UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS GEOLOGIA Y METALURGIA
DOCENTE DO CENTE : MSc. ING° LUIS TORR TORRES ES YUPA YUPANQUI NQUI
HUARAZ,, OC HUARAZ OCTUBRE TUBRE DE 2012 2 012
GEOMECANICA ES MECANICA DE ROCAS “La mecánica de rocas es la ciencia teórica – practica aplicada
al comportamiento mecánico de la roca y del macizo rocoso; esto es aquella aquella rama de la mecánica mecánica que trata con la respuesta de la roca y del macizo rocoso al campo de fuerzas en su entorno físico” Fuente:: U:S: National comité on rocks Mechanic’s 1974. Fuente Su aplicación practica efectiva demanda su integración con otras áreas con la respuesta mecánica de todos los materiales geol ge ológ ógic icos os,, to todo do el elllo en co conj njun unto to es lo qu que e se de deno nomi mina na Geomecánica.
GEOMECANICA ES MECANICA DE ROCAS “La mecánica de rocas es la ciencia teórica – practica aplicada
al comportamiento mecánico de la roca y del macizo rocoso; esto es aquella aquella rama de la mecánica mecánica que trata con la respuesta de la roca y del macizo rocoso al campo de fuerzas en su entorno físico” Fuente:: U:S: National comité on rocks Mechanic’s 1974. Fuente Su aplicación practica efectiva demanda su integración con otras áreas con la respuesta mecánica de todos los materiales geol ge ológ ógic icos os,, to todo do el elllo en co conj njun unto to es lo qu que e se de deno nomi mina na Geomecánica.
CONCEPTUALIZACION DE LA GEOMECÁNICA
Actualmente la geomecánica juega un papel muy importante, particularmente constituye la base científica de la Ingeniería de Minas, ya que posee sus propias propias peculiaridades peculiaridades.. La aplicabilidad de la Geomecánica beneficia el aspecto de la Seg egur urid ida ad Mi Mine nera ra,, ya qu que e la ap apllic icac ació ión n de es esta ta ci cien enci cia a, garantiza el análisis para el control de estabilidad de las labores mineras mine ras sub subterra terranea neass y superficia superficialles.
1. 2. 3. 4.-4. 5. 6.7. 8. -
Diseño de labores mineras Mettodo de explotación Me Perforacion y voladura Sost So steeni nimi mieent nto o Relleno y drenaje Conservacio ion n del me med dio ambie ien nte Productividad y lost control Economia y gestion
MODELOS
MODELO NUMERICO
LA EXCAVACIÓN SUBTERRANEA Permanentes:
Son aquellas que van a perdurar en la vida de la mina. Ejemplos: Niveles, rampas, chimeneas de ventilación principal. Temporales: Son aquellas que estarán abiertas por un lapso de tiempo corto. Ejemplos: Tajeos, ventanas hacia el tajeo, chimeneas que son cara libre en tajeos, etc.
SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOMECÁNICA
1.- Caracterizacion del Macizo Rocoso
1.1.- Levantamiento Litologico – Estructural 2.- Caracteristicas del comportamiento mecanico de la masa rocosa 2.1.- Ensayos de Laboratorio 2.2.- Ensayos In – situ 3.- Clasificaciones Geomecanicas 4.- Dominios estructurales.
Consiste en registrar información Litológica-estructural del macizo rocoso, este trabajo debe ser ejecutado; mediante las observaciones de campo, utilizando normas sugeridas por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas - ISRM (Society International For Rock Mechanic´s), en las diferentes labores de acceso, desarrollo y preparación para la explotación futura de la operación minera. La información entre otras, esta relacionado al estudio de un set de familia mediante el modelo geologico; estudio de las discontinuidades: espaciamiento, condicion de juntas: alteracion, rugosidad, relleno, apertura, persistencia; y presencia del agua, continuidad y frecuencia: orientación y/o rumbo y el buzamiento.
ANALISIS ESTRUCTURAL La informacion relacionada al levantamiento estructural, en funcion del rumbo, buzamiento y direccion de buzamiento, es evaluada mediante el analisis estereografico: Red de Schmidt, con el objetivo de determinar el “Jn” (Joint Set Number) Numero de familias, este procedimiento se puede realizar a traves de un tratamiento computarizado; mediante la aplicación de Software: “DIP S”. ´
Los resultados serán ploteados en cada en estación por niveles; en el caso de labores subterráneas y labores superficiales, en planos geológicos estructurales, debiendo de analizar además de la información estructural de las discontinuidades, ubicación de las estaciones de muestreo; consecuentemente la elaboración de un plano composito de las características estructurales.
PROYECCIÓN ESTEREOGRÁFICA –
SOFTWARE DIP’S
1.- ENSAYOS DE LABORATORIO Comprenderá determinar las propiedades físicas y mecánicas de los diferentes materiales rocosos, entre roca y mineral a partir de un muestreo selectivo y representativo en sectores característicos de la operación minera, incluyendo rocas de la diversidad de formaciones geológicas como por ejemplo: formaciones Chimú, Santa, Goyllirisquisga, Carhuaz y diferentes tipos de mineral como por ejemplo: piritoso, Skarn, Shiroje, Marmatita, Vuggy Silica. Los ensayos deben realizarse en el laboratorio de Mecánica de Rocas, utilizando normas sugeridas por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas - ISRM, a partir de muestras de roca y/o mineral procedente de la mina técnicamente extraídos y transportados.
OBJETIVO Determinacion de las propiedades fisico-mecanicas de las rocas y mineral. Mediante los ensayos:. Propiedades Físicas. Propiedades Mecánicas: Ensayo de Compresión Uniaxial. Ensayo de Carga Puntual. Ensayo de Corte Directo. Ensayo para la determinación de Constantes Elásticas. Ensayo de Compresión Triaxial. Ensayo de Tracción Indirecta – Brasilero.
2.- ENSAYOS IN –SITU
Convergencia mediante: Extensómetros de varillas Extensómetros de cinta Extensómetros de hilo Extensómetros eléctricos Subsidencia mediante: Inclinómetros Estación Total ( Teodolito y distanciómetro Electrónico) Rebote mediante: El martillo Schmidt de Dureza Nivel y/o caudal del agua mediante: Piezómetros
BIENIAWSKI (1973): Clasificacion geomecánica o valoración del macizo rocoso RMR (Rock Mass Rating), refinado sucesivamente en varias oportunidades, ultima versión 1989. Aplicable a la estimación del sostenimiento, al tiempo de autosostenimiento y los parámetros de resistencia del macizo rocoso. LAUBSCHER AND TAYLOR (1977): RMR de Bieniawski modificado para la minería RMRM (Mining Rock Mass Rating), ultima versión 1990, Aplicable a la estimación del sostenimiento y los parámetros de los métodos de minado por hundimiento principalmente. HOEK AND MARINOS(2000): Indice de resistencia geológica GSI (Geoligical Strength Index), para clasificar al macizo rocoso, estimar la resistencia del macizo rocoso y el sostenimiento ultima versión 1998. BARTON (1974): Índice de calidad tunelera (Q) para la determinación de las características del macizo rocoso y de los requerimientos de sostenimiento de túneles. ROMANA (2002): Indice de la calidad del talud, SMR (Slope Mass Rating), para la determinación de las características del talud y de los requerimientos de la estabilidad.
Con la data básica, se determinará los dominios estructurales, es decir la zona de similar comportamiento geomecánico el mismo que debe estar representado en los planos de la operación minera.
CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO 1.- LEVANTAMIENTO LITOLOGICO ESTUCTURAL 1.1.- LEVANTAMIENTO LITOLOGICO Modelo geologico.-
Estudio de las discontinuidades
ESPACIAMIENTO Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.
PERSISTENCIA Es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.
RUGOSIDAD,
Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente.
APERTURA
Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables.
METEORIZACION
Meteorización física, como consecuencia de ésta, la apertura de las discontinuidades aumenta o pueden formarse nuevas fracturas por el relajamiento de la roca. Meteorización química, Origina la decoloración de la roca hasta la descomposición de la misma. Meteorización biológica, Esta regida por la presencia y actividad de los seres vivos.
ALTERACION La alteración de la roca o más propiamente dicha, alteración hidrotermal, se produce por la ascensión de fluidos o gases magmáticas a altas temperaturas a través de fracturas o zonas de falla. Éstos afectan a los rellenos de las zonas de falla y sus cajas, originando reemplazamientos y rellenos, que modifican las condiciones del macizo rocoso en los cuales se emplazan. Algunos tipos de alteración, como la silicificación y en menor grado la calcificación, mejoran las características del macizo rocoso.
RELLENO
los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente. Son
FRACTURAMIENTO Para clasificar la masa rocosa tomando en cuenta las características del fracturamiento (o grado de presencia de las discontinuidades), se mide a lo largo de un metro lineal cuantas fracturas se presentan, según esto, la guía práctica es la siguiente: Masiva o levemente fracturada: 2 a 6 fracturas / metro. 6 a 12 fracturas / metro. Moderadamente fracturada: 12 a 20 fracturas / metro. Muy fracturada: Más de 20 fracturas / metro. Intensamente fracturada: Fragmentada, disgregada, zona de falla. Triturada o brechada:
FRACTURAMIENTO ROCA MASIVA O LEVEMENTE FRACTURADA
ROCA MUY FRACTURADA.
OTROS FACTORES
Si se tiene definida la condición de la masa rocosa para cada zona de la mina, se conocerá como se comportará ésta durante el minado, pero es necesario además, conocer otros aspectos o factores adicionales que podrían modificar su comportamiento al ser excavada. Estos otros factores están referidos a lo siguiente: A la presencia de agua. A la presencia de los esfuerzos o también denominados presiones de la roca o del terreno. A la presencia de fallas principales .
2.- LEVANTAMIENTO ESTRUCTURAL ORIENTACIÓN, es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades”
SISTEMAS DE FAMILIAS
UN SISTEMA DE JUNTAS
TRES SISTEMAS DE JUNTAS
1.- ENSAYOS DE LABORATORIO OBJETIVO: Determinacion de las Propiedades Fisico-Mecanicas de las rocas y del mineral
PREPARACION DE PROBETAS SONDA SACATESTIGOS
MAQUINA DE CORTE
PROPIEDADES FISICAS La determinación de las Propiedades Físicas se basa, en el establecimiento de los Pesos Natural, Seco y Saturado, y el volumen de probetas rocosas y/o minerales. El Peso Natural de acuerdo al ISRM (Society International For Rock Mechanic´s), de la muestra debe tener como mínimo 50 grs., El Peso Seco se determina, mediante el secado de las probetas dentro de un horno ventilado a una temperatura promedio entre 105º - 110ºC, El Peso Saturado, se obtiene sumergiendo a la probeta en agua destilada.
PARAMETROS CUANTIFICADOS
Densidad = Peso / Volumen
Peso Especifico Aparente (P.E.a.) = Densidad * 9.81 ( KN/m3 )
Porosidad
Aparente:
Peso Saturado – Peso Seco / Siendo :
( gr/cm3 )
w * Volumen
(%)
w = 1 gr/cm3
Absorcion
(en peso): Peso saturado – Peso Seco / Peso Seco
(%)
MAQUINA DE COMPRESION DE ROCAS
PROPIEDADES MECANICAS 1.- ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE Denominado también Ensayo de Compresión uniaxial, este ensayo consiste en aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, a probetas rocosas y/o minerales cilíndricas, hasta producir su rotura, este ensayo nos determina la RESISTENCIA COMPRESIVA Y/O ESFUERZO COMPRESIVO.
PROCEDIMIENTO RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguiente relación: L/D = 2 Donde: L = Longitud de la probeta (cms). D= Diámetro de la probeta (cms).
FACTOR DE CORRECCIÓN DE PROTODYAKONOV: Cuando la relación de esbeltez es L/D ≠ 2, se puede aplicar el factor de Corrección de Protodyakonov, cuya relación matemática es la siguiente:nde: δc = 8δo / 7 + 2 D / L Donde: δo = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 2. δc = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D ≠ 2. L = Longitud de la Probeta. D = Diámetro de la Probeta.
PROCEDIMIENTO UNIDADES
FÓRMULA MATEMÁTICA: δc = P/A
Donde: δc= Resistencia Compresiva de la roca y/o mineral en (Kg/cm²). P = Carga última de rotura de la probeta (Kg). A = Area de la probeta (cm²).
δc =
Kg /cm2
δc = MPa.
Factor de conversion: Kg/cm2 a MPa. 10.203
2.- ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA BRASILERO El ensayo consiste en someter a una probeta cilíndrica (disco de roca y/ mineral) a una carga lineal compresiva actuando a lo largo de su diámetro. El resultado de este esfuerzo compresivo es una tensión horizontal y un esfuerzo compresivo variable. La probeta rocosa y/o mineral se suele romper en la mayoría de los casos separándose en dos mitades según el eje de carga diametral, este ensayo nos determina EL ESFUERZO Y/O RESISTENCIA A LA TRACCION
PROCEDIMIENTO RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguiente relación: L/D = 0.5 Donde: L = Longitud de la probeta (cms). D = Diámetro de la probeta (cms).
FÓRMULA MATEMÁTICA: δt = 2P/πDL
Donde: δt = Resistencia a la tracción indirecta
de la roca y/o mineral en (Kg/cm²) P = Carga última de rotura de la probeta (Kg). D = Diámetro de la probeta (cm). L = Longitud de la probeta (cm). π = Constante.
ENSAYO PARA DETERMINAR CONSTANTES ELASTICAS Es igual al ensayo de compresión uniaxial y/o simple, con la adición de que durante la aplicación de la carga axial compresiva se miden las deformaciones unitarias axiales “εA” (acortamiento longitudinal) y diametrales “εD” (expansión lateral). Las constantes elásticas “E” (Modulo de Deformación) y “ ” (Relación de Poisson) están definidas por las siguientes formulas matemáticas:
Donde:
E = δ1 / ε A = εD / ε A
E = Modulo de Deformación y/o de Elasticidad. = Relación de Poisson. δ1 = 50% de la Resistencia Compresiva. εD = Deformación Unitaria Diametral. ε A = Deformación Unitaria Axial. Estos valores corresponden al (δ1 = 0.5 δc). El modulo de deformación es el secante.
ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUAL ENSAYO DE CARGA PUNTUAL “FRANKLIN”
El ensayo de carga puntual denominado también “Diametral” se ejecuta sobre muestras de roca y/o mineral por lo general sobre testigos de perforaciones de raise boring, teniendo en consideración el estándar del ISRM, y nos determina el INDICE DE CARGA PUNTUAL FRANKLIN
PROCEDIMIENTO RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación: L / D = 1.4 Donde: L = Longitud de la probeta (cms) D = Diámetro de la probeta (cms)
FÓRMULA MATEMÁTICA: Is = P / D² Donde: Is = Índice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm²). P = Carga última de rotura (Kg). D = Diámetro de la probeta (cms). Estimación de la “δc”, en relación a la Carga Puntual. δc = ( 14 + 0.175 D) Is
Donde: δc = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm²). D = Diámetro de la probeta en mm.
ENSAYO DE CARGA PUNTUAL “LOUIS ”
El
ensayo de carga puntual
denominado también “Axial”
se ejecuta sobre muestras de roca y/o mineral por lo general sobre testigos de perforaciones de raise boring, teniendo en consideración el estándar del ISRM,
PROCEDIMIENTO RELACIÓN DE ESBELTEZ:
FÓRMULA MATEMÁTICA:
La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación:
IL = P / S Donde:
L/D = 1 Donde: L = Longitud de la probeta (cms) D = Diámetro de la probeta (cms)
IL = Índice de Carga Puntual Louis (Kg/cm²). P = Carga última de rotura (Kg). D = Area de rotura (cms²).
ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL Colocando probetas cilíndricas con relaciones L / D = 2, dentro de una celda triaxial y aplicando una presión de confinamiento lateral δ3 constante (Esfuerzo Principal Menor), dentro de un rango establecido, se somete a estas a un cargado axial hasta producir su rotura, en esfuerzos que corresponden a δ 1 (Esfuerzo principal mayor). Con los datos de δ1 y δ3 registrados, se construye la Envolvente de Mohr, obteniéndose de la misma los parámetros de Resistencia al Corte: Cohesión So y el Angulo de Fricción Interna øi de la roca y/o mineral
PROCEDIMIENTO se puede apreciar el resumen del esfuerzo de rotura"δ1”, denominado la “Esfuerzo Principal Mayor” y Presión de Confinamiento"δ3”, denominado “Esfuerzo Principal Menor”, con la finalidad de diseñar la Envolvente de Mohrs, teniendo en consideración además el Esfuerzo a la Tracción Indirecto Brasilero "δt”, teniendo en cuenta que los parámetros cuantificados deben realizarse sobre el mismo tipo de roca y muestra rocosa. Calculados en el Grafico Nº 2. ensayo ejecutado en el Laboratorio del INGEMMET.
Los ensayos se llevan a cabo a través de superficies de discontinuidad contenidas en testigos rocosos y/o minerales de 5 cm. (50 mm.) de diámetro, de acuerdo al estándar del ISRM, los cuales fueron colocados en moldes de concreto, para luego ser transferidos a la maquina de corte. El ensayo consiste en cizallar la probeta a través de la superficie de discontinuidad, sometiéndola a un Esfuerzo Normal constante “δn” y al Esfuerzo de Corte “τc” para iniciar y mantener el desplazamiento, que es determinado para un rango de esfuerzos normales. Durante los ensayos se miden los desplazamientos “ρ“ de la parte superior de la probeta en relación a la parte inferior, producidas como consecuencia de la aplicación de los esfuerzos. Con la información registrada se construyen las envolventes máximo y residual, obteniéndose las ecuaciones de Coulomb mediante el ajuste por mínimos cuadrados, determinándose así los respectivos parámetros de resistencia al corte: cohesión y ángulos de fricción básica y residual, a través de la superficie de discontinuidad.
PROCEDIMIENTO
MOLDES DE CONCRETO
MAQUINA DE ENSAYO
PROCEDIMIENTO
2.- ENSAYOS IN-SITU ENSAYO DE REBOTE “R” Para estimar la Resistencia Compresiva, de una roca, mediante el El Rebote “R” se realiza mediante el martillo Schmidt de dureza. Precisamente para este fin, el Dr. E. Schmidt, ideó el ensayo respectivo, de rebote, que mediante un proceso no destructivo de la roca, se puede estimar su Resistencia Compresiva.
TIPOS DE MARTILLOS Como todo instrumento de medición; existen diferentes tipos de Martillo, según los fines y objetivos que se planifica. El martillo tipo “L” es el que se adecua a la aplicación de la Mecánica de Rocas, para los efectos de los trabajos se dispone de una fórmula que lo relaciona con el Martillo tipo “N”; en cuanto se refiere al número de rebote “ R “
PROCEDIMIENTO FORMULAS MATEMATICAS RL = -3.4 + ( 0.83 RN ) + ( 0.00295 RN² ) Donde: RL = Número de rebote - martillo tipo “L” RN = Número de rebote - martillo tipo “N” Log δc = 0.00088γR + 1.01
Donde: δc = Resistencia Compresiva de la roca en MPa. γ = Densidad de la roca en KN/m³. R = Rebote del Martillo tipo “L”.
ENSAYO DEL PULL TEST
La maquina de arranque de pernos permite determinar la capacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje puntual o repartido) en un determinado macizo rocoso, mediante el ensayo del “Pull Test”, esta capacidad de anclaje de un perno de roca (Rock Bolt), esta determinado por 4 aspectos importantes: Longitud del perno, diámetro del taladro, tiempo de instalación y calidad del macizo rocoso, además permite controlar su comportamiento del perno de roca durante y después de su instalación.
PROCEDIMIENTO MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOS
ENSAYO DE TRACCION
ENSAYO DE CONVERGENCIA
Actualmente el método más adecuado y útil para el control de las deformaciones son las mediciones de “Convergencia”, las cuales consisten en medir los cambios del contorno de la excavación a través de mediciones periódicas de las distancias de un punto de referencia respecto a otros y viceversa. Así se cuantificará la evolución del proceso de relajación o concentración de esfuerzos alrededor de la excavación, lo cual permitirá conocer el grado de su estabilidad.
PROCEDIMIENTO EXTENSOMETRO
INCLINOMETRO
PROCEDIMIENTO EXTENSOMETRO DE CINTA
BARRA TELESCOPICA EXTENSOMETRICA
INSTALACION DE PIEZOMETROS Un sistema adecuado de instalación y diseño de piezómetros proporcionará información para tomar decisiones referentes a: Propiedades geológicas e hidrológicas de acuíferos. La superficie potenciométrica del acuífero de interés. Datos sobre la calidad del agua a lo largo de la vida de la mina. Migración de contaminantes tales como drenaje de aguas ácidas. La necesidad de piezómetros adicionales o el abandono de aquellos existentes.
SUBSIDENCIA El control de la Subsidencia (Estabilidad de taludes, control superficial de labores mineras subterráneas), juega un papel muy importante en el proceso de extracción de minerales. Existen varias fuentes que pueden producir el colapso total o parcial de un determinado sector de la operación, el cual a su vez alteraría el proceso de producción. Es necesario llevar un control continuo de estos efectos, ya que al no poder ser evitados pueden al menos ser controlados. Una de las técnicas que es muy conveniente aplicar es los puntos de monitoreo, ya que cada uno de estos refleja en forma rápida y eficaz la tendencia al desplazamiento de los bloques de material a los que representan. El problema consistirá en la velocidad con la cual serán procesados los datos obtenidos en el campo y la interpretación de estos. Para lo cual se hará uso de una estación total, constituida por un teodolito electrónico, un distanciometro, prismas, porta prismas, trípodes y demás accesorios de topografía.
