3er Ciclo de Titulación por Actualización de Conocimientos - 2013
ESTADO ACTUAL DE LA APLICACIÓN DEL GSI MODIFICADO
Ing. Carlos Vallejo Cortes
Marzo-2013
INTRODUCCIÓN En los últimos 10 años se viene aplicando en numerosas minas el índice GSI modificado, el mismo que tiene como base el índice GSI propuesto por Hoek en 1995, como una caracterización del macizo rocoso en la cual se evaluaba condiciones estructurales (grado de fracturamiento y forma de bloques del macizo) y la condición superficial de las paredes de las discontinuidades (rugosidad, ondulación y alteración). En el índice GSI modificado la división de la condición estructural se hace fundamentalmente en función del grado de fracturamiento o cantidad de fracturas por metro lineal, asociándola al RQD y en el parámetro de condición superficial de discontinuidades se adiciona la resistencia de la roca intacta obtenida con golpes de picota o con ensayos de carga puntual.
A partir de esta caracterización, según el GSI modificado, se asocio el sostenimiento tomando en cuenta las tablas de sostenimiento utilizado en el Método Noruego y el tiempo de colocación del soporte, tomando en cuenta la tabla de autosoporte de Bieniaswki. En estos últimos años, se ha ido asociando tanto la tabla del índice GSI modificado y los soportes con las actualizaciones y correlaciones de los índices de clasificación geomecánica Q, RMR y los índices de caracterización geomecánica GSI y RMi.
La actualización del GSI modificado, que incluye la metodología de aplicación, los errores que se vienen cometiendo en su aplicación y deficientes criterios de operación que se ha observado en las unidades mineras se describen en la presente exposición.
CONCEPTOS PRELIMINARES La ocurrencia de desprendimientos de rocas en la excavación de labores mineras subterráneas se encuentran generalmente asociadas a las condiciones geomecánicas mas desfavorables y pueden, en el peor de los casos, causar perdidas humanas o menos trágicas, como daños a equipos, interrupciones en los trabajos o reclamaciones contractuales, que originan retrasos y aumentos de costos en los proyectos. Estos desprendimientos están asociados a los modos de falla del macizo rocoso y se correlacionan directamente con sus propiedades (condición de resistencia y fracturamiento) y con los factores influyentes circunstanciales (agua subterránea, tensiones in-situ, orientación, dimensiones de la excavación y los métodos de explotación). Todos estos conceptos deben ser evaluados e interpretados correctamente.
La interacción de las propiedades del macizo rocoso y de los factores influyentes, definirán el comportamiento de éste durante las excavaciones y servirán para diseñar las medidas de estabilización y control de los mismos. Todos los riesgos potenciales relacionados con su caracterización deben ser cubiertos por un sistema de clasificación que proporcione un resumen concluyente de las condiciones geológicas, geomecánicas que se esperan durante las excavaciones. La caracterización de la masa rocosa se basa en observaciones y mediciones de campo, en la cual se determina las características de la roca intacta, las características de las juntas, la densidad y patrón de las juntas.
ROCA INTACTA Se considera a toda muestra de mano o testigo de roca que no presente discontinuidades; en la roca intacta se ejecutan todos los ensayos requeridos, para conocer sus condiciones mineralógicas , físicas, resistencias y deformabilidad.
Testigo de roca intacta
Empaque mineralógico
DISCONTINUIDADES (Fracturas, estratificación, foliación , etc.) Parámetros: • Sistemas
• Orientación • Espaciamiento • Apertura • Rugosidad • Ondulación • Persistencia • Relleno • Alteración • Bloque unitario
MACIZO ROCOSO Esta definido como una masa in situ conteniendo tanto roca intacta como discontinuidades. Para definir un modelo de macizo rocoso es necesario medir las propiedades tanto de la roca como de las discontinuidades. Estas medidas se realizan para determinar las propiedades individuales del material de roca y la geometría y propiedades mecánicas de las discontinuidades.
FACTORES INFLUYENTES A. Influencia del Agua
En rocas masivas y levemente fracturadas/ muy buenas a buenas la presencia de agua no tiene influencia significativa. En rocas moderadamente a muy fracturadas/regulares, la influencia se debe a la presión y efecto lubricante. En rocas moderadamente a muy fracturadas/pobres a muy pobres el efecto es inmediato, por actuar como lubricante y lavado de material fino de relleno en fracturas, acelerando el aflojamiento. En rocas intensamente fracturadas/regulares pobres a muy pobres se produce el efecto anteriormente mencionado. Se debe mencionar la presencia de aguas debidas al relleno hidráulico, la composición del agua (pH) y la composición del relleno, en especial si son arcillas expansivas.
B. Influencia de esfuerzos
Se concentran en puentes, pilares y frentes de excavación al redistribuirse las presiones por el efecto de las aberturas. Se deben a profundidades, estructuras geológicas, diques y arcillas expansivas Se reconocen por ruidos, descostramiento o lajamientos en paredes y techo, ocurrencia de filtraciones y presencia de estriaciones en el macizo rocoso Se pueden controlar con modificaciones en los diseños de minado, tamaño de aberturas y sistemas de soporte.
Esfuerzos inducidos por aberturas múltiples
C. Factores de excavación Tamaño de la abertura, intercepción de labores, dimensionamiento y espaciamiento de puentes y pilares. Diseño de malla de perforación, alineamiento de taladros, potencia de los explosivos, en especial en los taladros de contorno. Colocación de los soportes adecuados en el momento oportuno o su colocación después del tiempo de autosoporte de la roca. Voladuras cercanas a labores excavadas. Relajamiento progresivo de labores que no se han detectado ni controlado.
D. Influencia de la orientación de las discontinuidades Son desfavorables o muy desfavorables las discontinuidades verticales y subverticales que se encuentren paralelas o subparalelas a las paredes o cajas de la excavación. Son desfavorables o muy desfavorables, las discontinuidades horizontales o sub horizontales. Este efecto se incrementa por tamaño de abertura, relleno de la discontinuidad y presencia de agua y presencia de esfuerzos.
Variación de la resistencia en la zona de alteración endógena
CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Y CLASIFICACIÓN OBSERVACION Y MEDICIONES EN CAMPO
CARACTERIZACION
APLICACIONES
MACIZO ROCOSO
CARACTERISTICAS DE LA ROCA INTACTA VALORACION DE LAS CARACTERISTICAS DE LAS JUNTAS
DIFERENTES CARACTERISTICAS DE LOS TIPOS DE ROCA
DENSIDAD Y DISTRIBUCION DE JUNTAS
ESFUERZOS EN LA ROCA O NIVEL DE TENSIONES
SISTEMAS DE CLASIFICACION
FACTORES INFLUYENTES AGUA SUBTERRANEA
EN EL AREA
MODELOS NUMERICOS
OTRAS APLICACIONES CARACTERISTICAS DE LA EXCAVACION
CLASIFICACIONES GEOMECANICAS
Indice" Q"
RQD Jr Jw x x Jn Ja SRF
Donde:
RQD = Índice de Deere Jn = Índice de diaclasado Jr = Índice de rugosidad de las discontinuidades Ja = Índice de alteración de las discontinuidades Jw = Factor de ajuste por presencia de agua SRF = Factor de ajuste por condiciones tensionales RQD/Jn = Tamaño de Bloque Jr/Ja = Condición de Resistencia Jw/SRF = Factores influyentes
Relación de los parámetros Jr y Ja, según Goodman
Índice “RMR” – Bieniaswki (1989)
Correlación de los Parámetros Seleccionados en el Índice de la Masa Rocosa - RMi CARACTERISTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES
FACTOR DE CONDICION DE RUGOSIDAD (jR) FACTOR DE CONDICION DE ALTERACION
FACTOR DE CONDICION DE LAS JUNTAS
(jA)
jC=(jR/jA )jL PARAMETROS
FACTOR DE TAMAÑO Y TERMINACION
DE JUNTAS (JP)
(jL) CUANTIFICACION DE DISCONTINUIDADES
VOLUMEN DE BLOQUE
INDICE DE MASA ROCOSA
(Vb)
RMi
ROCA
RESISTENCIA A LA COMPRESION UNIAXIAL
INTACTA
(Rc)
CORRELACIÓN ENTRE LAS CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS Estos conceptos y la correlación existente entre los índices de clasificación Q (Barton 2000), RMR (Bieniawski, 1989), GSI (Hoek, 1997) y RMi (Palmstrom, 1995) se muestran en el siguiente cuadro: Caracterización del Macizo Rocoso
Índices Geomecánicos Q
RMR
GSI
RMi
Resistencia a la compresión simple en roca intacta
no
si
no
si
Condiciones de Juntas
si
si
si
si
Densidad y Patrón de Juntas
si
si
si
si
Factores Influyentes
Índices Geomecánicos Q
RMR
GSI
RMi
Esfuerzos y Nivel de Tensiones
si
no
no
no
Condiciones de Agua Subterránea
si
si
no
no
Diseño y Método de Excavación
no
si
no
no
De acuerdo a estas tablas, los sistemas RMR y RMi son los que contemplan la mayor cantidad de parámetros para caracterizar al macizo rocoso y los sistemas Q y RMR la mayor cantidad de factores influyentes, coincidiendo ambos en el factor de corrección por presencia de agua.
CONCEPTOS BÁSICOS DEL GSI MODIFICADO La aplicación de las clasificaciones geomecánicas mencionadas, requieren de una preparación en conceptos básicos de mecánica de rocas, ensayos de laboratorio, instrumentación y experiencia del personal.
Así mismo, un conocimiento de las modificaciones en el macizo rocoso original, debido a las alteraciones endógenas que las han afectado al formar los yacimientos de mineral y que influyen en su comportamiento al ser excavado. Todos estos requisitos no han sido superados, por lo que, con el objetivo de tener una herramienta practica que permita un mejor control y minimización por los riesgos debidos al desprendimiento de roca, en las labores subterráneas, se ha venido elaborando a partir del año 2000, un sistema de clasificación geomecánica, sencillo y de fácil aplicación.
Este sistema se basa en el sistema GSI de Hoek y en el sistema RMi de Palmstrom para determinar la resistencia del macizo rocoso, habiéndose modificado las denominaciones de los parámetros de estructuras y condiciones de la tabla GSI original, además de tomar en cuenta la influencia de factores externos en su comportamiento y diseño de soporte.
Su desarrollo y procedimientos de aplicación se han actualizado tomando en cuenta las recientes correlaciones que diferentes autores han establecido entre los sistemas de clasificación y caracterización que vienen siendo utilizados para determinar la calidad del macizo rocoso y su comportamiento en las excavaciones, incluyendo los factores influyentes que puedan afectar al macizo rocoso de acuerdo a su calidad.
Clasificación Cualitativa del sistema GSI modificado.
Correlación de los sistemas GSI modificado, Q’ y JP
Correlación de los sistemas GSI modificado, RMR’ y JP
Para la determinación del sostenimiento asociado al GSI modificado se tomo en cuenta los factores influyentes (agua, tensiones y excavación) con lo cual se puede asumir el comportamiento que presentará el macizo rocoso durante la excavación y según este comportamiento seleccionar los sostenimientos adecuados y el tiempo de su colocación. El tipo de soporte adecuado se elaboró a partir de la tabla de soporte de túneles, según el método noruego (NTM), actualizándolo en base a la correlación de los índices Q y RMR propuesta por Barton en 1995, obteniéndose la tabla del Soporte Practico Minero (SPM), en la cual se incluye además el soporte con cuadros de madera, que es usado en muchas de nuestras minas.
Así mismo, en esta tabla se han realizado algunos ajustes en la densidad de pernos, volúmenes de shocrete y uso de cimbras que se incluyen en el soporte NTM, tomando en cuenta que en una mina la vida útil de las labores es menor que en los túneles.
Para la determinación del tiempo de colocación de los soportes se aplica la tabla del tiempo de auto-soporte propuesta por Bieniaswki. Todas estas tablas se presentan a continuación:
Tabla de selección del sostenimiento según Barton, Bieniaswki, 2008.
DISEÑO DE SOSTENIMIENTO EN LABORES MINERAS SUBTERRANEAS SPM
LUZ ____ ESR
MF/MP
IF/R
MF/R
MF/B
F/MB
LF/MB
IF/MP
IF/P
MF/P F/MP
F/P
F/R
LF/B
M/B
N
O
DE
1. 5
X
1. 5
m
LF/P
PE R
SIN SOPORTE O PERNO OCACIONAL
PE
5
T/P
EX CA RE VA RN CO CI CI O M M ON BR EN DE NO A D 1. AB a 0 1. LE 0m X 1 .0 o CU m y AD S PE RO H(f) RN (1 O A O 5 CI 1. MB D E 0m cm ) RA 1.0 X a 1. 5m 1.0 m o CU y S AD H(f RO ) (1 PE 0 a RN 1. cm O 5m ) DE 1.0 X 1.0 m yS H( f) PE (5 RN cm O ) DE 1. 0 X 1. 0 m Y SH (5 PE cm RN ) O DE 1. 0 X 1. 0 m CO N M AL LA
10
TIPO DE ROCA SEGUN INDICE G.S.I. (modificado)
2
1
Q'= RMR'=
0.01
0.1
1
20
35
50
ESR=1.6(Lab. Perm.) =3.0(Lab. Temp.) SH(f) = SHOTCRETE CON FIBRA DE REFUERZO C. VALLEJO, 2011
Indice Q' = RQD/Jn * Jr/Ja Indice RMR' = 15 Lg Q' + 50 Indice GSI = RMR (seco) -5 (RELACIONES EMPIRICAS APROX.)
10 65
LONGITUD DE PERNOS labor menor 2.5 m= 1.2m labor entre 2.5m y 3.5m =1.5m labor entre 3.5m y 4.5m =1.8m labor entre 4.5m y 5.5m =2.4m labor mayor de 5.5m = 3.0m
100 80
Tabla de tiempo de auto-soporte - Bieniaswki
Tabla de valoración del GSI modificado para labores mineras entre 3.0 m a 5.0 m de ancho.
A B C D E F
Tabla de sostenimiento según el GSI modificado (cualitativo) para labores mineras entre 3.0 m a 5.0 m de ancho.
G
LF/MB
F/MB
LF/B
LF/R
LF/P
F/B
F/R
F/P
MF/B
MF/R
MF/P
MF/MP
IF/R
IF/P
IF/MP
F/MP
Tabla de valoración del GSI modificado para el túnel de conducción de la C.H M3 de sección de 10.0 mx10.0 m
Tabla de valoración del GSI modificado para el túnel de conducción de la C.H M3 de sección de 10.0 mx10.0 m
Condiciones secas a ligeramente húmedas
Tabla de valoración del GSI modificado para el túnel de conducción de la C.H M3 de sección de 10.0 mx10.0 m
Condiciones de goteo o flujos de agua
CRITERIOS DE APLICACION DEL GSI MODIFICADO
• Para la aplicación de la tabla del GSI modificado, el personal debe tener una debida capacitación y entrenamiento de campo, lo cual deberá ser evaluado posteriormente por los encargados del área de geomecánica. •Se aplica con restricciones en macizos rocosos continuos (rocas blandas, trituradas o desintegradas y rocas masivas). •Para utilizar la tabla en la clasificación del macizo rocoso, lo mas adecuado es aplicarla en zonas recién excavadas, en labores con mayor tiempo de exposición se debe ser muy cuidadoso en la aplicación de estas tablas por efecto del tiempo transcurrido y el relajamiento que puede haberse presentado en el macizo. •El área donde se realiza la clasificación debe estar completamente lavada y con buena iluminación, así mismo se debe utilizar las herramientas necesarias como el flexómetro y la picota de geólogo.
•En los tramos con superficie irregular, después de la voladura se debe tener cuidado en la aplicación del soporte. •De acuerdo a la caracterización del macizo rocoso en una labor, para la selección del sostenimiento según la tabla deberá utilizarse el menor soporte cuando no existe factores influyentes y el mayor soporte en caso de presentarse factores influyentes. •La selección del tiempo de colocación de los soportes serán definidos por el geomecánico de cada unidad dentro del intervalo considerado en la tabla. •La tabla GSI modificado se aplica directamente en labores de desarrollo y con ajustes o correcciones en labores de explotación.
•Para utilizar el valor aproximado de la resistencia de la roca intacta se debe tener en cuenta la abertura, la cual no deberá ser mayor de 5.0 mm. •En la toma de datos del numero de fracturas por metro lineal, se debe hacer la medida por lo menos en dos direcciones y abarcar el mayor numero de fracturas y promediarlas. No se deben tomar en cuenta fracturas menores de 1.0 mm, ni fracturas originadas por los disparos. •La selección del soporte a colocar, que se incluye en cada tabla, depende de los tipos de soporte utilizados en la unidad minera, al igual que el tiempo de colocación, ya que en algunas unidades mineras se avanza sosteniendo, lo cual no debe ser aplicado en macizos rocosos que no requieran soporte.
•Paralelamente, a la aplicación de la tabla GSI modificado se deberá realizar el mapeo de arco rebatido, tomando en cuenta las paredes y bóveda en labores de desarrollo y cajas y vetas en labores de explotación. •En la selección del soporte a ser colocado, debe tomarse en cuenta si la labor excavada será afectada posteriormente por labores de explotación por ejemplo: Galerías sobre veta o rampas de profundización. •La definición de criterios mas específicos para el mejoramiento de la aplicación del GSI modificado, dependerán de las características y criterios de cada unidad minera.
