Geomecanica Aplicada a to de Minado

INTRODUCCION







La mina Atacocha ubicada a 15 Km. Al NE. de la ciudad de Cerro de Pasco tiene 66 años de operación continua produciendo concentrados de Zn, Pb y Cu, el método de explotación que se aplica es Corte y Relleno Ascendente, mecanizándose progresivamente utilizando equipos de limpieza de mayor capacidad y jumbos electro hidráulicos. La producción de mineral se incrementa gradualmente a través de los últimos años, proyectando para el presente año un programa de tratamiento de 1,140,000 TM. Los retos planteados para lograr una operación líder dentro de la minería peruana nos condujo a desarrollar planes de optimización dentro de un nuevo enfoque en la Gestión de Operaciones.



Bajo este nuevo enfoque se trazaron los siguientes objetivos: Reducción de Costos. Ordenamiento de Gestión de Contratas. Control en el Gasto. Optimización de las Operaciones. Ordenamiento de la Información. Lograr rentabilidad a pesar de bajos precios internacionales.



Para ello se tomaron las siguientes decisiones: Modernización del Departamento de Sistemas y Comunicaciones. Modernización del Departamento de Geología. Modernización del Area de Topografía. Creación del Area de Costos Operativos. Desarrollo e Implementación de Sistema de Gestión de Riesgos. Creación del Departamento de Planeamiento, Ingeniería y Proyectos. Creación del Área de Geomecánica.

Permitiendo resultados como:   



Incremento en la producción de mineral y concentrados. Reducción de Costos. Mejoras en la Productividad. Mejoras en las condiciones de estabilidad de las áreas de explotación.

COMPAÑIA MINERA ATACOCHA S. A.

GEOMECANICA APLICADA A PLANEAMIENTO DE MINADO SUPERINTENDENCIA DE PLANEAMIENTO AREA DE GEOMECANICA

1. METODOLOGIA DE EVALUACION GEOMECANICA

CONCEPTOS GENERALES DE GEOMECANICA Efectos de la Presión en Profundidad

En las minas, la masa típica de la roca esta alrededor de 2,7 toneladas por metro cúbico. Esto representa una presión de 13,5 MPa (1,969 PSI.) A una profundidad de 500 metros. Normalmente, la presión horizontal iguala 1,5 a 2 veces la presión vertical para las minas de roca dura.

GEOMECANICA Es la conjunción de varias disciplinas (geología, mecánica de rocas, hidrogeología, etc.) que se encarga del estudio del macizo rocoso y su aplicación en resolver problemas constructivos en ese ambiente (minas subterráneas, superficiales, túneles, casa de fuerza, etc.). Las principales funciones de la geomecánica son: 1. Determinar el tipo de sostenimiento a instalar en un labor, para lo cual se determinan los Índices Geomecánicos del macizo rocoso, tales como: - Índice Q. - Índice RMR. - Índice MRMR. - Índice GSI.

2. Definir los tiempos de auto soporte de la roca.

3. Definir las aberturas máximas que puede soportar el macizo rocoso. Esto se realiza con la siguiente formula: 4. Realizar estudios geomecánicos orientados a mejorar o cambiar el método de minado, para ello se utilizan diversos Software, tales como: DIPS: Este es un programa que plotea, analiza y presenta datos de estructuras geológicas (sistemas de fracturas, fallas, estratificación, etc) usando técnicas de proyección estereográficas. El análisis principal que realiza se basa en el rumbo y buzamiento de las estructuras. El resultado que arroja el DIPS nos permite realizar los siguientes análisis: - Determinar los sistemas principales de fracturas. - Definir la orientación preferencial de las labores para instalar el menor tipo de sostenimiento. - Definir la orientación de los pernos a instalar. - Realiza un análisis estadístico de la abertura, rugosidad, alteración, etc de los sistemas de fracturas. - Define la formación y ubicación de las cuñas que se puedan presentar en las labores. A continuación se presenta un grafico del diseño final del DIPS.

PHASES: Es un programa que usa los elementos finitos para realizar análisis de estabilidad de excavaciones subterráneas. El programa permite determinar las direcciones de esfuerzos en dos dimensiones y deformaciones del macizo rocoso. El resultado que arroja el PHASES permite realizar los siguientes análisis: - Permite determinar las aberturas máximas que soporta una excavación subterránea, simulándola en dos dimensiones. - Nos da información del tipo de sostenimiento que se debe de aplicar en una determinada labor. Da información de la resistencia de los pilares y el tipo de relleno que se debe de utilizar para que estos se soporten. Determina el factor de seguridad de la excavación subterránea analizada. A continuación se presenta un grafico del diseño final del PHASES 3.

-

1.1 MAPEO GEOMECANICO 





El mapeo geomecánico se realiza en base al Índice GSI (Geological Strength Index), teniendo como referencia las tablas geomecánicas de la mina Atacocha. Este índice se relaciona con los Índices de Barton (Q) y el de Bieniawski (RMR). Se determinan áreas con iguales características geomecánicas (dureza de la roca, número de fracturas por metro lineal, alteración, zonas de falla, rugosidad de las fracturas, relleno de fracturas, etc.) tanto en las zonas mineralizadas como en las cajas. De esta manera se tiene el tajeo zonificado desde el punto de vista geomecánico, y para hacerlo comprensible se tienen diferentes colores para cada tipo de roca. En base al mapeo se realizan los cálculos de aberturas máximas, tiempos de autosoporte y tipo de sostenimiento recomendado.

MAPEO GEOMECANICO DEL CUERPO 17Nv. 3720

1.2 ANALISIS DE FRACTURAS Se realizan dos líneas de detalle, en las cuales se toman los siguientes datos:



HOJA DE DATOS PARA EL MAPEO DE LINEA DE DETALLE Area Geomecanica D DIP 1

6

DIP 0

DIST. (m)

0,00-2,00

2,00-4,00

4,00-6,00

A B C D

0

0

LINEA No:

TIPO DE ROCA

1 LONGITUD (m):

ESTRUCTURA

3745

UBICACIÓN: Stope 877 Niv. 3720 Sta Barbara

ABERTURA (mm)

GEOMETRIA

TIPO

D DIP

DIP

A

SD

143

A

SD

79

A

SD

A

RELLENO

A (w)

RS

ESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSO (CRIT. GENR. H-B)

FECHA:

21/08/02

HOJA No:

0

OBSERVACIONES

1

No D

LARGO (m)

C

R

57

P

1

D

R

1

A

H

R2

MF/P

BX

0

9

70

P

2

C

L

2

PY

H

R2

MF/P

BX

1

1

40

45

O

0,5

D

R

0

PY

H

R2

MF/P

BX

1

5

SD

195

57

P

0,4

D

R

1

A

H

R2

MF/P

BX

1

0

A

SD

334

55

O

1,5

D

R

1

PY

H

R2

MF/P

BX

1

8

A

SD

248

77

P

0,4

D

L

1

A

H

R2

MF/P

BX

0

9

A

SD

20

70

P

1,5

D

L

1

A

H

R2

MF/P

BX

1

1

A

SD

10

78

P

2

C

L

1

PY

H

R2

MF/P

BX

1

7

A

SD

5

60

P

2

C

L

1

A

H

R2

MF/P

BX

1

0

A

SD

125

80

P

1

D

L

1

A

H

R2

MF/P

BX

1

0

A

SD

97

15

P

0,5

D

R

2

A

H

R2

MF/P

BX

0

7

TIPO DE ROCA MINERAL

D SD FT ZC

SIN RELLENO CALCITA OXIDOS SULFURO ARCILLA PIRITA

M.DIP

REALIZADO POR: E. Cardenas

P

RELLENO N Ca O S A Py

8 COTA:

TIPO DE ESTRUCTURA DIACLASA C CONTACTO LITOLOGICO SET DE DIACLASAS BX BRECHA FALLA VN VETA ZONA CIZALLE DX DIQUE AGUA

S H Gs T

SECO HUMEDO GOTEO SUAVE FLUJO CONSTANTE

GEOMETRIA P O I

GEOMETRIA PLANAR ONDULADA IRREGULAR

CRITERIO GENERALIZADO DE HOEK - BROWN

LF LEVEMENTE FRACTURADO MB MUY BUENA F FRACTURADO B BUENA MF MUY FRACTURADO R REGULAR IF INTENSAMENTE FRACTURADO P POBRE T TRITURADO MP MUY POBRE No D = CANTIDAD DE DISCONTINUIDADES DEL MISMO TIPO ENTRE LOS ESPACIOS MEDIDOS.

R C

R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0

(R) RUGOSIDAD RUGOSA L (C) CONTINUIDAD CONTINUA D

LISA DISCONTINUA

( RS ) RESISTENCIA ESTIMADA (Mpa) EXTREMADAMENTE DURA > 250 MUY DURA 100 - 250 DURA 50 - 100 MODERADAMENTE DURA 25 - 50 BLANDA 5 - 25 MUY BLANDA 1-5 EXTREMADAMENTE BLANDA 0.25 - 1

Continuación ... 

Con los datos obtenidos de buzamiento y dirección de buzamiento se realiza el análisis de fracturas con el software Dips, obteniéndose el siguiente resultado:

1.3 Tablas Geomecánicas de la Mina Atacocha Estas tablas tienen las siguientes características:  Definición sencilla y rápida del tipo de sostenimiento a aplicar.  Puede ser utilizada por cualquier trabajador, ya que solo se necesita una picota y un flexo metro.  Definición del tiempo de autosoporte en forma inmediata.  Definición de las aberturas máximas en el mismo terreno.  Todo trabajador debe de estar en condiciones de definir el sostenimiento.  Estandarizar los tipos de sostenimiento.  Continuar creando conciencia en la instalación de sostenimiento.  Hacer sencilla la definición del sostenimiento a aplicar en las labores mineras.

TABLAS GEOMECANICAS

1.4 DEFINICION DE LAS CARATERISTICAS GEOMETRICAS DEL TAJEO





Con la ayuda del mapeo geomecánico se determina la altura y ancho máximos permitido por el macizo rocoso, para lo cual se aplica las siguientes formulas: 0.4 Altura de la labor: H = 2xESRxQ , donde Q = Indice de Barton. ESR = 1.7 a 5 para labores mineras provisionales. 1.6 para labores mineras permanentes, acueducto para plantas hidroeléctricas (excepto túneles de alta presión). 1.0 Para casa de maquinas, túneles carreteros o para ferrocarriles, refugios de defensa civil. 0.8 Para Plantas nucleares subterráneas, fabricas, etc. Para determinar el ancho se aplica: Ancho = K x altura. Donde K = 1.3 a 1.5 (caso de Atacocha).

1.5 DEFINICION DEL TIEMPO DE AUTOSOPORTE El tiempo de autosoporte es el tiempo en el cual la excavación se mantiene estable (no se aprecian deformaciones del macizo rocoso). Depende de la calidad del macizo rocoso y la abertura de excavación. Este se calcula aplicando la Tabla de Tiempos de Autosoporte Vs Abertura, propuesta por Bieniawski. Para su aplicación se necesita conocer el Indice “Q” o “RMR” y la abertura de la labor.

TABLA PARA EL CALCULO DE TIEMPOS DE AUTOSOPORTE TABLA PARA CALCULAR EL TIEMPO DE AUTOSOPORTE 1 semana

1 mes

1 año

Altura del techo, mt.

1 dia

Tiempo de Autosoporte, Hrs

10 años

1.6 DETERMINACION DEL SOSTENIMIENTO

DATOS DE TIPO DE SOSTENIMIENTO, TIEMPO DE AUTOSOPORTE, ABERTURAS MAXIMAS, ETC. PARA EL TAJEO 877-CUERPO 17.

CONTROL DE CALIDAD DE INSTALACIÓN DE SOSTENIMIENTO 

CONTROL DE CALIDAD PARA SPLIT SET: Esta prueba se llama “Prueba de Arranque” y se realiza con un equipo denominado “Pull Tets”. El split set debe de soportar como mínimo 0.85 Tn/Pie de perno. Esta prueba consiste en tratar de arrancar el perno con el pull test, tal como se observa abajo.

1.7 DEFINICIÓN DEL TRAZO PARA LABORES PERMANENTES 

Al igual que en el caso de los tajeos, las labores permanentes deben de tener un estudio geomecánico que concluya en la siguiente información: - Definición de sección de labor, y que se adapte las necesidades operativas de la mina. - Definición del tipo de sostenimiento. Su calculo es similar al que se realiza para tajeos, usando la tabla geomecánica para labores permanentes. - Definición de la dirección mas favorable para realizar los cruceros, accesos, rampas, etc. Esto se realiza con el análisis de sistemas de fracturas principales (software Dips). - Definir un espacio, el cual contenga la mejor calidad del macizo rocoso y este lo mas cercano posible a la zona que se desee minar o explorar.

1.8 MODELAMIENTO GEOMECANICO DEL CUERPO 17

Procedimiento:  Se

realizo el mapeo Geomecánico del cuerpo en todos los niveles reconocidos.  Se ingresa la información a la base de datos del software Datamine.  La interpolación de la información se realiza tanto para la zona mineralizada como para las cajas.  Luego del análisis se ha llegado a las siguientes conclusiones: 1. Las características geomecánicas de cajas y mineral mejoran a partir del nivel 3840 hacia arriba. 2. En todos los niveles la zona con peores condiciones geomecánicas, se encuentra en la parte central del cuerpo mineralizado. 3. Todas las labores de infraestructura se deben de realizar en la caja techo entre 30 y 35 mts del contacto con el mineral, ello porque la roca en la caja piso esta triturada/muy pobre con un ancho de hasta 50 mts.

LEVANTAMIENTO EN 3D DE LA GEOMECANICA DEL CUERPO 17

2. APLICACION DE LA GEOMECANICA AL PLANEAMIENTO DE MINADO

2.1 DEFINICION DEL METODO DE EXPLOTACIÓN MAS CONVENIENTE 

La principal aplicación de la Geomecánica en planeamiento de minado, es determinar el tamaño máximo de las aberturas que se emplearán durante el minado, para lo cual se utilizan diversas herramientas de campo, de laboratorio e informáticas.



Desde el punto de vista Geomecánico, la determinación de las aberturas máximas está basado en las siguientes características del macizo rocoso: - Geometría del yacimiento: potencia, longitud, buzamiento, dirección, plunge. - Características geomecánicas del mineral. - Características geomecánicas de las cajas. - Tiempo de permanencia abierto.



Toda esta información metodología:

se

evalúa,

siguiendo

la

siguiente

Recolección de información de campo

Cálculo de parámetros geomecánicos

Dimensiones de minado

DETERMINACION DE LAS ABERTURAS MAXIMAS + SOSTENIMIENTO REQUERIDO

Determinación del sostenimiento más adecuado: PHASES

Dimensionamiento de pilares:CPILLAR

Metodo Gráfico de Estabilidad

¿Dentro rango estable con sostenimiento? SI

SI

NO

¿Abertura de minado mayor a la potencia del cuerpo?

NO

2.1.1 CALCULO DE PARAMETROS GEOMECANICOS

SOFTWARE ROCLAB

2.1.2 METODO GRAFICO DE ESTABILIDAD 







La versión actual de este método, basado en el análisis de más de 350 casos de minas Canadienses y toma en cuenta los principales factores de influencia del diseño de tajeos: Información sobre la estructura y resistencia del macizo rocoso, los esfuerzos alrededor de la excavación, y el tamaño, forma y orientación de la excavación. Es utilizado para determinar si el tajeo es estable sin sostenimiento, o con sostenimiento, o inestable aún con sostenimiento. El método también es adecuado para el dimensionamiento del sostenimiento con cablebolt. Las principales condiciones parta aplicar este método son: Que la zona de estudio no esté sujeta a altos esfuerzos; y Que no haya flujo de agua ni goteo en la zona en estudio. Los pasos a seguir para poner en práctica este método son los siguientes:

CONTINUACION... Definición del Número de Estabilidad (N’): Representa la habilidad del macizo para permanecer estable bajo unos determinados esfuerzos N’= Q’ x A x B x C Donde: Q’ es el Indice de Calidad Tunelera Q modificado. A es el factor de esfuerzos en la roca. B es el factor por ajuste de orientación de las juntas C es el factor de ajuste gravitacional.  Cálculo de Q’= (RQD/Jn)x(Jr/Ja).  Cálculo de A: Es el factor de esfuerzos en la roca, y se calcula de la siguiente manera: Para σc / σ1 < 2 A = 0.1 Para 2 < σc / σ1 < 10 A = 0.1125x(σc / σ1 ) – 0.125 Para σc / σ1 > 10 A = 1.0 Donde σc: resistencia compresiva no confinada de la roca intacta. σ1: el esfuerzo actuante paralelo a la cara expuesta.

CONTINUACION 

Calculo de B: ajuste por orientación de los sistemas de discontinuidades, toma en cuenta la influencia de éstas sobre la estabilidad de las caras del tajeo,

Orientación de la discontinuidad crítica con respecto al la superficie de la excavación (según Potvin, 1988)

CONTINUACION



Cálculo de C: Es un ajuste por efecto de la gravedad. La falla del terreno puede ocurrir desde el techo debido a caídas inducida por la gravedad o, desde las paredes del stope, debido a lajamientos o deslizamientos. Se calcula teniendo en cuenta los siguientes gráficos.

Inclinación de la superficie del tajeo α

CONTINUACION

CALCULO DEL RADIO HIDRAULICO 

Es la forma que tiene el tajeo, se calcula de la siguiente manera:

S = Area de la sup. analizada / Perímetro de la sup. analizada.

METODO DE ESTABILIDAD GRAFICO 

Utilizando los valores del Número de Estabilidad N’ y el Radio Hidráulico S, se puede determinar la estabilidad de un tajeo a partir del gráfico de estabilidad, el mismo que se observa a continuación:

GRAFICO DE ESTABILIDAD

Ejemplo:

2.1.3 SOFTWARE PHASES 

Es un programa que usa los elementos finitos para realizar análisis de estabilidad de excavaciones subterráneas. El programa permite determinar las direcciones de esfuerzos en dos dimensiones y deformaciones del macizo rocoso. El resultado que arroja el PHASES permite realizar los siguientes análisis:  Permite determinar las aberturas máximas que soporta una excavación subterránea, simulándola en dos dimensiones. 

Nos da información del tipo de sostenimiento que se debe de aplicar en una determinada labor.



Da información de la resistencia de los pilares y el tipo de relleno que se debe de utilizar para que estos se soporten. Determina el factor de seguridad de la excavación subterránea analizada.





A continuación se presenta un grafico del diseño final del PHASES

Finite Element Analysis for Excavations

2.2 OPTIMIZACION DE LOS METODOS DE EXPLOTACION ACTUALES OPTIMIZACION DE BREASTING: Como se sabe el tipo de sostenimiento juega un papel muy importante dentro del ciclo de explotación tanto en su duración como en el costo. Es dentro de este esquema que se ha iniciado una etapa de pruebas piloto para reemplazar el uso pernos + malla por el shotcrete + fibra. Entre las principales ventajas que se espera obtener de este proyecto figuran: 

 

Incrementar altura de corte en Breasting (se incrementa la producción) Reducir duración del ciclo de minado Reducir exposición al riesgo del personal que instala pernos + mallas

OPTIMIZACION DEL BREASTING

Continuación... En la siguiente tabla se hace un resumen de los métodos de explotación, las aberturas actuales y el tipo de sostenimiento instalado vs. las aberturas que se podrían obtener con la instalación de shotcrete. METODO DE EXPLOTACION

Tipo de sostenimient o empleado

Aberturas Actuales máximas (mt)

Avance horizontal (Breasting)

Split Set y malla electrosoldada

4.0

Aberturas con aplicación de Shotcrete (mt)

Ahorro que se lograra con el uso de shotcrete (USD/TMS)

Toneladas de mineral a producir con shotcrete (TMS/mes)

Ahorro mensual (USD)

6.0

0.9

30,000

27,000

CONTINUACION...

OPTIMIZACIÓN DE REALCES VERTICALES: Este tipo de explotación se realiza en rocas de buena calidad, y consiste en realizar perforaciones de 75º a 80º, obteniéndose una altura final (después de la voladura) de 5.0 mts. Para mejorar los realces verticales, se ha propuesto el uso de pre-refuerzo mediante el Cable-Bolt en mineral, de tal manera que se vayan a mayores alturas. Esto no elimina el uso de pernos split set en zonas puntuales y cajas, especialmente en áreas en donde los sistemas de fracturas son verticales y paralelas/sub-paralelas a la estructura mineralizada. Para realizar el cálculo del uso de cable-bolt calculamos el tamaño de los bloques (RQD/Jn) y el Radio Hidráulico (Area de la superficie analizada / Perímetro de la superficie Analizada). El análisis se observa en el siguiente gráfico:

Grafico del diseño del Cable-bolt

En general la secuencia de explotación es la siguiente:

COMPARACIÓN DE REALCE CON SPLIT SET Y REALCE CON CABLE BOLT

METODO DE EXPLOTACION

Tipo de sostenimiento empleado

Longitud de Realces actuales (mt)

Longitud de realces con Cable bolt (mt)

Ahorro que se lograra con el uso de cable bolt (USD/TMS)

Toneladas de mineral a producir con cable bolt (TMS/mes)

Ahorro mensual directo (USD)

REALCE VERTICAL

Split Set sistemático y malla ocasional

3.0

5.0

0.21

15,000

3,150

MUCHAS GRACIAS……