IX JORNADAS DE TRONADURA 2010
ALGUNOS TOPICOS GEOTECNICOS Y SU RELACION CON LA TRONADURA Manuel Schellman M. Ingeniero Geotécnico Senior AngloAmerican
FUNDAMENTOS DEL DISEÑO…
SE CONSIDERA LA GEOMECANICA?
PARAMETROS DE ENTRADA Y SALIDA EN EL DISEÑO DE TRONADURA
Tomado de: Atlas Powder Company, 1987
FORMULISMO DE RICHARD ASH 1963
Tomado de: Information Circular 8550
FORMULISMO DE LANGEFORS AND KIHLSTROM
D = diameter of blast hole (mm), p = degree of packing or density of explosive (kg/dm3), E = weight strength of explosives, S = spacing (m), B = burden (m), c = Constante de la roca. Cantidad de explosivo para fragmentar 1m3 de roca f = degree of confinement, 1 for vertical holes and 0.95 for 3:1 inclined holes.
Tomado de: Manual de perforación y Voladura de Rocas. Lopez Jimeno C. 1995
Tomado de: Manual de Tronaduras Enaex
Tomado de: Manual de Tronaduras Enaex
Tomado de: Manual de Tronaduras Enaex
Tomado de: Manual de Tronaduras Enaex
Tomado de: Manual de Tronaduras Enaex
Tomado de: Manual de Tronaduras Enaex
Crushed Zone Model
Tomado de: Optimization of fragmentation and comminution at Boliden Mineral , Aitik Operation. Peter Bergman. 2005 pp. 26
Diseño de precorte
MODELOS CONCEPTUALES BASICOS
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
CONCEPTO DE MACIZO ROCOSO
Concepto de Macizo Rocoso
Composition Texture
Intact rock
Minerals Rock mass Joint orientation Joint properties Joint set geometry (spacing, length position
Joints
Roca Intacta: Bloques de material no fracturado que existen entre discontinuidades estructurales El tamaño de los trozos de roca intacta pueden variar entre unos pocos milímetros a unos cuantos metros Discontinuidad Estructural: En una roca es cualquier quiebre significativo o fractura que tenga muy baja resistencia a la tracción. Planos, fallas, diaclasas. Macizo rocoso: Es la roca intacta junto con las discontinuidades estructurales tridimensionales
PROPIEDADES DE LA ROCA INTACTA
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
• Compresion Simple σu = qu • (Directo) Tension *T0 • (Indirecto) Brazilian Strength, T0 • Resistencia al corte, τ – En roca intacta – En planos o discontinuidades
• Ensayos de compresión triaxiales
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Cálculo de las propiedades de la roca intacta
1) Realizar ensayos de compresión uniaxial (5 a 10) para determinar UCS y los módulos elásticos E y ν 2) Realizar ensayos triaxiales para un mínimo de 5 presiones de Confinamiento, y de modo que se alcance del 40% al 50% de UCS. Se recomienda repetir a lo menos una vez cada ensayo (o sea 2 ensayos x cada presión de confinamiento). 3) Utilizar estos resultados para determinar los parámetros del Criterio de Hoek-Brown. Se recomienda emplear el software ROCKDATA y usar el método simplex. Deberá verificarse que Los resultados sean razonables (e.g. mi<36)
RESUMEN ENSAYOS DE LABORATORIO
ENSAYO
Densidad (gr/cc)
Vp (mts/seg)
Vs (mts/seg)
UCS (Mpa)
Triaxial C (Mpa) φ (°) m s
NOTA: Madia Desviacion Estándar Max – Min N°de ensayos
Magnetita 2.74 0.21 2.35 - 3.27 35 3113 546 1911 - 3985 34 1861 312 1096 - 2298 34 65.44 16.2 39.2 - 81.25 9
LITOLOGIA Andesita Brecha Argilizada Volcanica 2.52 0.16 2.24 - 2.88 30 3349 525 2081 - 4073 18 1944 299 1241 - 2328 18 16.5 3.1 14.3 - 18.6 2
2.59 0.17 1.87 - 2.91 51 3377 318 2477 - 3966 23 1987 194 1454 - 2380 23 41.2 15 21 - 58 8
Diorita
Brecha Tectonica
2.7 2.66 0.16 0.145 2.44 - 3.14 2.37 - 3.04 15 62 3369 4855 306 887 2699 - 3992 2776 - 5903 15 28 1965 2845 151 585 1695 - 2203 1504 - 3897 15 28 33.6 56.4 3.3 18.4 32.2 - 35.9 34.7 - 83.4 2 9
7.37 5.1 17.1 5.72 45.4 31 39.6 48.4 20.59 9.495 8.002 24 1 1 1 1 36.1 34.6 36 40.9 Cizalle directo (º) 1.35 1.9 1.39 3.13 (Saw cut) 34.50 - 37.83 32.5 - 36.1 34.4 - 37.6 36.02 - 45.26 Angulo de friccion 6 3 4 9 21.2 10.4 25.7 24.01 Módulo 9.7 0.71 3.9 1.97 Young (Gpa) 8.8 - 35.4 9.87 - 10.87 18.6 - 31.8 22.7 - 25.5 12 2 8 2 0.25 0.25 0.24 0.28 Razón 0.03 0.02 0.02 0.013 Poisson 0.199 - 0.312 0.238 - 0.263 0.211 - 0.281 0.27 - 0.029 12 2 8 2 5.3 4.3 4.2 7.35 TENSION (Mpa) 0.56 0.71 0.58 1.23 Ensayo Brasileño 4.37 - 5.84 3.71 - 5.07 3.58 - 4.85 5.49 - 8.53 6 3 5 6
8.25 47.5 20.4 1 34.8 2.09 32.9 - 38.4 5 29.2 3.9 25.3 - 38.6 9 0.25 0.028 0.21 - 0.29 9 5.23 1.2 3.66 - 6.85 6
Brecha Verde 2.61 0.08 2.32 - 2.77 70 3614 797 2375 - 5605 34 2119 468 1375 - 3203 34 50.5 22.7 17.5 - 77.5 6 14.2 48 18.7 1 | 2.34 32.5 - 39.4 6 27.3 4.4 21.5 - 32.2 6 0.26 0.03 0.21 - 0.29 6 5.6 1.69 4.05 - 8.33 6
RESUMEN PARAMETROS PARA ANALISIS
PARAMETRO
LITOLOGIA Brecha Diorita Volcanica
Magnetita
Andesita Argilizada
Brecha Tectonica
Brecha Verde
0.52
0.51
0.81
0.88
0.87
0.965
Angulo de Fricción (°)
49
30
38
49
47
49
Densidad (gr/cc)
2.74
2.52
2.59
2.7
2.66
2.61
Módulo Young (Gpa)
10.8
5.9
8.3
12.1
1.3
12.8
Razón Poisson
0.25
0.25
0.24
0.28
0.25
0.26
Tensión (Mpa)
5.3
4.3
4.2
7.35
5.23
5.6
Cohesión (Mpa)
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
EFECTOS DINAMICOS
COMPARACION DE ALGUNAS PROPIEDADES DINAMICAS Y ESTATICAS
Ensayos Dinámicos Velocidad de Aplicación del esfuerzo 2 Kg/cm /seg Esfuerzo de rotura Kg/cm
2
Deformación en la falla, d, micras E, Kg/cm
2
Velocidad de Aplicación del esfuerzo 2 Kg/cm /seg Esfuerzo de rotura Kg/cm
2
Deformación en la falla, d, micras 2
6
Arenisca A 6
Arenisca B 6
Granito
1.4 x 10
1.5 x 10
215
220
190
170
490
610
460
630
1.7 x 10
4
Ensayos Estáticos
E, Kg/cm
Marmol
4
4
1.5 x 10
6
4
51 x 10
64 x 10
40 x 10
Marmol
Arenisca A
Arenisca B
Granito
1.1
1.8
0.5
2.2
53
80
29
53
145
410
370
510
4
47 x 10
4
19 x 10
10 x 10
4
30 x 10
4
12 x 10
Tomado de: La geomecánica en la perforación y voladura de rocas. Alvaro Correa A. VIII Seminario Internacional de explosivos –Indumil Bogota
MACIZO ROCOSO Y SU CARACTERIZACION
METODOS DE CLASIFICACION DE MACIZO ROCOS
Desde comienzo de los años 70 se ha extendido el uso de sistemas de clasificación geotécnica de macizos rocoso. Los sistemas de clasificación geotécnica mas usados en la industria minera son: Sistema de Laubscher o calificación del macizo rocoso según los índices RMR y MRMR (Laubscher 1975) Sistema de Barton o Indice Q (Barton et al. 1974) Sistema de Bieniawski o calificación según el índice RMR (Bieniawski 1973) Método del índice de resistencia geológica GSI (Hoek, 1984).
Estos métodos califican el macizo rocoso considerando tres parámetros: Parámetro A: La resistencia de los bloques que conforman el macizo rocoso (resistencia de la roca intacta) Parámetro B: La blocosidad del macizo rocoso, definida en forma indirecta mediante variables asociadas al grado de fracturamiento y/o espaciamiento de las estructuras Parámetro C: La condición de las discontinuidades que definen los bloques y al mismo tiempo la condición de contacto entre estos. El método GSI solo considera los parámetros B y C e ignora el parámetro A ya que la resistencia de la roca es parte de la información de entrada del criterio Hoek & Brown
RQD METODO DE DEERE 1967
METODO DE CLASIFICACION NGI SEGÚN BARTON (1974)
RQD J r J w Q = J n J a SRF Rock Quality Designation, RQD Number of Joint Sets, Jn Roughness of Discontinuities, J Discontinuity Condition/Filling, Ja Groundwater Conditions, Jw Stress Reduction Factor, SRF
DETERMINACION INDICE RMR Y MRMR Laubscher 1974
PARAMETRO RMR -Resistencia de la Roca Intacta (IRS) -Designación de calidad de Roca (RQD) -Espaciamiento de Fracturas (JS) -Frecuencia de Fracturas (FF) -Condición de las Fracturas (JC) TOTAL
% AJUSTES MRMR -Meteorización -Orientación de las estructuras -Tensión Inducida -Tronadura
Rating 0 - 20 0 - 15 0 - 25 0 - 40 0 - 40 0 - 100
Rating 30 - 100 63 - 100 60 - 120 80 - 100
RMR BIENIAWSKI 1973
GSI: GEOLOGICAL STRENGTH INDEX (Hoek 1994)
El GSI, fue desarrollado por Hoek (1994). Este índice de calidad geotécnica se determina en base a dos parámetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos: RMS Es la “estructura del macizo rocoso”, definida en términos de su blocosidad y grado de trabazón. JC Es la condición de las estructuras presentes en el macizo rocoso. La evaluación del GSI se hace por comparación gráfica del caso que interesa con condiciones Típicas, y el mismo puede variar de 0 a 100, lo que permite definir 5 clases de Macizos rocosos: Macizos de MUY MALA calidad
(Clase V,
0 ≤ GSI ≤ 20).
Macizos de MALA calidad
(Clase IV, 20 < GSI ≤ 40).
Macizos de REGULAR calidad
(Clase III, 40 < GSI ≤ 60).
Macizos de BUENA calidad
(Clase II, 60 < GSI ≤ 80).
Macizos de MUY BUENA calidad
(Clase I, 80 < GSI ≤ 100).
GSI GEOLOGICAL STRENGTH INDEX
RESUMEN MAPEO RMR
SONDAJE TIPO LITOLOGICO ANDESITA SUPERIOR
DACITA PORFIDICA
TOTAL
RMRb
GSI
51,5 60,4 50,1 52,4 51,0 53,4 53,1 7,7 9,8 7,3 7,1 6,8 6,5 8,2 39.5 - 75.1 40.0 - 77.7 34.3 - 71.4 35.0 - 75.6 30.8 - 70.8 36.5 - 63.6 30.8 - 77.7
54,1
60,1
55,1
55,2 61,5 52,1 57,2 54,8 58,9 7,9 8,6 5,9 5,7 6,2 9,5 38.6 - 73.4 43.7 - 77.3 40.7 - 68.4 47.2 - 70.9 43.0 - 69.8 41.9 - 77.6
57,4 8,3 38.6 - 77.6
58,4
64,2
59,2
58 67,1 50,0 53,8 10,2 7,2 8,5 4,8 36.2 - 75.3 50.2 - 78.0 32.8 - 60.6 45.6 - 59.4
60,8 10,4 32.8 - 78.0
61,1
66,8
61,8
52 7,7 44 - 66
52
58,1
53,1
54,7 9,7 19.2 - 77.8
54,7
60,7
55,7
S-1
DACITA CUARCIFERA
S-2
S-3
TOTAL S-4
S-5
DIORITA INFORMACION DIQUES
CLAVE:
DE MAPEO DE BANCOS
51,1 55,8 49,1 61,8 55,3 5,7 9,5 9,2 9,6 5,3 41.9 - 62.2 41.5 - 77.8 21.4 - 72.4 19.2 - 75.3 45.9 - 64.5
Promedio Desv. Estand. Rango
S-6
SONDAJES
ESCALAMIENTO DE PROPIEDADES RESISTIVAS
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Tomado de: Tronadura & Geomecánica: Hacia la optimización del negocio minero. Antonio Karzulovic 2001
Para usar el criterio Hoek-Brown para la estimación de la resistencia de un macizo rocoso fracturado, se deben estimar tres propiedades: 1) La Resistencia a la Compresión Uniaxial intacta
σ
ci
de un trozo de roca
2) El valor de la constante Hoek-Brown mi para la roca intacta 3) El valor del Indice de Resistencia Geológica GSI para el macizo rocoso
Una vez que se haya estimado el GSI, se pueden calcular los parámetros que describen la resistencia del macizo rocoso de acuerdo al siguiente Formulismo (Hoek et. Al 1988)
Criterio de falla Hoek –Brown (macizo rocoso Hoek et. Al 2002)
PARAMETRO D
El espesor D de la zona de daño por tronadura dependerá del diseño de la tronadura. La siguiente aproximación puede ser usada como punto de partida:
Grandes tronaduras de producción, confinada y poco o ningún control
D = 2.0 a 2.5 H
Tronadura de producción controlada y con cara libre
D = 1.0 a 1.5H
Tronadura de producción, confinada y con algún control una o mas fila buffer D = 1.0 a 1.2H
Tronadura de producción, con algun control una o mas filas buffer y cara libre D = 0.5 a 1.0H
Tronadura de producción cuidadosamente controlada con cara libre
D = 0.3 a 0.5H
PARAMETROS ROCA INTACTA UCS
σc
(Mpa)
CLASIFICACIÓN MACIZO ROCOSO
PARAMETROS MACIZO ROCOSO UCS
200 GSI
σc
(Mpa)
40
65
Cohesión C (Mpa)
28
Cohesión C (Mpa)
Angulo fricción Interna φ (°)
54
Angulo fricción Interna φ (°) 62
mi
12
mb: 2.515
s: 0.0113
2.303
Validación y bases para la aplicación del criterio H & B
El criterio de falla H-B es el criterio mas ampliamente usado para determinar la resistencia de macizos rocoso fracturados, independientemente de su falta de base teórica y la limitada cantidad de datos experimentales. Solamente un tipo de roca (Panguna Andesite) fue ensayada sin embargo, la comunidad geomecánica gustosamente ha adoptado estas ecuaciones aproximadas desarrolladas por Hoek y colaboradores. Este es un hecho sorprendente el que fue notado por Hoek (1994b) quien solamente intentaba generar un criterio para ser usado en forma preliminar en la estimación del macizo rocoso
Tomado de: Estimating Rock Mass Strength using the Hoek-Brown Failure Criterion and Rock Mass Classification. Jonny. Sjoberg. 1997 pp. 14
Probablemente la aparente falta de un criterio que permitiera determinar los parámetros del macizo rocoso fue lo que generó la gran aceptación del Critero H & B Actualmente no se dispone de muchas alternativas para el diseño práctico en mecánica de rocas. El concepto de envolvente de falla parabólica similar a la que se genera en ensayos de roca intacta, hace que la aplicación del criterio H & B se vea como muy razonable, aun cuando no hay muchos datos prácticos que avalen esto en un macizo rocoso.
Tomado de: Estimating Rock Mass Strength using the Hoek-Brown Failure Criterion and Rock Mass Classification. Jonny. Sjoberg. 1997 pp. 14
El amplio uso del criterio de falla H&B no ha sido complementado con igual cantidad de esfuerzos para verificarlo Se han reportado muy pocos casos en los cuales la aplicación del criterio H&B ha sido verificado contra observaciones reales de fallamientos en terreno Aparentemente la comunidad ingenieril ha estado muy ocupada aplicando el criterio de falla H&B sin tomarse el tiempo para validarlo apropiadamente
Tomado de: Estimating Rock Mass Strength using the Hoek-Brown Failure Criterion and Rock Mass Classification. Jonny. Sjoberg. 1997 pp. 15
GRACIAS
