Gestión
Diseño y planificación minera
Ingeniería geológica
Mecánica de rocas
Figura 1.11: Interacción entre los departamentos técnicos implicados en el desarrollo del proyecto minero. Según Brady y Brown (1985).
1.4.2. Aplicaciones de la mecánica de rocas no mineras Aunque la mecánica de rocas nació muy ligada a los ámbitos de la minería y la ingeniería civil, en los albores del siglo XXI se puede decir que cada día son más las ramas tecnológicas que necesitan de ella para contribuir a sus desarrollos. Se presentan a continuación los principales campos de aplicación de la mecánica de rocas, hoy en día, fuera del ámbito minero.
1.4.2.1. Ingeniería civil Desde sus comienzos la mecánica de rocas se en ingeniería civil y parte de los desarrollos de ésta han venido por este lado. Desde los primeros túneles de ferrocarril que fueron construidos en Inglaterra y Francia en el siglo XIX, hasta los mega-proyectos actuales que incluyen largos túneles bajo el mar (Channel Túnel, proyecto de túnel Europa-África), grandes viaductos y puentes, o presas que dan lugar a embalses más grandes que mares como el proyecto de las “Tres Gargantas” en China, muy largo ha sido el camino recorrido. Las principales aplicaciones de la mecánica de rocas en la ingeniería civil son básicamente el diseño y análisis de estabilidad de taludes, el diseño y ejecución de túneles carreteros y ferroviarios y cavernas con distintos usos (hidroeléctricos, conducción de aguas, alcantarillado, ...) y el diseño de cimentaciones en roca para grandes obras civiles como presas, viaductos, puentes y edificios. Algunos ejemplos se muestran en las fotografías de la Figura 1.12.
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b)
a)
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Figura 1.12. Aplicaciones de la mecánica de rocas en ingeniería civil. a) Taludes de acceso a una autovía. b) Voladura preparada en el portal de un túnel de autovía. c) Construcción y sostenimiento de un talud gunitado y anclado y un falso túnel. d) Imagen de una presa cimentada en roca y e) construcción de un viaducto. Fotos: L.Alejano, E. Sánchez, V.Resende y P.Alfonsi.
1.4.2.2.Ingeniería del petróleo La disminución progresiva de las reservas de petróleo, junto con la evolución de diversas variables geopolíticas que producen aumentos de precio, pero que afectan de manera importante a la economía mundial está obligando cada día más a la industria del petróleo a incrementar su rentabilidad en los procesos de producción y recuperación secundaria. Los pozos de petróleo se utilizan para acceder a éste y para transportarlo a la superficie. Así los criterios de diseño de éstos se asemejan a los que se dan en el ámbito minero y dependen de la
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estrategia conjunta de recuperación y vida útil del campo en el que se encuentran y del uso que se le dé a un pozo particular (extracción, inyección, ambas). Se utiliza la mecánica de rocas para analizar y resolver problemas como la estabilidad de pozos tanto en la fase de perforación como en la fase de operación (Figura 1.13.1), la recuperación terciaria de crudo mediante la inyección de agua fría, la respuesta del macizo rocoso reservorio o yacimiento durante la producción en las zonas próximas y más alejadas del pozo (Fig. 1.13.2. YACIMIENTO) a la producción de hidrocarburos y los posibles hundimientos o fenómenos de subsidencia que origina la extracción (Fig. 1.13.2. RECUBRIMIENTO). (Maury, 1994). Entre los libros más actualizados de la mecánica de rocas aplicada a la ingeniería del petróleo cabe destacar los dos libros de Charlez (1991, 1997) y una interesante visión global de los problemas y retos que tiene la mecánica de rocas en este ámbito se puede obtener de Roegiers (1999).
1) MECANISMOS DE INESTABILIAD CON ROTURA POR CORTANTE DE POZOS
1) Consecuencias: A) por delante de la sonda, B) tras la sonda y C) tras el entubado
A)
DELANTE DE LA HERRAMIENTA
YACIMIENTO EFECTOS FÍSICOS: i Contracción/ capilaridad ii Debilitamiento iii Disolución iv Enfriamiento v Licuefacción / extrusión
RECUBRIMIENTO Pozo demasiado estrecho Dificultad de traslado enviiielcompactación de zonas bajo pozo Momentos anormaleszonas compactadas sobre fracturas preix cortantes Necesidad de re-perforación existentes como estratificación... x
PROCESO DE INYECCIÓN vi Zonas inundadas a) cortante vii Transición b) cortante-colapso zonas no-inundadas c) colapso
movimientos en superficie continuos o discontinuos, escape de gas a superficie.
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ZONAS NO INUNDADAS
YACIMIENTO ZONAS INUNDADAS
ZONAS NO INUNDADAS ZONAS INUNDADAS
2) PROBLEMAS DE COMPACTACIÓN Y SUBSIDENCIA Figura 1.13. Influencia de diversos aspectos relacionados con la mecánica de rocas en sus aplicaciones en ingeniería del petróleo. 1) Problemas de desplazamiento o rotura de pozos inducidos por cortante a través de fallas o discontinuidades preexistentes. 2) Problemas de compactación del yacimiento y subsidencia en superficie asociados a pozos inyectores en yacimientos semi-saturados. Según Maury (1994). Cortesía de Balkema.
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1.4.2.3. Ingeniería del almacenamiento de residuos La creciente concienciación ambiental de la sociedad ha ido asociada a una generación, por parte de la misma, de un volumen cada vez más grande de residuos, algunos de los cuales necesitan tratamientos muy especiales como los residuos sólidos urbanos o RSU, los residuos tóxicos y peligrosos o RTP, entre los que se encuentran las pilas, baterías y aceites de coche, y los residuos nucleares de baja, media y alta actividad (Figura 1.14). Esto ha llevado a la aplicación de la mecánica de rocas a la selección del emplazamiento y diseño de repositorios o almacenes de residuos que aseguren unas determinadas condiciones, para evitar la peligrosidad de los mismos. En particular la búsqueda, selección y estudio de los posibles almacenes de residuos nucleares de alta actividad ha llevado a grandes inversiones de los países más avanzados gestionadas por empresas públicas o agencias estatales, que han permitido que se produjeran no pocos avances en mecánica de rocas.
Figura 1.14: Ensayo de almacenamiento de residuos nucleares de baja y media intensidad en el almacén experimental de la antigua mina de sal de Asse (Baja Sajonia- Alemania). Foto de los autores.
a)
b)
Figura 1.15. Aplicaciones de la mecánica de rocas en ingeniería del espacio subterráneo urbano. a) Piscina subterránea sostenida con gunita blanca (Helsinki – Finlandia): foto tomada de Internet http://www.mtry.org/images. b) Iglesia subterránea en la ciudad de Helsinki. Foto: autores.
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1.4.2.4. Ingeniería del espacio subterráneo urbano La carencia de espacio en determinadas ciudades, junto con otras ventajas de construir edificios e infraestructuras subterráneos (temperatura, ahorro de espacio en superficie, etc...) ha hecho que cada día sea más natural acudir a soluciones constructivas subterráneas, desarrolladas en muchas ocasiones en macizos rocosos. De esta forma, actualmente no resulta sorprendente encontrar centros comerciales subterráneos (16 km de galerías comerciales en Montreal), polideportivos subterráneos (0slo), almacenes de hidrocarburos y gas,... junto con construcciones más tradicionales como centrales hidroeléctricas, ferrocarriles metropolitanos, bodegas, instalaciones militares, etc... Se presentan como ejemplo en las fotografías dos construcciones subterráneas poco convencionales de la ciudad de Helsinki (Fig. 1.15).
1.4.2.5. Geotermia Se denomina geotermia a la explotación del calor de la Tierra, la expresión anglosajona equivalente “heat-mining” es bastante ilustrativa. Al margen de las aplicaciones tradicionales, como los balnearios y termas, se pueden distinguir dos categorías a saber; de baja energía: sólo utilizables para producir calorías a temperatura moderada, como por ejemplo para calefacción urbana; y de alta energía (asociadas a granitos jóvenes o rocas volcánicas), susceptibles de producir energía eléctrica. El problema suele ser que la circulación natural de agua afecta a un porcentaje muy pequeño de la roca, de forma que la mayor parte del macizo rocoso no interviene en la circulación natural, son las rocas calientes secas, del inglés “hot dry rocks”. Desde los años 70 se ha propuesto forzar la circulación de agua en estas rocas para extraer su calor. Este tipo de problemas es el que necesita de la mecánica de rocas para ser resuelto, aunque requiere de complicados modelos termo-hidromecánicos, en fase de desarrollo, que tengan en cuenta las influencias de la temperatura sobre las tensiones y de éstas sobre la permeabilidad de la roca y, por tanto, del volumen afectado por la transferencia de calor (CFMR, 2004).
1.4.2.6. Desarrollo sostenible, tecnología del medio ambiente y planificación territorial La consecución del desarrollo sostenible, mediante la solución de diversos problemas medioambientales y de gestión del territorio, pasan también por la adecuada utilización de macizos rocosos. Tras las conferencias de Río de Janeiro (1997) y Kyoto (1997), la opinión pública y los políticos están comenzando a concienciarse de la necesidad de una mayor protección y una verdadera gestión patrimonial del medio ambiente. La protección ambiental, tradicionalmente asimilada a la salvaguarda de especies en vías de extinción y sus ecosistemas, pasa a día de hoy por la defensa de los medios naturales frágiles (eliminando toda suerte de contaminación y mediante la gestión ambientalmente segura de todo tipo de residuos) y por la protección de asentamientos humanos vulnerables (poblaciones de montaña, litorales, islas...) de las agresiones de las catástrofes naturales que a veces se llevan consigo vidas humanas.
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