDOS DE ROCAS

En Sudáfrica

La práctica de la defensa contra los estallidos de rocas esta basada en la aplicación combinada de estos tres conceptos: soporte efectivo de los frentes de avance, adecuados diseños de los esquemas de minado y el control del volumen de convergencia.

MEDIDAS ESTRATÉGICAS INVOLUCRA PRINCIPALMENTE:

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El dimensionamiento adecuado de los tajeos. El planeamiento a corto y largo plazo de las secuencias y esquemas de minado. La introducción de diferentes formas de relleno en los tajeos. La extracción parcial del cuerpo mineralizado mediante el establecimiento de nuevas formas, tamaños.

MEDIDAS TÁCTICAS, ESTAS INVOLUCRAN:

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La introducción de sistemas de sostenimiento efectivo en tajeos: -La entibación hidráulica de fluencia rápida ideada por Cook. -El enmaderado tradicional ha sido reemplazado por miembros de concreto prefabricados. -La combinación de redondos de madera introducidos en tubos de acero.

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El diseño y sostenimiento de túneles y excavaciones de servicio: -En túneles, la madera y el acero reemplazados por los pernos de roca o cables de anclaje. -En piques, generalmente se usan pernos o cables de anclaje cementados. -En general, cuando la masa rocosa presenta fracturamiento por bloques se añade al sostenimiento anterior el shotcrete.

EN LA INDIA Dan mayor importancia al “cierre  de las paredes de los tajeos”,  es decir, al control del volumen de convergencia. Las medidas que se adoptan para combatir los estallidos de rocas también son similares.

Medidas:

Secuencias de minado, geométricamente diseñados. •

Sistemas de sostenimiento características de fluencia.Q •

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EN CANADÁ Y USA Medidas:

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Uso de relleno de roca cerca al frente de avance. Diseños de secuencias de minado. Uso de sostenimiento extra en tajeos.  Utilización de técnica de desforzamiento.

En estos países ha sido de interés investigar si áreas rígidas (de comportamiento elástico) pueden ser aflojadas (llevadas a comportamiento no elástico), lo cual podría permitir que la energía sea disipada de una manera pacífica más que de una manera violenta. Se postuló que el aflojamiento podría ser logrado por el uso de técnicas de desforzamiento

En Zambia-Zaire Las medidas que adoptan son similares a las de Sudáfrica. La tendencia para adoptar estas medidas es la aplicación de la predicción de la concentración de esfuerzos en la masa rocosa involucrada en la estructura de las minas.

En países con industria minera carbonífera Las medidas que se adoptan para aliviar los riesgos de los estallidos están dentro del mismo esquema que los que se adoptan para roca dura. Así, se consideran: la adecuación de los métodos de minado, el planeamiento de esquemas de minado, y los adecuados dimensionamientos de los pilares. Para el planeamiento de los esquemas de minado, consideran cuidadosamente las condiciones geológicas de la mina y sus implicancias sobre el plan de minado, campo de esfuerzos y grado de protección. Así, cuando se prevén riesgos de estallidos conforme el minado progrese, los principales accesos son ubicados en áreas liberadas de esfuerzos, los cuales ofrecen mayor protección, ya que los accesos en áreas sólidas son más vulnerables a tales riesgos.

Resumiendo: según lo señalado, las alternativas que tenemos disponibles sobre las medidas de prevención de estallidos de rocas son: -Los cambios o modificaciones del método de explotación. - El dimensionamiento geomecánico de los diferentes componentes estructurales de la mina. - El planeamiento y diseño de esquemas y secuencias de minado en función de la evolución de la estructura de la mina. - Introducción de diferentes tipos de relleno en los tajeos. -Introducción de sistemas de sostenimiento adecuados en los tajeos

para proveer soporte activo de los mismos, utilizando los nuevos conceptos y técnicas desarrolladas. - La utilización de las técnicas de desforzamiento, constituye también otra de las alternativas.

ESTRATEGIAS DEL MANEJO DE LOS ESTALLIDOS DE ROCAS.

El objetivo a largo plazo de las estrategias de manejo de los estallidos es proveer esquemas de minado que permitan operar la mina con seguridad y beneficio económico. Para el lograrlo es esencial la aplicación de la ingeniería en mecánica de rocas.

Contribuciones de la mecánica de rocas: 1.- Al diseño de aberturas permanentes como: ubicación y dimensionamiento de piques de servicio y ventilación. 2.- Al diseño de esquemas y secuencias de minado. 3.- Al diseño de sistemas de extracción.