UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA MINERA Y METALURGICA
TÉCNICAS DE D E ESTABILIDAD DE TALUDES TALUDES CURSO
MECÁNICA DE ROCAS II PRESENTADO POR
CÉSAR ESTRELLA BAZÁN
LIMA-PERÚ 2016
RESUMEN
-
-
Las grandes operaciones de minería, por lo general tienden a minar sus reservas mediante el mtodo de !Ta"o A#ierto$% & si #ien estos mtodos tienen costos operativos menores 'ue su contraparte la minería su#terr(nea% sus costos de inversi)n son e*tremadamente altos% tanto para la puesta en marc+a de la operaci)n así como en la ad'uisici)n ad'uisici)n de los e'uipos de grandes dimensiones La necesidad de salvaguardar la vida del personal 'ue la#ora en este tipo de operaciones al igual 'ue los e'uipos asociados sumada a la pro-undidad cada ve. ma&or de estos ta"os% es lo 'ue +ace necesario un an(lisis e*+austivo del comportamiento glo#al & especí-ico de los taludes partiendo desde desde el modelo geol)gico, geol)gico, el modelo modelo geomec(nico geomec(nico & el modelo matem(tico matem(tico para poder #rindar #rindar soluciones )ptimas )ptimas en cuanto a seguridad & economía economía para los distintos pro#lemas de esta#ilidad asociados a estas operaciones
Así mismo, es necesario conocer las distintas alternativas para poder esta#ili.ar un talud potencialmente inesta#le% escogiendo la 'ue cumpla con los re'uisitos tecnol)gicos, econ)micos & de seguridad% a'uí &ace el o#"etivo primordial de la presente investigaci)n, #rindar conocimiento general so#re las tcnicas de esta#ilidad e implementar el criterio adecuado para la elecci)n de las mismas
T!" #$ %&'($')#&* R$*+,$' T!" #$ %&'($')#&* L)*( #$ (!"* L)*( #$ F)+.* C/(+"& 1 I'(.&#+%%)' /,/ Conte*to /,1 Seguridad
& riesgo de taludes en minería super-icial /,2 3actores econ)micos de taludes en minería super-icial
0 0 4
C/(+"& 2 L)($.(+. /.$3) 1,/, 3actores
'ue dominan el comportamiento mec(nico de los taludes
5
1,1, 3actores
'ue promueven la inesta#ilidad en los taludes
6
1,2, Tipos
de roturas
//
C/(+"& 4 T5%')%* #$ $*(!)")## #$ ("+#$* 2,/ Con-iguraciones
de la geometría del talud
2,1 Re-uer.os 2,2 Elementos
/4 /5
de Contenci)n
2,8 Drena"e 2,9 Per-ormance
17 11
de las operaciones
10
C/(+"& C&'*)#$.%)&'$* $'$."$* $' $" #)*$7& #$ ("+#$* 8/ Procedimiento :terativo
15
C/(+"& 8 A/")%%)' P.9%()% 9,/ De-inici)n 9,1 An(lisis
del pro#lema
& soluci)n
27 2/
9,2 Resultados
C/(+"& 6 C&'%"+*)&'$* : R$%&,$'#%)&'$* 0,/
Conclusiones
29
0,1
Recomendaciones
20
B)!")&.; A'$<&*
24 25
C/(+"& 1 I'(.&#+%%)' 1=1 C&'($<(& La presente investigaci)n surge de la necesidad de comprender el an(lisis geomec(nico de los taludes en minería super-icial, partiendo de las pu#licaciones de autores reconocidos & una estructura m(s ordenada así como n-asis, si #ien apro*imados, de los -actores econ)micos 'ue conllevan las decisiones en el (rea de geomec(nica% se culmina con una aplicaci)n simulada, 'ue sirve para #rindar una apreciaci)n genrica del proceso de esta#ili.aci)n de taludes
1=2 S$+.)## : R)$*& #$ ("+#$* $' ,)'$. *+/$.;)%)" El riesgo asociado a los desli.amientos de taludes en minería super-icial van aumentando con el pasar de los a;os, de#ido a 'ue las operaciones de minado tienden a generar taludes -inales de pro-undidades mu& superiores a las de a;os atr(s% es por esta ra.)n 'ue se de#e reali.ar el an(lisis e*+austivo del riesgo asociado con los taludes% tanto como para el personal así como para los e'uipos puesto 'ue un mal an(lisis puede conducir a situaciones -atales No s)lo el riesgo asociado a un desprendimiento general de un talud es el de vital importancia, el riesgo del desprendimiento de un pe'ue;o #lo'ue de roca en alguno de los #ancos de producci)n puede volverse una situaci)n de e*tremo peligro de#ido a la altura desde donde se lleva a ca#o el desprendimiento% para situaciones como la mencionada se puede mitigar este riesgo teniendo cuidado con los par(metros de dise;o para las #ermas de seguridad
F)+. N> 1=1 D$*")?,)$'(& #$ +' ("+# $' " ,)' C&,.*
1=4 F%(&. E%&',)%& #$ ("+#$* $' ,)'$. *+/$.;)%)" Siendo la minería un negocio de alto riesgo, es necesario tener un conocimiento de lo m(s certero respecto a cada parte del pro&ecto Un inadecuado control de la esta#ilidad de los taludes -inales del ta"o al igual 'ue una inesta#ilidad local presente en los #ancos de producci)n puede llegar a generar cuantiosas prdidas para la empresa El desli.amiento de un talud no solo implica una disminuci)n de los o#"etivos planteados, tales como= Producci)n% al tener parali.ada un con"unto de #ancos, sino 'ue adem(s de ello est( el costo incurrido en re+a#ilitar la .ona a-ectada, costo 'ue no estuvo incluido dentro del proceso previo de planeamiento% re-le"(ndose estos en prdidas signi-icativas De todo ello se deduce 'ue mientras m(s riguroso sea el an(lisis de la esta#ilidad glo#al & local de un talud ma&or ser( la con-ia#ilidad impuesta en el cumplimiento de los o#"etivos planteados El -actor econ)mico no s)lo est( presente en el costo asociado a un desli.amiento de roca proveniente de los taludes% tam#in est( presente en el dise;o previo del talud Un aspecto clave de una operaci)n a ta"o a#ierto es la denominada relaci)n desmonte>mineral% 'ue indica cuantas toneladas de desmonte +a#r( 'ue remover para o#tener una tonelada de mineral% est( relaci)n depender( del (ngulo del talud -inal puesto 'ue al tener taludes m(s verticales la cantidad de desmonte ser( menor Entonces una acci)n podría ser tener los taludes lo m(s verticalmente posi#le para ma*imi.ar la utilidad de la operaci)n% pero una ma&or inclinaci)n tam#in implica una ma&or inesta#ilidad & lo 'ue se #usca es el punto de e'uili#rio entre el -actor econ)mico & el -actor de seguridad
F)+. 1=2 R$*+"(#&* $%&',)%&* /. +' &/$.%)' ,)'$. )#$")?#= Fuente: Mecánica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de Taludes
Entonces una posi#le opci)n & una de las m(s usadas en la pr(ctica minera es aumentar ligeramente el (ngulo de talud -inal e implementar un proceso de monitoreo de la esta#ilidad o aumentar el (ngulo en un nivel signi-icativo e invertir en tcnicas de esta#ilidad como drena"e o re-uer.o del talud El +ec+o de 'ue solo se necesita 'ue el talud -inal del ta"o sea esta#le durante el periodo de vida operativo de la mina% implica 'ue los -actores de seguridad ser(n menores 'ue para estructuras permanentes% esto es uno de los motivos por el cual es admisi#le en la pr(ctica el aumentar el nivel de inclinaci)n del talud & re-or.ar la esta#ilidad durante los periodos operativos
C/(+"& 2 L)($.(+. P.$3) 2=1 F%(&.$* @+$ #&,)'' $" %&,/&.(,)$'(& ,$%9')%& #$ "&* ("+#$* Dado 'ue los es-uer.os in situ presentes en un maci.o rocoso se pueden apro*imar de acuerdo a la carga litost(tica 'ue soporta el (rea a estudiar, dic+o esto es de esperar 'ue los es-uer.os activos en una operaci)n a ta"o a#ierto sean muc+o menores 'ue la resistencia o-recida por el maci.o rocoso% es por esto 'ue en la ma&oría de los casos los -actores 'ue de#en ser anali.ados para determinar la resistencia de un talud son las discontinuidades presentes en el terreno Resistencia de las Discontinuidades En el dise;o de taludes se asume 'ue la masa rocosa se puede modelar seg?n un criterio de Coulom#, esto da lugar a 'ue la resistencia de las discontinuidades se pueda e*presar en trminos de la co+esi)n & del (ngulo de -ricci)n de las mismas Am#os de estos criterios son o#tenidos mediante prue#as con-ia#les de la#oratorio mediante el mtodo de corte directo% a este an(lisis +a#r( 'ue incorporar el nivel de la presi)n de agua presente en el maci.o rocoso% puesto 'ue la presi)n de agua disminuir( el valor de la resistencia o#tenida para condiciones secas
F)+. 2=1 C+.3* /.)'%)/"$* $' +' $'*:& #$ %&.($ #).$%(& *&!.$ #)*%&'()'+)##$*
2=2 F%(&.$* @+$ /.&,+$3$' " )'$*(!)")## $' ("+#$* Al aumentar la pro-undidad de la operaci)n, los pro#lemas asociados con la inesta#ilidad de los taludes se vuelve m(s comple"a, esto de#ido a 'ue la persistencia de las discontinuidades aumentar(, el mismo talud presentar( ma&ores estados tensionales, el e-ecto del agua aumentar( & la suscepti#ilidad -rente a -actores din(micos tales como las ondas provenientes de la voladura, tam#in aumentaran A continuaci)n se resumen los principales agentes desencadenantes de inesta#ilidad en los taludes
2=2=1 F%(&.$* N(+."$* A+ Constitu&e el agente natural de ma&or incidencia El agua e*istente en el interior de la red de -racturaci)n de un maci.o rocoso o de -orma intersticial en los poros de las rocas, condiciona la esta#ilidad de los taludes de#ido a las presiones intersticiales 'ue genera La presencia de agua tam#in podría ocasionar los -en)menos @(rsticos dependiendo de la composici)n del agua, como agente disolvente en presencia de rocas car#onatadas Por estas ra.ones todos los an(lisis de la esta#ilidad de taludes de#en considerar un estudio +idrol)gico para determinar el impacto 'ue tendr( la presencia de agua dentro de la esta#ilidad
C"), La in-luencia del -actor clim(tico puede ser determinante La lluvia constitu&e un -actor desencadenante de inesta#ilidades, contri#u&endo a activar o aumentar la acci)n de otros -actores, como los procesos de meteori.aci)n 'ue deterioran las rocas Los ciclos repetitivos de +ielo & des+ielo, en los 'ue el agua intersticial de las rocas & la contenida en las discontinuidades se trans-orman en +ielo, dan lugar a una disgregaci)n mec(nica constante de la estructura del maci.o rocoso, -en)meno conocido como geli-racci)n Esta se traduce en una reducci)n de la co+esi)n & adem(s provoca un aumento de la apertura de las discontinuidades
2=2=2 F%(&.$* G$&,5(.)%&* O.)$'(%)' #$" ("+# La presencia de discontinuidades dentro del maci.o rocoso de por sí no causan ning?n inconveniente en la esta#ilidad% el desencadenante necesario para 'ue se produ.ca la inesta#ilidad es 'ue el talud est orientado en una posici)n des-avora#le respecto a la -amilia de discontinuidades Dado 'ue una de las di-erencias entre las operaciones mineras & las operaciones civiles radica en 'ue las estructuras en minería se ven condicionadas por una posici)n -i"a & previamente dada del recurso minerali.ado% es por esta ra.)n 'ue la orientaci)n del talud no se puede varias en grandes rangos
2=2=4 F%(&.$* &/$.()3&* V&"#+. La inesta#ilidad de taludes est( com?nmente relacionada al da;o detr(s de la cara del talud causado por la voladura Esta inesta#ilidad causada com?nmente se e*tiende entre cinco a die. metros por detr(s de la cara del talud% para operaciones en minado a ta"o a#ierto% dic+a inesta#ilidad puede verse re-le"ada en caídas de roca ocurriendo cuando la presencia de agua +a aumentado dic+a inesta#ilidad Tam#in es posi#le 'ue la voladura causa da;os a largo pla.o, donde por e"emplo se encuentre un talud con posi#le rotura de tipo vuelco% los gases producto de la voladura pueden recorrer dic+as a#erturas & desesta#ili.ar a?n m(s dic+os #lo'ues
E<%3%)' Para llevar a ca#o un pro&ecto minero, en la etapa previa de construcci)n% el removimiento de roca en algunos casos no se lleva a ca#o por los mtodos tradicionales de per-oraci)n & voladura% si no 'ue se e*cava el terreno, esto causa un cam#io en las condiciones de e'uili#rio del talud resultante% por lo 'ue la resistencia del mismo disminuir( siendo resultado directo del reacomodo del terreno
2=4 T)/&* #$ R&(+. En cual'uier parte de la super-icie terrestre la gravedad act?a continuamente so#re los materiales, 'ue tienden a dirigirse +acia niveles m(s #a"os El trmino com?nmente usado para designar los movimientos en taludes es el desli.amiento la super-icie a travs de la cual se desli.a se denomina super-icie de rotura Una manera de anticipar este desli.amiento es a travs de la pro&ecci)n estereogr(-ica de las -amilias de discontinuidades & de la cara del talud% estas pro&ecciones ser(n características & distintas para cada tipo de rotura, 'ue se comentaran #revemente a continuaci)n
2=4=1 R&(+. P"' Este tipo de -alla ocurre cuando una estructura geol)gica tiene un rum#o paralelo o casi paralelo al del talud, & un #u.amiento menor 'ue el (ngulo del mismo, dando como consecuencia 'ue una masa o porci)n de roca se deslice por encima de dic+a estructura, de#ido a 'ue las características propias de rugosidad de la misma B co+esi)n & (ngulo de -ricci)n no son su-icientes para asegurar su esta#ilidad, de#ido a las -uer.as activas presentes Bprincipalmente, el peso de la misma masa rocosa & la presencia de agua su#terr(nea
F)+. N> 2=2 R&(+. /"' %&' .)$( #$ (.%%)'
La -igura N 11 muestra una típica rotura plana, en la 'ue !U$ & !$ son las -uer.as intersticiales actuantes so#re el #lo'ue & !T$ es la -uer.a de ancla"e, de +a#erlo
F)+. N> 2=4 P.&:$%%)' $*($.$&.9;)% #$ +' /&*)!"$ .&(+. /"'
2=4=2 R&(+. $' %+7 Las -allas en cu;a son el resultado de dos estructuras geol)gicas planares o casi planares 'ue se interceptan delimitando un #lo'ue tetradrico o Fcu;aF, el peso del material & la posi#le presencia de -uer.as +idrost(ticas +acen 'ue dic+a cu;a tienda a desli.arse a lo largo de la línea 'ue -orma la intersecci)n de am#as estructuras Para 'ue una cu;a sea cinem(ticamente via#le, la línea de intersecci)n de#e a-lorar en la cara del talud Esto implica 'ue no s)lo la inclinaci)n de dic+a línea de#e ser menor 'ue el #u.amiento del talud, sino 'ue tam#in de#e tener un rum#o casi perpendicular al del mismo
F)+. N> 2= V)*( $' /$.*/$%()3 #$ +' .&(+. $' %+7
F)+. N> 2=8 F&(&.; #$ +' /&*)!"$ .&(+. $' %+7 $' +' &/$.%)' ,)'$. (& !)$.(&= Fuente: Mecánica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de taludes
F)+. N> 2=6 P.&:$%%)' $*($.$&.9;)% #$ +' /&*)!"$ .&(+. /&. %+7
2=4=4 R&(+. C).%+". Este tipo de rotura suele tener lugar en maci.os rocosos de mala calidad o meteori.ados En este tipo de casos la rotura de produce siguiendo una super-icie cuasi circular
2=4= R&(+. /&. 3+$"%& Este tipo de rotura se produce si se tiene una -amilia de discontinuidades mu& persistentes & relativamente poco espaciadas & 'ue tengan un rum#o paralelo al del talud% pero 'ue #ucen contra este con una inclinaci)n elevada A veces este -en)meno se ve catali.ado por la presencia de otra -amilia de discontinuidades perpendicular a la anterior 'ue permita la -ormaci)n de una #ase escalonada so#re la 'ue vuel'uen los primas de roca 'ue se -ormen
F)+. N> 2= P.&:$%%)' $*($.$&.9;)% #$ +' /&*)!"$ .&(+. /&. 3+$"%&
C/(+"& 4 T5%')%* #$ E*(!)")## #$ T"+#$* La primera parte dentro del dise;o de taludes es el de conocer la orientaci)n de las discontinuidades dentro del maci.o rocoso donde se construir( el talud, adicional a esto se a;ade el rum#o 'ue tendr( la cara del talud así como su inclinaci)n% esto en trminos generales nos puede #rindar dos tipos distintos de resultados= Taludes potencialmente esta#les & taludes potencialmente inesta#les Este capítulo +ace re-erencia a las distintas tcnicas conocidas para tratar con el pro#lema presentado de la detecci)n de taludes potencialmente inesta#les Ga#iendo visto 'ue el (ngulo -inal del talud "uega un papel decisorio en la via#ilidad o no de un pro&ecto minero mediante el mtodo de ta"o a#ierto% es necesario comprender las distintas tcnicas de esta#ili.aci)n de taludes para poder escoger la com#inaci)n 'ue se adapte me"or a nuestros intereses Para o#tener la esta#ilidad de los taludes se dispone en general de tres metodologías= /> Dise;ar taludes auto>soportantes 1> Construir elementos de contenci)n 2> Re-or.ar el talud con las distintas tcnicas de esta#ilidad Es pr(ctica com?n en las operaciones mineras, el tratar de disminuir costos% entonces suena ra.ona#le tratar de o#tener los taludes con la ma&or verticalidad posi#le, para lograr esto sin descuidar la seguridad de tra#a"adores & e'uipo es necesario com#inar tcnicas de esta#ilidad A continuaci)n, se mencionan las posi#les tcnicas a optar en una operaci)n minera
4=1 C&';)+.%)&'$* $' " $&,$(. #$" ("+# Es #ien sa#ido 'ue a una ma&or pro-undidad del talud est tendr( una ma&or pro#a#ilidad de incurrir en un desli.amiento comparado con un talud de pe'ue;as dimensiones Esto +ace 'ue se relacione la esta#ilidad de un talud con la geometría del mismo Si el an(lisis de la esta#ilidad de los taludes de una mina a ta"o a#ierto arro"a 'ue algunos de los taludes principales presentar( potenciales super-icies de desli.amiento% una opci)n a considerar puede ser la de disminuir el (ngulo de inclinaci)n del talud glo#al aumentando de esta manera la esta#ilidad% pero en operaciones mineras disminuir en un grado el (ngulo -inal del talud puede ser la #rec+a entre tener una operaci)n renta#le & tener un pro&ecto invia#le% es por esto 'ue la tcnica de disminuir el (ngulo de elevaci)n de un talud s)lo de#e ser considerada cuando un estudio de las dem(s tcnicas de esta#ilidad arro"a
resultados negativos & a?n si puede 'ue no sea via#le disminuir el mencionado (ngulo% si al +acer la variaci)n en un ligero porcenta"e el pro&ecto continua siendo via#le, solo en estos casos de#e considerarse una opci)n a seguir
4=2 R$;+$.?&* PERNOS DE ANCLAHE Son elementos de ancla"es capaces de oponerse al desli.amiento & proporcionar una tensi)n normal a la super-icie de rotura potencial, aumentando su resistencia al desli.amiento, #ien por -ricci)n o #ien por dilatancia Es -recuente di-erenciar entre pernos & ca#les Se denomina perno a una pie.a de longitud varia#le introducido dentro de un taladro per-orado Pueden ser de los siguientes materiales= Acero= Son los m(s -recuentes Normalmente son #arras corrugadas de acero estirado en -río Pl(stico= Son pernos 'ue tienden a aumentar su uso de#ido a 'ue tienen igual resistencia a tracci)n 'ue el acero, carecen de pro#lemas relacionados con la corrosi)n & mantienen la -acilidad de e*cavaci)n por medios mec(nicos del maci.o% aun'ue tienden a resultar m(s caros 'ue los de acero Los ca#les son de acero & por su ma&or -le*i#ilidad tienden a lograr longitudes ma&ores E*isten ancla"es activos & ancla"es pasivos= El ancla"e activo introduce un e-ecto compresivo en el interior de la roca, inducido por postensado durante su colocaci)n & est( siempre en carga Este tipo de ancla"es son los m(s utili.ados para el re-uer.o de taludes El ancla"e pasivo s)lo entra en carga si el maci.o rocoso e*perimenta de-ormaciones despus de su colocaci)n & no introduce ninguna tensi)n en el terreno
F)+. 4=1 E"$,$'(&* #$ +' '%"$
La .ona de ancla"e es el tramo en 'ue el anclase se -i"a a las paredes de la per-oraci)n Cuando esta .ona se concentra e*clusivamente en el -ondo se denomina puntual, & si se distri#u&e a lo largo del ancla"e se denomina repartido En cuanto al sistema de -i"aci)n puede ser mec(nico, por -ricci)n o por in&ecci)n
Ancla"e puntual mec(nico Se denominan así por'ue el -ondo se -i"a al terreno mediante un elemento 'ue se e*pande mec(nicamente La ca#e.a del ancla"e se -i"a al -rente del talud mediante la placa de apo&o Pueden ser activos o pasivos E*igen una roca competente en la .ona de ancla"e & en la ca#e.a del ancla"e pero no en la parte central Son mu& ?tiles cuando el an(lisis demuestra 'ue es preciso permitir de-ormaciones del terreno
Dise;o de los ancla"es Los ancla"es ser(n dise;ados seg?n la -uer.a necesaria de cada uno para o#tener el -actor de seguridad deseado% siendo los par(metros primordiales= Carga Nominal Di(metro de Per-oraci)n Longitud de Ancla"e Longitud Li#re Secci)n del ca#le
F)+. 4=2 P$.'&* #$ '%"$ $*(!)")?'#& +' ("+# %&' .&(+. /"'
4=4 E"$,$'(&* #$ %&'($'%)' SGOTCRETE Es una me.cla de cemento & agregados, lan.ado neum(ticamente usualmente con espesores de 97>/77 mm, & re-uer.a al talud al aumentar la tensi)n & la resistencia al corte El s+otcrete controlar( tanto la caída de pe'ue;os #lo'ues de roca como el progresivo aumento en la pro#a#ilidad de despla.amiento seg?n alguna super-icie de rotura Sin em#argo el s+otcrete provee poco soporte comparado con el potencial despla.amiento
general de un talud% la -unci)n principal de aplicar este elemento de contenci)n es el de proteger la super-icie del talud El s+otcrete puede ser aplicado como una me.cla +?meda o como una me.cla seca, cada uno con un distinto tipo de me.cla & un distinto medio de transporte% la elecci)n de uno o de otro depender( de la cantidad de me.cla deseada en un determinado periodo de tiempo
La resistencia del s+otcrete est( de-inida por tres par(metros 'ue corresponden a las condiciones de los tipos de carga a la 'ue estar( e*puesto el talud Los valores típicos de estos par(metros son los siguientes= Resistencia compresiva de 17
F)+. N> 4=4 C+.3 #$ " )'($.%%)' .&%-*&/&.($ /. $" *&(%.$($
-a#ricado, de escollera, de gaviones & de mampostería
4= D.$'$ Como se sa#e la presencia de agua en los taludes e*cavados en roca es a menudo el primordial contri#u&ente a la inesta#ilidad & una reducci)n en los niveles de presi)n del agua usualmente me"ora la esta#ilidad del talud A grandes rasgos las consecuencias directas de la presencia de agua en taludes son las siguientes= -
Aumenta el peso del talud -avoreciendo su desli.amiento Aumenta la presi)n intersticial en poros & -racturas, generando tensiones desesta#ili.adoras Aumenta los empu"es so#re los elementos de contenci)n Su acci)n continua puede producir disoluci)n & @arsti-icaci)n Degrada la calidad del maci.o rocoso, aumentando la meteori.aci)n de las "untas La escorrentía produce erosi)n & arrastre de materiales en la cara del talud
El principal o#"etivo 'ue se #usca o#tener con un sistema de drena"e es la eliminaci)n, en la medida de lo posi#le, del agua, minimi.ando de esta -orma sus e-ectos negativos A grandes rasgos esto se puede conseguir de dos maneras= /> :mpedir 'ue el agua acceda al cuerpo del talud, intercept(ndola mediante .an"as 1> Disminuir el agua presente en el talud, evacu(ndola mediante sondeos, po.os o galerías La elecci)n de cual metodología tomar o en 'u medida tomar la com#inaci)n de am#os depender( principalmente de la intensidad de las lluvias en la .ona, la permea#ilidad de la roca & de la dimensi)n del talud
En general, los mtodos super-iciales tienen el o#"etivo de captar las aguas de escorrentía, impidiendo 'ue se in-iltren en el cuerpo del talud Con los drena"es su#terr(neos se #usca #a"ar el nivel -re(tico del talud & por lo tanto el peso del mismo% & las presiones intersticiales Esto puede lograrse interceptando aguas pro-undas o evacuando el agua &a almacenada DRENAHE SUPER3:C:AL Por lo general la pr(ctica com?n es construir cunetas o .an"as tanto detr(s de la cresta del talud como en las #ermas Las cunetas construidas detr(s de la cresta tienen la -unci)n de contener el agua proveniente de cotas superiores 'ue llegan +asta el talud Las cunetas construidas en las #ermas tienen la -unci)n de almacenar el agua 'ue incide directamente so#re la cara del talud Las cunetas de#er(n ser construidas con cierta pendiente de modo 'ue la velocidad de descarga sea ma&or a la de acumulaci)n% pero teniendo cuidado de no so#repasar los límites pues esto causaría erosi)n del terreno al igual 'ue una velocidad mu& #a"a causaría sedimentaci)n Ca#e mencionar 'ue todas las cunetas de#er(n estar conectadas de modo 'ue conver"an a un punto de acumulaci)n & el agua pueda ser evacuada seg?n criterio Estas cunetas son de una pro-undidad pe'ue;a & siempre ser(n construidos con alg?n material 'ue evite la in-iltraci)n de las aguas en los terrenos% pudiendo ser de concreto o de alg?n geo>te*til DRENAHE SUJTERRANEO Este tipo de drena"e lo constitu&en principalmente los siguientes mtodos= -
Sondeos su#>+ori.ontales Sondeos verticales Kalerías de drena"e
SONDEOS SUJ>GOR:ONTALES Los sondeos su#>+ori.ontales son una e-ectiva manera de reducir la presi)n de agua dentro del talud% estos son per-orados en la cara del talud con una inclinaci)n de alrededor de cinco grados Dado 'ue la ma&or cantidad de agua est( locali.ada en las discontinuidades, los sondeos de#er(n estar orientados para interceptar estas discontinuidades
No e*iste una -)rmula adecuada para determinar el espaciamiento entre estos sonda"es% pero una guía pr(ctica recomienda 'ue de#en ser per-orados con una distancia de tres a die. metros & con una longitud entre la mitad & la tercera parte de la altura del nivel -re(tico Algunas consideraciones a la +ora de dise;ar estos sondeos su#>+ori.ontales adem(s de las dimensiones de los taladros, son las siguientes= -
-
-
De#e anali.arse la posi#ilidad de sustituir unos pocos sondeos pro-undos por la alternativa menos costosa & generalmente m(s e-ectiva desde el punto de vista de la esta#ilidad de los taludes% al generar ma&ores sondeos con pro-undidades menores Caudales grandes en sondeos pro-undos no necesariamente representan disminuciones aprecia#les del nivel de agua en la .ona inesta#le del talud El o#"etivo de estos sondeos es a#atir el nivel -re(tico del talud & disminuir los niveles de presi)n intersticial% no el de o#tener caudales importantes de agua Tienen un #uen rendimiento en maci.os rocosos permea#les, disminu&endo su e-ectividad en terrenos poco permea#les
F)+. N> 4= R$*+"(#& #$ " )'*("%)' #$ +' *&'#$& *+!-&.)?&'("
SONDEOS ERT:CALES Los sondeos verticales tienen los mismos o#"etivos 'ue los sondeos su#>+ori.ontales, con la di-erencia de 'ue estos de#en colocarse de -orma 'ue se interpongan en el -lu"o de agua +acia el talud, generalmente en la coronaci)n del mismo El sistema de evacuaci)n por lo general es mediante sistemas de #om#eo, volvindose m(s caros 'ue los sondeos su#>+ori.ontales% pero la principal venta"a radica en 'ue pueden ser
instalados antes de la construcci)n de los taludes & a la ve. pueden servir como sondeos de reconocimiento KALER:AS DE RECONOC:<:ENTO Para grandes super-icies de desli.amiento puede no ser posi#le reducir signi-icativamente el nivel de la presi)n del agua usando pocos sondeos &a sean su#>+ori.ontales o verticales En estas circunstancias, un t?nel de drena"e puede ser construido en la #ase de la super-icie potencial de desli.amiento a partir del cual se per-oran sondeos +acia la roca saturada
Estas galerías tienen un costo m(s elevado 'ue los elementos antes mencionados, es por ello 'ue su aplicaci)n se "usti-ica para pro&ectos de dimensiones considera#les Un aspecto importante para tener en cuenta es la instalaci)n correcta de pie.)metros para veri-icar si el dise;o planteado est( disminu&endo el nivel de presi)n de agua
F)+. 4=8 E"$,$'(&* /.)'%)/"$* #$ #.$'$ *+!($..9'$&
4=6 P$.;&.,'%$ #$ "* &/$.%)&'$* Adem(s de las tcnicas previamente mencionadas, una -orma de mitigar la inesta#ilidad en los taludes es la de reali.ar las operaciones de minado con un adecuado control de calidad principalmente para las operaciones cu&o impacto es mu& relevante en la esta#ilidad de un talud% en la presente parte del capítulo se +ar( menci)n al adecuado per-ormance de la voladura en los #ancos de producci)n al igual 'ue un adecuado sistema de monitoreo OLADURA Por lo general la e*cavaci)n de los #ancos de producci)n pertenecientes al talud usa la tcnica de per-oraci)n & voladura, en las minas a ta"o a#ierto e*isten (reas dedicadas e*clusivamente a todo lo concerniente a la per-oraci)n & voladura en el pro&ecto% la relaci)n de esta operaci)n unitaria a la tcnica de esta#ilidad de taludes reside en mitigar el da;o a los taludes cercanos a los #ancos de producci)n
F)+. N> 4=6 T$.,)'&"& !9*)% $' " 3&"#+. #$ !'%&* #$ /.&#+%%)'
<:T:KAC:MN DE LOS DAOS POR OLADURA La inesta#ilidad de taludes est( com?nmente relacionada al da;o detr(s de la cara del talud causado por la voladura Esta inesta#ilidad causada com?nmente se e*tiende entre cinco a die. metros por detr(s de la cara del talud% para operaciones en minado a ta"o a#ierto% dic+a inesta#ilidad puede verse re-le"ada en caídas de roca ocurriendo cuando la presencia de agua +a aumentado dic+a inesta#ilidad Tam#in es posi#le 'ue la voladura causa da;os a largo pla.o, donde por e"emplo se encuentre un talud con posi#le rotura de tipo vuelco% los gases producto de la voladura pueden recorrer dic+as a#erturas & desesta#ili.ar a?n m(s dic+os #lo'ues El control de los da;os causados por la voladura pueden ser mitigados implementando, cual'uiera de los siguientes mtodos= -
Dise;o adecuado de la voladura de producci)n Taladros de Pre corte & voladura controlada
TALADROS DE PRE CORTE OLADURA CONTROLADA La tcnica se #asa en per-orar taladros con un espaciamiento mu& pe'ue;o en la -ila 'ue se encuentre m(s cercana a la cara del talud & cargar con un e*plosivo de #a"o -actor de carga & con un di(metro menor 'ue el del taladro El e-ecto 'ue tiene esta disminuci)n en el di(metro del e*plosivo es 'ue disminu&e el e-ecto de la onda generada por la voladura +acia el maci.o rocoso
F)+. 4= R$"%)' $'(.$ $" #)9,$(.& #$" $
Ca#e mencionar 'ue por lo general todas las operaciones de minado a ta"o a#ierto, +an implementado esta tcnica de voladura al per-ormance de sus operaciones mitigando de esta manera el impacto en el maci.o rocoso aleda;o a los #ancos de producci)n
C/(+"& C&'*)#$.%)&'$* $'$."$* #$ " $&,$%9')% $' $" #)*$7& #$ ("+#$* =1 P.&%$#),)$'(& )($.()3& Por lo general en el planeamiento re-erido al (rea de Keomec(nica no se logra o#tener un dise;o )ptimo para cada talud anali.ado% esto se de#e a 'ue los dise;os reali.ados pueden & tendr(n cierto margen de error de#ido a 'ue en la mec(nica de rocas se asume muc+o respecto al comportamiento del maci.o rocoso, de#ido a 'ue la roca es todo menos un material ideal% esto sumado a 'ue las condiciones operacionales & las condiciones del terreno no se mantienen constantes% impulsa a reali.ar dise;os iterativos & continuamente evaluados para satis-acer los o#"etivos planteados
Un proceso de dise;o de taludes #(sico, sigue los procesos mencionados en el diagrama iterativo% e*plicado a continuaci)n Una ve. identi-icado los taludes potencialmente inesta#les, se procede a reali.ar un estudio a detalle de las condiciones geomec(nicas del maci.o rocoso en donde se construir( el talud% esto es o#tener los par(metros de resistencia tanto del maci.o rocoso como el de las discontinuidades adem(s de un estudio e*+austivo de la presencia de agua dentro del maci.o% cuando se +a&an o#tenido los par(metros geomec(nicos se +ace el an(lisis de la esta#ilidad del talud% esto se ve reducido a un -actor de seguridad 'ue relaciona las -uer.as a -avor del desli.amiento & las -uer.as 'ue se oponen% para reali.ar este tipo de an(lisis se cuentan con distintos mtodos los cuales se mencionan con ma&or claridad en la segunda parte de este capítulo Si el -actor de seguridad no cumple con lo planteado, se +ace uso de las tcnicas de esta#ilidad &a mencionadas% el o#"etivo de estas tcnicas es o#tener un valor de -actor de seguridad 'ue se encuentre dentro de los límites permisi#les Pasada la etapa de dise;o se lleva a ca#o la construcci)n del talud% pero el vínculo con el (rea de geomec(nica no termina a+í% para 'ue una operaci)n tenga *ito es necesario un constante monitoreo del
dise;o construido con el -in de identi-icar posi#les inesta#ilidades & tener tiempo para mitigar los mismos
C/(+"& 8 A/")%%)' P.9%()% 8=1 D$;)')%)' #$" /.&!"$, Para la puesta en marc+a de un pro&ecto minero por el mtodo de e*plotaci)n !Ta"o A#ierto$ se +a dise;ado en una -ase previa las posi#les orientaciones de los taludes, así como la pro-undidad -inal TALUD A TALUD B TALUD C TALUD D TALUD E TALUD F
B (°)
dB (°)
60
260
60
80
60
50
60
0
60
290
60
180
T!" N> 8=1 O.)$'(%)' #$ "* /.)'%)/"$* #)*%&'()'+)##$*
Un an(lisis del mapeo geotcnico de la .ona arro"a las siguientes -amilias de discontinuidades principales & sus par(metros geomec(nicos
!TE"A # !TE"A 2 !TE"A $ !TE"A %
B (°)
dB (°)
Cohesión (t/m2)
Angulo de fricción (°)
76
214
2
31
74
268
5
28
29
258
6
32
60
106
3
29
T!" N> 8=2 P.9,$(.&* $&,$%9')%&* #$ "* #)*%&'()'+)##$*
Se pide determinar los taludes potencialmente inesta#les así como la elecci)n de la me"or tcnica de esta#ilidad de los mismos Seg?n an(lisis econ)micos el (ngulo mínimo del talud A para 'ue el pro&ecto sea via#le es de 94 3actor de seguridad mínimo I /1
8=2 A'9")*)* : S&"+%)' Para poder identi-icar los taludes potencialmente inesta#les +acemos uso de la pro&ecci)n estereogr(-ica mediante el so-tare !Dips 97$ para las distintas orientaciones de los taludes del pro&ecto El an(lisis con el so-tare !Dips 97$ muestra 'ue los taludes potencialmente inesta#les son el talud A, talud J, talud C% en el presente e"emplo se limita a anali.ar el talud A% en la siguiente ta#la se muestra el talud potencialmente inesta#le así como su tipo posi#le de rotura CEF!C!E&T + DE A'UA T!, DE TUA ALTUA (m) Plana
A&'UL DE TALUD (°)
D!ECC!*& DE BU-A"!E&T (°)
'!ETA
E !"!C!DAD
E& LA .U&TA
60
260
NO
0
40
200
T!" N> 8=4 P.9,$(.&* #$" ("+# A
,!BLE TUA
,LA&A
F)+. N> 8=1 P.&:$%%)' $*($.$&.9;)% #$ "* #)*%&'()'+)##$* : $" ("+# A
Una ve. identi-icado el talud, anali.amos su esta#ilidad con el uso del so-tare !RocPlane$ al introducir como par(metros de entrada las características geomec(nicas de las discontinuidades al igual 'ue los par(metros geomtricos del talud & el porcenta"e de agua presente en las "untas Al +a#er culminado el an(lisis con un resultado del -actor de seguridad, o#tenemos 'ue el talud A, presenta un valor no acepta#le de -actor de seguridad B3SI756 Para ello escogeremos las tcnicas de esta#ilidad apropiadas
F)+. N> 8=2 R$/.$*$'(%)' #$" ("+# A $' $" *&;(.$ R&%P"'$
T!" N> 8= P.9,$(.&* #$ " .&(+. /"' $' $" ("+# A
Un an(lisis de las posi#les tcnicas de esta#ilidad 'ue podrían utili.arse, dan como resultado las siguientes com#inaciones= OPC:MN /= Esta#ili.ar el talud mediante pernos de ancla"e, manteniendo las condiciones saturadas & sin cam#iar el (ngulo dise;ado para el talud OPC:MN 1= Esta#ili.ar el talud mediante un sistema de drena"e, sin cam#iar el (ngulo dise;ado para el talud OPC:MN 2= Esta#ili.ar el talud al disminuir el (ngulo dise;ado para el talud OPC:MN 8= Com#inar los pernos de ancla"e con un sistema de drena"e, sin cam#iar el (ngulo dise;ado para el talud OPC:MN 9= Com#inar los pernos de ancla"e con una disminuci)n en el (ngulo del talud OPC:MN 0= Com#inar un sistema de drena"e con una disminuci)n en el (ngulo del talud
A+ora el an(lisis se centra en escoger cu(l de las com#inaciones es la 'ue representa la me"or soluci)n tcnica>econ)mica Para la parte tcnica se +an reali.ado todas las com#inaciones en el so-tare !RocPlane$ 'ue permite el an(lisis de sensi#ilidad de los -actores 'ue condicionan la esta#ilidad en la rotura plana así mismo permite la adici)n de pernos de ancla"e Para la o#tenci)n de los costos de las distintas com#inaciones se +a usado re-erencias de e"emplos usados en distintas -uentes so#re el dise;o de taludes & la siguiente gr(-ica
F)+. N> 8=4 C+.3* #$" %&*(& *&%)#& %# (5%')% #$ $*(!)")## Fuente: Mecánica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de taludes
Los resultados econ)micos de las distintas com#inaciones se resumen en la siguiente ta#la CT A,!"AD (0/metro) ,C!*& 2 ,C!*& $ ,C!*& % ,C!*& 1
,C!*& # 423 987
421222.85
-
387 272.67
412 209.58
,C!*&
421 222.85
T!" N> 8=8 C&*(&* *&%)#&* "* #)*()'(* (5%')%* #$ $*(!)")##
Seg?n una comparaci)n #(sica de los costos de las distintas tcnicas, es l)gico optar por la com#inaci)n entre pernos de ancla"e con un sistema de drena"e como la id)nea para esta aplicaci)n
Nota: Se adjunta en los anexos los procesos a detalle de la solución del presente problema de aplicación
8=4 R$*+"(#&*
Costo de instalar 20 pernos con una longitud de 49 metros cada uno & una capacidad de ancla"e de 49 toneladas por metro resulta en= 812 654 Qm% con un -actor de seguridad de /1 Costo de instalar un sistema de drena"e para eliminar al /77 la presencia de agua en las discontinuidades resulta en= 81/ 11159 Qm% con un -actor de seguridad de //6 La opci)n de reducir el (ngulo del talud para o#tener un -actor de seguridad deseado de /1 resulta invia#le pues tendría 'ue reducirse +asta 29 apro*imadamente Costo de drenar al 97 la presencia de agua en las discontinuidades sumado el de instalar /9 pernos con una longitud de 49 metros cada uno & una capacidad de ancla"e de 49 toneladas por metro resulta en= 254 14104 Qm Costo de instalar 29 pernos con una longitud de 49 metros cada uno & una capacidad de ancla"e de 49 toneladas por metro sumado a una reducci)n del (ngulo del talud +asta 94 resulta en= 8/1 17695 Qm% con un -actor de seguridad de /1 Costo de instalar un sistema de drena"e para eliminar al /77 la presencia de agua en las discontinuidades sumado a una reducci)n del (ngulo +asta 96 resulta en= 81/ 11159 Qm% con un -actor de seguridad de //65
C/(+"& 6 C&'%"+*)&'$* 6=1 C&'%"+*)&'$*
En las operaciones mineras a ta"o a#ierto, por lo general no es renta#le el tratar de eliminar todas las esta#ilidades presentes en los taludes% sino m(s #ien anali.ar cu(les de ellas son las 'ue pondría en riesgo el pro&ecto & decidir cu(l es la tcnica adecuada para la esta#ili.aci)n de a'uellos taludes Cuando no e*ista una potencial super-icie de despla.amiento 'ue involucre al talud general, los pro#lemas de esta#ilidad se ver(n reducidos a monitorear & anali.ar los taludes de los #ancos de producci)n a medida 'ue se va constru&endo el talud -inal El drena"e es una de las tcnicas de esta#ilidad m(s recomendadas para condiciones de desli.amiento no mu& comple"as Es imprescindi#le un adecuado an(lisis de los taludes generales & locales para identi-icar posi#les riesgos 'ue pudiesen ser -atales para el pro&ecto minero Del e"emplo de aplicaci)n se conclu&e 'ue para tama;os considera#les del talud, los elementos de re-uer.o como tcnica de esta#ilidad son ine-icientes
6=2 R$%&,$'#%)&'$*
Reali.ar un an(lisis de las de-ormaciones presentes en el talud & no limitarse a uno de e'uili#rio límite Para taludes generales cada ve. m(s pro-undos, de#er( incluirse el e-ecto del campo tensional en el maci.o rocoso & no s)lo la resistencia de las discontinuidades
B)!")&.;
Ramire. O&anguren, Pedro Mecánica de Rocas: Fundamento e Ingeniería de taludes.
A'$<&* PROECC:MN ESTEREMKRA3:CA DE LOS TALUDES POTENC:AL
,ro3ección estereogr45c6 del t6lud A 3 7osi8le rotur6 7l6n6
P.&:$%%)' $*($.$&.9;)% #$ ("+#$* BCDEF
Par(metros de resistencia de las discontinuidades=
Par(metros de las -uer.as del agua en las discontinuidades=
Con todos estos datos de entrada, se modela la rotura plana & el programa calcula el 3actor de Seguridad entre otras características del #lo'ue a desli.ar
M&#$"#& #$ " .&(+. /"' #$" ("+# A
ANL:S:S TVCN:CO>ECONM<:CO DE LA OPC:MN / Para instalar pernos de ancla"e 'ue #rinden el -actor de seguridad deseado, se usa la opci)n de sostenimiento en el programa !RocPlane$, una opci)n de esta +erramienta es dado un -actor de seguridad deseado, calcular la capacidad de ancla"e total% usaremos pernos con longitudes de 49 metros & una capacidad de ancla"e de 49 toneladas por metro
El programa calcula la capacidad de ancla"e total para un -actor de seguridad de /1
Entonces, la capacidad de ancla"e total es de 1054 toneladas por metro% al tener pernos con capacidad de ancla"e de 49 toneladas por metro El n?mero de pernos a usar son= 2687 #
= 75 = 36
Para el an(lisis econ)mico +acemos uso de la 3igura N 92 & +acemos una correcci)n seg?n el costo apro*imado de la tonelada anclada, seg?n ,-oek /ro0n1 El coste apro*imado de anclar una tonelada mediante pernos es de 17 % una de las características 'ue #rinda el modelado de la rotura plana es la de calcular el tonela"e del #lo'ue por metro lineal Para este caso el peso total del #lo'ue sin anclar es de 21 1HH= 48 (&', Entonces se tendr( un coste de anclar todo el #lo'ue de 24 HJ K, al usar 20 pernos Seg?n la 3igura N 92 para un talud de inclinaci)n de 07 el coste de ancla"e para condiciones saturadas ser( de 1=10 MK La correcci)n entre ese valor & el apro*imado es de 2=8H2= Este valor nos servir( para estimar el costo de drena"e &a 'ue para ese costo no se posee m(s datos 'ue los de la -igura ANL:S:S TVCN:CO>ECONM<:CO DE LA OPC:MN 1 El so-tare !RocPlane$ nos permite reali.ar un an(lisis de sensi#ilidad para todos los -actores 'ue intervienen en la esta#ilidad del talud Gaciendo este an(lisis para la cantidad de agua en las discontinuidades, nos arro"a 'ue para o#tener un -actor de seguridad cercano a /1 B3SI//6% se de#er( drenar toda la cantidad presente de agua
F%(&. #$ *$+.)## $' ;+'%)' #$ %'()## #.$'# #$ +
Para el an(lisis econ)mico +aremos uso del -actor de correcci)n de la 3igura 92, en la -igura se tiene 'ue para un talud de inclinaci)n de 07 el costo por drenar toda la cantidad de agua presente es de 1=0H4 MK al aplicarle el -actor de correcci)n de 19641 o#tenemos un costo apro*imado del drena"e de 21 222= J8 K, ANL:S:S TVCN:CO>ECONM<:CO DE LA OPC:MN 2 Gaciendo uso del an(lisis de sensi#ilidad en relaci)n al (ngulo del talud se o#tiene la siguiente gr(-ica
:ndica 'ue para o#tener un -actor de seguridad de /1 la inclinaci)n del talud de#ería ser de apro*imadamente 225% +aciendo el pro&ecto invia#le por lo 'ue tcnicamente se descarta esta opci)n ANL:S:S TVCN:CO>ECONM<:CO DE LA OPC:MN 8 Esta opci)n nos indica 'ue de#eríamos drenar & colocar pernos de ancla"e% la proporci)n de uno & otro se +a tomado como de drenar a un 97 la cantidad de agua & calcular los pernos necesarios para esta#ili.ar el talud
Podemos variar el -actor de seguridad al reducir a la mitad el porcenta"e de la presencia de agua 'ue e'uivale a drenar un 97
Esta reducci)n en la cantidad de agua presente nos da un nuevo -actor de seguridad de /746, con el cual se procede a calcular la cantidad de pernos necesarios para convertirlo en un -inal /1
Esto nos arro"a 'ue necesitaremos una capacidad de ancla"e de /741 toneladasQm, por lo 'ue el n?mero de pernos ser(=# = 107275 = 15
Para el an(lisis econ)mico, calculamos la mitad del costo B97 de drena"e del estimado para la opci)n 1 m(s el costo de instalar /9 pernos El costo total de esta opci)n ser(
423987 = 0.5(421 222.85) +
× 15 =
.
$/
ANL:S:S TVCN:CO>ECONM<:CO DE LA OPC:MN 9 Al reducir al nivel m(*imo permisi#le el (ngulo del talud B94 se o#tiene un nuevo -actor de seguridad #a"o el cual ser(n calculados la cantidad de pernos necesarios
O#teniendo un -actor de seguridad de 76/0, con el cual ser( calculado la capacidad de ancla"e
La capacidad de ancla"e es de 1942 toneladas por metro, por lo 'ue la cantidad de pernos a instalar para lograr el -actor de seguridad de /1, es de# = 257375 = 35
El costo total de esta opci)n ser( el de instalar 29 pernos 423 987
=
× 35 =
.
$/
Ca#e se;alar 'ue adicional a este costo +a#r( 'ue incluir la disminuci)n en la renta#ilidad al disminuir el (ngulo glo#al del talud
ANL:S:S TVCN:CO>ECONM<:CO DE LA OPC:MN 0 Al reducir al nivel m(*imo permisi#le el (ngulo del talud B94 se o#tiene un nuevo -actor de seguridad #a"o el cual ser( calculada la cantidad de drena"e mediante un an(lisis de sensi#ilidad
