Geomecánica

Capitulo 1: introducción 

MECANICA DE ROCAS

“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 Comitte on Rock Mechanics – 1974 19 74 

SU APLICACION PRÁCTICA EFECTIVA DE LA MECÁNICA DE ROCAS DEMANDA:

Su integración filosófica con otras áreas que tratan con la respuesta mecánica de todos los materiales geológicos, al campo de fuerzas de su entorno físico, como:  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) Tradicionalmente ha sido considerada como un asunto ligado primordialmente a la seguridad. Actualmente, además de la seguridad, hay un reconocimiento creciente sobre su impacto en los aspectos económicos de las operaciones mineras.

Por estas razones esta habiendo importantes progresos en integrar esta herramienta tecnológica dentro del proceso cotidiano de toma de decisiones.   

GEOMECANICA Y SEGURIDAD

Reducción en el número y frecuencia de caídas de rocas. Evitar o minimizar los daños al personal y a los equipos.

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GEOMECANICA Y ECONOMIA

Reducción en los costos de rehabilitación de áreas inestables. Ahorro potencial por la no interrupción de la producción a causa de los problemas de inestabilidad. Ganancia en la producción por la dedicación del personal a esta tarea en lugar de dedicarse a la rehabilitación de áreas inestables. Mayor recuperación del mineral por adecuados diseños geomecánicos. Reducción de costos por el minado masivo de grandes aberturas. Ahorro en el consumo de cemento de los rellenos cementados. Otros.

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ESQUEMA DE UNA MINA SUBTERRANEA IDEALIZADA

MINADO SUBTERRANEO

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CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Tajeos  Excavaciones de mayor tamaño y zonas de influencia más 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 acceso y servicios a los tajeos  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  Deben presentar especificaciones rigurosas de rendimiento.  Diseño comparable con otras áreas de la práctica de la ingeniería.  Importante: Ubicación de estas excavaciones.

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FACTORES QUE CONTROLAN LA ESTABILIDAD

Factores pre-existentes a la excavación  Características del medio geológico  Comportamiento mecánico del medio geológico  Esfuerzos in-situ Factores posteriores a la excavación  Esfuerzos inducidos por el minado  Forma, tamaño y orientación de las excavaciones  Carácter dinámico de las excavaciones por el avance del minado 

EFECTOS DE APERTURAR EXCAVACIONES

Creación de una estructura rocosa  Vacíos  Elementos de sostenimiento naturales y artificiales  Mineral remanente Perturbaciones mecánicas en el medio rocoso  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

Deslizamientos a través de superficies de discontinuidades

Deflexiones excesivas del techo

Convergencia o cierre de los contornos de la excavación

Fallas inestables de la roca (Liberaciones de energía potencial)

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OBJETIVOS DE LA GEOMECANICA EN EL MINADO

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.

! El problema típico del planeamiento y diseño es determinar la secuencia de explotación del yacimiento satisfaciendo estos objetivos simultáneamente! ….. ! La realización de estos objetivos requiere del conocimiento de las condiciones geomecánicos del yacimiento y de la capacidad para analizar las consecuencias mecánicas de las diferentes opciones de minado!  

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PARTICULARIDADES DEL MINADO SUBTERRANEO

El uso de cualquier abertura o labor minera, está bajo el control del operador de la mina, y durante su utilización activa, las superficies de una excavación deberán ser objeto de inspecciones virtualmente continuas por parte del personal de la mina. Los trabajos para mantener o restablecer condiciones 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.

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El diseño de una excavación 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 importancia.

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ORGANIZACION DEL TRABAJO GEOMECANICO EN EL MINADO SUBTERRANEO

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 empresa en relación a: Restricciones corporativas particulares sobre las técnicas de minado como: las restricciones en las perturbaciones del área física local, las restricciones sobre las perturbaciones geohidrológicas, las restricciones sobre las prácticas operativas como: el trabajo en excavaciones verticales o bajo techos temporales sin sostenimiento, etc. GEOLOGIA MINA:  Proveer información geológica estructural y de ingeniería geológica del yacimiento sobre la base de un trabajo de rutina.

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 manera de definir la estrategia general de minado del yacimiento.

FUNCIONES DEL GRUPO DE GEOMECANICA (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 evolución de la estructura de la mina, para un programa de minado operacionalmente aceptable) Diseño de los sistemas de extracción (Detalles de la configuración del tajeo y la recuperación del mineral del tajeo) 

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DISEÑO DE ABERTURAS MINERAS PERMANENTES

Ubicación de estas aberturas Dimensionamiento de las mismas Especificaciones del sostenimiento Diseños detallados de aberturas especiales (cabinas de winches, cámara de chancado, talleres subterráneos...) 

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

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. Establecer la dirección general del avance del minado a través del cuerpo mineralizado. Establecer la secuencia de extracción de los tajeos o blocks mineralizados y de los pilares remanentes, protegiendo las instalaciones de servicios, manteniendo los accesos y preservando la estabilidad estructural de la mina. Especificar el sostenimiento temporal. Especificar los parámetros de resistencia de cualquier tipo de relleno.

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DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE EXTRACCION

Establecer las medidas de estabilidad de los contornos de los tajeos, a través de la vida de trabajo del mismo, evaluando las posibilidades 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 extracción, debido a la densidad de las aberturas, influencia de los esfuerzos y de la voladura. Apoyar en el diseño de la voladura primaria.

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COMPONENTES Y LOGICA DE UN PROGRAMA GEOMECANICO

El primer paso del circuito es para definir las propiedades mecánicas y estado del medio en el cual ocurrirá el minado. Esto involucra:  Determinación de las propiedades de resistencia y deformación de las diferentes unidades lito-estratigráficas asociadas al cuerpo de mineral.  Definición de las propiedades geométricas y mecánicas de los sistemas de discontinuidades menores.  Ubicación y descripción de las propiedades de las discontinuidades mayores.  Estimación de la resistencia in-situ del medio rocoso a partir de las propiedades de sus elementos constituyentes.  Determinación del estado de esfuerzos in-situ en el área de minado.  Investigación de la hidrogeología del cuerpo mineralizado y su entorno.

Representa la simplificación y racionalización de los datos generados en la caracterización del sitio para los análisis de diseño. El objetivo es tomar en cuenta los principales rasgos geomecánicos que serán considerados en el comportamiento deformacional del modelo. Por ejemplo:  A las unidades litológicas se les asignará propiedades de resistencia y deformación promedias “representativas”.  A los rasgos estructurales mayores se les asignará una geometría regular y propiedades de resistencia al corte promedias.  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

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Representa el corazón de la práctica de Geomecánica Aquí se puede predecir usando técnicas matemáticas o numéricas apropiadas, el rendimiento mecánico de las configuraciones de minado seleccionadas y de las geometrías de las excavaciones, para las condiciones predominantes de la masa rocosa. 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 avanzadas, como por ejemplo, los esquemas computacionales que consideran modelos constitutivos bastante complejos del comportamiento tanto de la masa rocosa como de sus elementos de fábrica. Producto de recientes desarrollos en la capacidad de los esquemas computacionales hoy en día disponibles, ha habido avances significativos, y mejoramiento de la confiabilidad, en la calidad del diseño estructural en roca.

El objetivo de esta etapa es caracterizar la respuesta operacional de la masa rocosa a la actividad de minado. Se intenta aquí establecer una comprensión del rol de los varios elementos de la masa rocosa en su comportamiento carga-deformación. Los datos requeridos para este entendimiento son obtenidos por mediciones de desplazamientos y esfuerzos en ubicaciones claves de la estructura de la mina. Estas mediciones pueden ser efectuadas con inspecciones visuales o con instrumentación de campo dentro y alrededor de las zonas de actividad de minado. Se debe buscar correlaciones entre el rendimiento local de la masa rocosa y la productividad del tajeo. •

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El proceso de análisis cuantitativo de los datos generados por el monitoreo intenta reafirmar y mejorar el conocimiento de las propiedades mecánicas situ de la masa rocosa, asimismo revisar la adecuabilidad del modelo de mina formulado. De esta manera se identificarán los parámetros geomecánicos claves que determinan la respuesta deformacional del medio rocoso. Es particularmente valioso los datos generados por el análisis de fallas locales en el sistema. Estos proporcionan información sobre la orientación y magnitud relativa de los esfuerzos in-situ así como de los parámetros de resistencia insitu 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 estándares de minado para los diferentes tipos de condiciones estructurales y litológicas. •

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Los datos generados por el análisis retrospectivo son usados para actualizar los datos de la caracterización del sitio, el modelo mina y los procesos de diseño, vía retroalimentación. 

PROGRAMA GEOMECANICO DE UNA MINA SUBTERRANEA

ASPECTOS CLAVES: 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 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 rocosa 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. •

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Capitulo 2: caracterización de la masa rocosa 

ROCA INTACTA, DISCONTINUIDADES Y MASA ROCOSA

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MODELAMIENTOS PARA EL DISEÑO DE EXCAVACIONES ROCOSAS

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METODOS SUGERIDOS PARA LA DESCRIPCION CUANTITATIVA DE LAS DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA

1. 2. 3. 4. 5.

Orientación Espaciamiento Persistencia Rugosidad Resistencia de las paredes

1.

6. Apertura 7. Relleno 8. Filtraciones 9. Número de familias (sistemas) 10.Tamaño de bloques

ORIENTACION

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RUMBO Y BUZAMIENTO

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SISTEMAS O FAMILIAS DE DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES VISTA PERSPETIVA Y SU RELACION A UNA ESTRUCTURA DE INGENIERIA

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DIRECCIÓN DE BUZAMIENTO Y BUZAMIENTO

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SISTEMAS O FAMILIAS DE DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES

Diagrama de bloques que proporciona un cuadro cualitativo del diaclasamiento

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TECNICAS DE PROYECCION ESTEREOGRAFICA PARA DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS ORIENTACIONALES DE LAS DISCONTINUIDADES

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ARREGLO ESTRUCTURAL GENERAL DE LA MASA ROCOSA DE UN YACIMIENTO DEL PERU

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REPRESENTACION DE DATOS ESTRUCTURALES RELACIONADOS A CUATRO POSIBLES MODOS DE FALLA DE TALUDES, PLOTEADOS SOBRE UNA RED EQUIAREAL DE SCHMIDT

Falla circular en el suelo de sobreescurrimiento desmonte rocoso, roca fuertemente fracturada y alterada, sin rasgos estructurales identificable

Falla planar en roca que presenta rasgos estructurales bien definidos como la pizarra

Falla en cuña sobre dos discontinuidades que se interceptan

Falla por vuelco en roca competente con estructuras columnares separados por discontinuidades de buzamiento empinado

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2. ESPACIAMIENTO DISTANCIA ENTRE LAS DISCONTINUIDADES DE UN SISTEMA MEDIDO PERPENDICULARMENTE A LAS MISMAS

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ESPACIAMIENTO APARENTE Y VERDADERO EN LA CARA ACCESIBLE CORRECCION PARA DETERMINAR EL ESPACIAMIENTO VERDADERO

3. PERSISTENCIA LONGITUD DE LA TRAZA DE LA DISCONTINUIDAD O EXTENSION AREAL DE LA MISMA

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ESQUEMAS SIMPLES QUE INDICAN LA PERSISTENCIA RELATIVA DE VARIOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

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DIAGRAMAS DE BLOQUE QUE INDICAN LA PERSISTENCIA RELATIVA DE VARIOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

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EJEMPLOS IDEALIZADOS DE PLANOS POTENCIALES DE FALLA QUE MUESTRAN LA IMPORTANCIA DE LOS “PUENTES INTACTOS” Y DEL “ESCALONAMIENTO HACIA ABAJO”

4. RUGOSIDAD GRADO DE ASPEREZA Y/U ONDULACION DE LAS DISCONTINUIDADES

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LAS DIFERENTES ESCALAS DE RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES SON MUESTREADAS PARA DIFERENTES ESCALAS DE ENSAYOS LA ONDULACION ES CARACTERIZADA POR EL ANGULO (i)

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UN METODO PARA REGISTRAR LA RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES EN DOS DIMENSIONES, A LO LARGO DE LA DIRECCION ESTIMADA DE DESLIZAMIENTO POTENCIAL

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UN METODO PARA REGISTRAR LA RUGOSIDAD DE LAS DISCONTINUIDADES EN TRES DIMENSIONES, PARA CASOS DONDE LA DIRECCION DEL DESLIZAMIENTO NO ES AUN CONOCIDA

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PERFILES TIPICOS DE RUGOSIDAD Y NOMENCLATURA SUGERIDA LONGITUD DE CADA PERFIL EN EL RANGO DE 1 A 10 M LAS ESCALAS VERTICAL Y HORIZONTAL SON IGUALES

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PERFILES DE RUGOSIDAD Y RANGOS CORRESPONDIENTES DE VALORES “JRC” ASOCIADOS CON CADA UNO DE ELLOS

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RESISTENCIA DE LAS PAREDES

GRADO DE INTEMPERIZACION DE LA MASA ROCOSA

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ESTIMACION EN CAMPO DE LA RESISTENCIA DE LA ROCA INTACTA

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CARTILLA DE CORRELACION PARA EL MARTILLO SCHMIDT DE DUREZA RELACION: DENSIDAD, N° REBOTE Y RESISTENCIA COMPRESIVA DE LA ROCA

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6. APERTURA GRADO DE SEPARACION DE LAS PAREDES DE LAS DISCONTINUIDADES

DIAGRAMAS QUE MUESTRAN LA DEFINICION DE LA APERTURA DE LAS DISCONTINIDADES Y EL ANCHO DE LAS DICONTINUIDADES RELLENAS

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TERMINOLOGIA DE LA APERTURA

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7. RELLENO MATERIAL DE RELLENO DE UNA DISCONTINUIDAD

FACTORES IMPORTANTES DEL COMPORTAMIENTO FISICO DEL RELLENO Mineralogía del material de relleno Gradación del tamaño de partículas Relación de sobre-consolidación Contenido de agua y permeabilidad Desplazamientos de corte previos Rugosidad de las paredes Ancho Fracturamiento o trituramiento de la roca de las paredes

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EJEMPLOS DE ESQUEMAS DE CAMPO DE DISCONTINUIDADES CON RELLENO

8. FILTRACIONES FILTRACIONES EN LA PARED ROCOSA DE UNA GALERIA SUBTERRANEA

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FILTRACIONES A TRAVES DE DISCONTINUIDADES SIN RELLENO

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FILTRACIONES A TRAVES DE DISCONTINUIDADES CON RELLENO

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FILTRACIONES EN MASA ROCOSA: EJEMPLO, EN LA PARED DE UN TUNEL

9. NUMERO DE FAMILIAS O DE SISTEMAS COMPORTAMIENTO MECANICO Y APARIENCIA DE LA MASA ROCOSA

Terminología VI Tres familias de juntas Masiva, ocasionalmente VII Tres familias de juntas  juntas aleatorias Una familia de juntas mas juntas aleatorias VIII Cuatro o mas familias Una familia de juntas mas juntas aleatorias de juntas IX Roca triturada, como Dos familias de juntas Dos familias de juntas tierra mas juntas aleatorias 

I II III IV V

10. TAMAÑO DE BLOQUES  TERMINOLOGIA  __________________________________________ Descripción  Jv (juntas/m3) Bloques muy grandes < 1.0 Bloques grandes 1-3 Bloques de tamaño mediano 3 - 10 Bloques pequeños 10 - 30 Bloques muy pequeños > 30 ---------------------------------------------------------------------------Valores de  Jv > 60 podría representar roca triturada, típico de zonas trituradas libres de arcillas. Según Palsmtrom (1974), el RQD y el  Jv están relacionados así: RQD = 115 – 3.3  J v RQD = 100 para  J v < 4.5 

TAMAÑO Y FORMA DE BLOQUES

Masivo = pocas juntas o espaciamiento muy amplio Bloqueado = aproximadamente equidimensional Tabular = una dimensión considerablemente mas pequeña que las otras dos Columnar = una dimensión considerablemente mas grande que las otras dos Irregular = amplia variación del tamaño y forma de los bloques Triturado = severamente fracturado, tipo “cubo de azúcar”

ESQUEMAS DE FORMAS DE BLOQUES: a) bloqueado, b) irregular, c) tabular y d) columnar.

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GRADO DE FRACTURAMIENTO DE LA MASA ROCOSA

CONSIDERANDO EL NUMERO DE FAMILIAS DE DISCONTINUIDADES Y EL TAMAÑO DE BLOQUES

Masiva o levemente fracturada 2 a 6 fracturas/m

Moderadamente fracturada 6 a 12 fracturas/m

Muy fracturada 12 a 20 fracturas/m

Intensamente fracturada > 20 fracturas / m

Triturada o brechada

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TIPOS DE DISCONTINUIDADES ESTRUCTURALES DE LA MASA ROCOSA

ESTRUCTURAS MAYORES Plegamientos Fallamientos

ESTRUCTURAS MENORES Diaclasas o juntas Estratos Zonas de corte Diques Planos de foliación Contactos litológicos Venillas y otros

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PLIEGUES

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FALLAS

DIACLASAS O JUNTAS

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ESTRATOS

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ZONAS DE CORTE

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DIQUES

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PLANOS DE FOLIACION

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CONTACTO LITOLOGICO

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VENILLAS

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RECOLECCION DE INFORMACION GEOMECANICA En afloramientos rocosos: métodos convencionales “líneas en detalle” y “celdas en detalle”. En testigos (núcleos) rocosos de perforación. En taladros de perforación (métodos endoscópicos). Fotogrametría terrestre.

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MAPEO GEOTECNICO POR LINEAS EN DETALLE

MAPEO GEOTECNICO EN TESTIGOS ROCOSOS

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EJEMPLO DE FORMATO DE MAPEO GEOTECNICO

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