FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS Y METALÚRGICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN INFLUENCIA DE LOS ESFUERZOS Y LA PROFUNDIDAD EN EL ESTALLIDO DE ROCAS EN LAS LABORES SUBTERRANEAS DE LA MINA UCHUCCHACUA
2012
PROEYECTO DE INVESTIGACION I. Generalidades: 1. Título Influencia de los Esfuerzos y la Profundidad en el Estallido de Rocas en las labores Subterráneas de la Mina Uchucchacua.
2. Personal investigador 2.1. Autores
: Vaca Villanueva Ever Jhon Vásquez Valverde Jeyner
2.2. Profesor Asesor
: Msc. Ing. Martín Taboada Neyra
3. Tipo de investigación 3.1. De acuerdo a Fin
: Aplicada
3.2. De acuerdo a la Técnica de Contrastación
: Experimental
4. Régimen de investigación
: Libre
5. Localidad o institución donde se realizará el proyecto 5.1. Lima – Oyon – Oyon - Mina Uchucchacua – Superintendencia Operaciones Mina – Área de Geomecánica.
6. Duración total del proyecto Duración del Proyecto
: 11 meses
Horas diarias dedicadas
: Tres horas
7. Cronograma de actividades Item
Actividades
Inicio
Culminación
Hrs/Sem.
7.1.
Recopilación de datos
07.01.13
07.04.13
15
7.2.
Análisis de datos
08.04.13
07.08.12
15
7.3.
Redacción de informe final
09.08.13
07.12.13
15
8. Fechas probables de inicio y culminación 8.1. Inicio
: 07 de Enero del 2013
8.2. Culminación
: 07 de Diciembre del 2013
9. Recursos 9.1. Personal 9.1.1. Personal Investigador
: dos
9.1.2. Profesor Asesor
: uno
9.2. Bienes Descripción
Unidad
Cantidad
Estación Total
Unidad
01
Martillo Smith
Unidad
01
Software
Unidad
02
Fluxómetro
Unidad
03
9.3. Servicios Tipo
U.M
Cantidad
Impresiones
03
Transporte
Pasajes
80
Hospedaje
Alquiler
20
Alimentación
Pensión
40
Impresión y Espiralado
10. Costos por financiar PARTIDA
DESCRIPCI N
UNIDAD
P.U.
CANTIDA
COSTO
S/.
D
PARCIAL S/.
BIENES Estación Total
unidad
1000.00
01
1000.00
Martillo Smith
unidad
500.00
01
5000.00
Software
unidad
2000.00
01
4000.00
Fluxómetro
unidad
10.000
02
20.00 10020.00
Sub Total Bienes SERVICIOS Transporte
Viajes
55.00
80
4400.00
Impresiones
Unidad
0.10
300
30.00
Espiralado
Unidad
3.00
03
09.00
Alimentación
Pensión
15
40
600
Hospedaje
Alquiler
20
20
400
Sub Total Servicios
5439.00
Sub Total (bienes + servicios)
15459.00
10% Imprevistos
1545.90
TOTAL NO DISPONIBLE
17004.90
11. FUENTE DE FINANCIAMIENTO FUENTE
MONTO
PORCENTAJE
S/.
%
Recursos Propios
1004.90
5.9
Universidad Nacional de Trujillo
4000.00
23.5
Mina Uchucchacua
12000.00
70.6
TOTAL
17004.90
100
II. Plan de Investigación 1.- Antecedentes y justificación del problema. 1.1.- Realidad problemática. El proyecto de investigación que desarrollaremos, trata sobre el cómo evitar el estallido de rocas para lo cual se tendrá en cuenta los esfuerzos que actuan así como la profundidad de las diferentes labores subterraneas; en la mina Uchucchacua, ubicada en el distrito de Oyon, provincia de Oyon, en la región Lima ubicada entre 4500 y 5000 msnm; en el año 2013.
En el estudio del proyecto se determinó los siguientes componentes principales que son el macizo rocoso, la profundidad de la labor y la presencia de esfuerzos en el cual estos dos últimos al interactuar con el primero causan estallidos de rocas en labores subterráneas. Como elementos alternos del sistema están los siguientes: Los equipos, el personal y las diferentes labores subterráneas de la mina.
El personal al excavar a mayor profundidad las labores mineras subterráneas con la ayuda de los equipos en el macizo rocoso se generaran mayores esfuerzos y por lo tanto se producirán estallidos de rocas. Un aspecto negativo seria el relajamiento silencioso del macizo rocoso, lo cual no nos da indicio de un posible estallido y en el momento menos pensado podría suceder causando accidentes impidiendo así nuestra investigación. Al realizar nuestra investigación en labores no sostenidas adecuadamente o sin sostener, siendo un aspecto negativo debido que se estaría antentando contra nuestra seguridad. El deficiente Estudio Geomecánico de las labores, lo cual nos lleva o no usar un sostenimiento adecuado produciendo un colapso de la labor impidiendo así nuestra investigación.
1.2 Antecedentes De la revisión bibliográfica efectuada se ha encontrado poca información sobre el tema de investigación, a continuación mostramos la información encontrada que nos servirá para realizar nuestra investigación: Según Berrocal (2006) define el estallido de rocas como: “El Estallido de Rocas en aberturas subterráneas, son el debilitamiento y desprendimiento violento de los bloques rocosos dentro de la excavación subterránea”. (p.39) .
Con respecto a la detección, prevención y control del estallido de rocas Berrocal recomienda (2006): “Reconocimiento, evaluación geomecánica, geológico, identificación de la dirección de las tensiones actuantes en la excavación almacenamiento del tipo de roca que a estallado en algún lugar de la excavación y por medio de estos datos el manejo adecuado de esta información”. (p.40). Alvarado (2009) con respecto a la convergencia de las labores afirmo que los factores que determinan la variación de convergencia de las labores de desarrollo y explotación en la mina Quiruvilca son las estructuras geológicas, profundidad de la labor y la calidad de la roca. (pp.20-25). Saavedra (2007) con respecto al estallido de rocas definió “ Inestabilidad en que se produce una pérdida de la continuidad del proceso productivo de la operación minera, provocado por la ruptura (evento sísmico) y proyección instantánea del macizo rocoso”. (p.11).
1.3. Marco Teórico 1.3.1. Teorias de fundamentación Teoría del Estallido de Rocas Berrocal (2006), define lo siguiente al referirse al estallido de rocas Es el desprendimiento súbito y violento de grandes bloques de roca como consecuencia de las grandes esfuerzos ejercidos en el contorno de una excavación, generalmente ocurre a grandes profundidades.Rompimiento descontrolado de roca asociado a una violenta liberación de energía (eventos sísmicos).El estallido de rocas se produce por desplazamiento en fallas o rompimiento por strain (strain burst), se producen al interior de macizo, pero generan un violento daño en las paredes de una labor cercana. Los estallidos de rocas en las aberturas subterráneas, son el debilitamiento y desprendimiento violento del os bloques rocosos dentro de la excavación subterránea. Generalmente se puede atribuir a los siguientes factores: 1. Presión de la masa rocosa alrededor de la excavación. 2. Debilidad del material por no soportar la presión del macizo haciendo que la energía almacenada, se libere violentamente produciendo la rotura. Generalmente se puede atribuir a los siguientes factores:
Presion de la masa rocosa alrededor de la excavación.
Debilidad del material por no soportar la presion del macizo haciendo que la energía almacenada se libere violentamente produciendo la rotura.
Para la detención, prevención y control del estallido se recomienda lo siguiente: Reconocimiento , evaluacion geomecanica, geologico, identificacion de la direccion de las tenciones actuantes en la excavacion, almacenamiento del tipo de roca que ha estallado en algun lugar de la excavacion y por medio de estos datos , el manejo adecuado de esta informacion. De encontrar en los lugares donde se estan trabajando, el mismo o los mismos tipos de rocas, en parte o similares a las misma caracteristicas del parrafafo anterior en otras excavaciones; realizar varios taladros largaos de diametrso mayores a 2 ¼ pulgadas en: el frente, hastiales y techo de la excavacion, hasta atravesar estos tipos de roca, con la finalidad de amortiguar o inducir la liberacion de energia almacenada, el mismo que provoca el estallido sorpresivo de rocas; estos taladros largos ademas, pueden ser usados como taladros de alivio, en los sucesivos cortes o cueles de arranque en frentes de avance horizontal o vertical. Compilar y relacionar estas informaciones obtenidas, para elaborar el mapeo de rocas explosivas y su proyeccion con el resto de las presentes y futuras excavaciones, de la misma unidad minera y del mismo modo , ampliarlas a nivel regional.
Figura 1: Evento Sísmico causando Estallido de Rocas
Esfuerzos Relación esfuerzo vertical vs. Profundidad (sv= g z) actúa bien en promedio, pero hay fuertes diferencias en especial a bajas profundidades.
Figura 3: Relación esfuerzo vertical vs. Profundidad Igualmente, relación de esfuerzos horizontal vs. Vertical dada por la teoría elástica solo tiende a cumplirse a altas profundidades.
0.2 < k < 1 aprox.
Seres (1994) usando un modelo elasto-termal describió la variación de k como:
k 0.25 7 E h 0.001
1
z
La que se ajusta razonablemente a los datos medidos. Eh (en GPa) es el módulo promedio de deformación en la corteza superior medido en dirección horizontal.
Figura 4: Relación de esfuerzos horizontal vs. Vertical Modelamiento de Esfuerzos
Teoría elástica
Modelos teóricos tipo modelo elasto-termal y otros
Modelamiento numérico
Métodos Numéricos Aplicados a Geomecánica 1. Métodos continuos (elementos finitos-FEM, diferencias finitas-FDM, elementos de frontera-BEM) 2. Métodos discretos (elementos discretos-DEM; redes discretas de fracturas-DFN); 3. Métodos híbridos continuo-discreto.
La elección del método depende del problema específico, especialmente de la escala y la geometría del sistema de fracturas. Si el número de fracturas es alto para la escala del problema o si hay desplazamientos grandes entre los bloques, se debieran usar métodos discretos.
Modelos continuos: Lo más común es escalar las propiedades del Macizo con modelos como el de Hoek-Brown, y luego usar leyes constitutivas elásticas, elastoplásticas u otras.
Modelos discontinuos: Hay que incluir en el modelo las discontinuidades (fracturas) que son más críticas para la respuesta del macizo, asignándoles propiedades de resistencia y rigidez in situ.
Medición y Modelamiento de Esfuerzos (Kaiser et al.2001)
Predicción de esfuerzos confiable mientras el macizo esté en un estado de esfuerzos compresivo.
Zona de relajamiento, los modelos elásticos tienden a sobreestimar la relajación, aunque muestran correctamente las tendencias de cambios de esfuerzo.
Fig. 5: Medición y Modelamiento de Esfuerzos Efecto de Excavación y Discontinuidades
En superficies de excavación no soportadas, el esfuerzo es principal (no hay esfuerzo de cizalle) y el esfuerzo normal a la superficie es igual a la presión atmosférica.
Fig.6: Efecto de Excavación y Discontinuidades
Lo mismo ocurre en fracturas abiertas.
Por tanto, en macizos fracturados las variaciones del campo de esfuerzos in-situ pueden ser muy altas.
Por lo tanto, hay que tener consideraciones con la escala del modelo.
Fig.7: Efectos sobre las fracturas
Estudios a escala de una o unas pocas fracturas discretas, en 2-D.
Discontinuidades producen fuertes variaciones locales en magnitud y orientación de esfuerzos.
Variaciones condicionadas por la geometría de las discontinuidades, su resistencia, variaciones de módulos elásticos y las razones de esfuerzos (s1/s3).
Fig.8: Variaciones de módulos elásticos
Criterios de Falla en Macizos Rocosos
A bajo esfuerzo, el proceso de falla está fundamentalmente controlado por la continuidad y distribución de fracturas naturales.
En alto esfuerzo, la falla se domina por nuevas fracturas inducidas por los esfuerzos, que crecen paralelas a la excavación (fractura frágil).
Si el macizo está fuertemente fracturado, la deformación por altos esfuerzos tiende a ser dúctil (falla plástica).
Criterio de Hoek-Brown de falla frágil (Martin et al., 1999)
Para roca dura, macizos rocosos masivos a moderadamente fracturados.
Falla dominada por fracturas inducidas por los esfuerzos.
Asume que en zonas de esfuerzos altos, en la superficie del túnel o galería la fricción no opone resistencia, solo la cohesión del macizo rocoso.
Modelo predice de mejor manera zonas de daño y sobreexcavaciones.
Figura 9: Esfuerzos en las paredes de una galería
Implicancias en excavaciones subterráneas
En zonas de esfuerzos altos, en la superficie del túnel o galería la fricción no opone resistencia, solo la cohesión.
Concentraciones de esfuerzos en exceso de scd va a causar daño localizado y pérdida progresiva de cohesión del orden de 50%.
Daño progresivo puede provocar colapso de la excavación.
Modelo Hoek-Brown Falla Frágil
Hoek-Brown generalizado:
Hoek-Brown falla frágil:
3 s c m c
a
m ≈0 (sin fricción) a ≈ 0,5 (roca dura)
S ≈ 0,11
Fig.10: Esfuerzos según Hoek y Brown
1.3.2. Identificación y definición de variables Estallido de Rocas: Definición Nominal Estallido de Rocas: Es una rotura de las rocas.
Definición Analítica Estallido de Rocas: Es un fenómeno que ocurre en una roca de característica rígida al acumularse la energía interna de las rocas y su posterior liberación en forma de la rotura de las rocas; esto se genera a gran profundidad y como producto de los diferentes esfuerzos que actúan alrededor de las excavaciones.
Profundidad: Definición Nominal Profundidad: Es la distancia de un elemento con respecto a un plano horizontal de referencia cuando dicho elemento se encuentra por debajo de la referencia. Cuando ocurre lo contrario se denomina elevación, nivel o simplemente altura.Los terrenos que se encuentran profundos se denominan fosas, tanto si son marinas como terrestres.
Definición Analítica Profundidad: En minería subterránea, es la distancia tanto vertical como horizontal existente entre cualquier punto dentro de mina con respecto a la bocamina ubicada en el nivel cero.
Esfuerzos: Definición Nominal Esfuerzo: Empleo energético de la fuerza física o del vigor del ánimo.
Definición Analítica Esfuerzo: Fuerza que actúa sobre el macizo rocoso y que tiende a estirarlo (tracción), aplastarlo (compresión), doblarlo (flexión), cortarlo (corte) o retorcerlo (torsión), produciendo como producto en muchos casos un estallido de rocas en zonas profundas y como producto de labores no sostenidas.
Definición de las categorías expresivas Después de la definición analítica se tienen las siguientes categorías expresivas de las cuales se describen las siguientes:
Macizo Rocoso: Conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. Presenta carácter heterogéneo, comportamiento discontinuo y normalmente anisótropo, consecuencia de la naturaleza, frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad, que condicionan su comportamiento geomecánico e hidráulico.
Labores Subterráneas: Son excavaciones en el macizo rocoso tanto en forma horizontal así como vertical y pueden ser de preparación y desarrollo.
Equipos: Son estructuras mecánicas que nos facilitan el desarrollo y preparación de las diferentes labores.
1.3.3. Relación entre variables Relación entre estallidos de rocas con la Profundidad
Estallidos de Rocas vs Profundidad N° E.R 14 12 10 8
Series1
6
Linear (Series1)
4 y = 0.0067x - 1.3333 2 0 0
500
1000
1500
2000
2500 Profundidad(m)
Grafica N° 1
Relación entre cantidad de estallidos de rocas con los esfuerzos
Estallidos de Rocas vs Esfuerzos N° de E.R 14 12 10 8
Series1
6
y = 0.1671x + 0.9004
Linear (Series1)
4 2 0 0
100
200
300
400 Esfuerzos (MPa)
Grafica N°2
1.3.4. Proposiciones implicativas de las variables Como se puede apreciar en la grafica N° 1, a medida que la profundidad aumenta la cantidad de estallidos de rocas es mayor, debido a que al estar a mayor profundidad la acumulación de energía interna de las rocas así como los esfuerzos serán mayores lo cual nos daría una relación directamente proporcional. Al aumentar progresivamente los esfuerzos en el macizo rocoso, el estallido de rocas también aumentara, debido a que los esfuerzos cuanto mayor son producen una mayor acumulación de energía en las rocas por lo que se producirá una mayor cantidad de estallido de rocas en las labores mineras subterráneas.
1.4. Justificación El proyecto de investigación se justifica porque busca conocer el estallido de rocas en las diferentes labores subterráneas, debido a la influencia de los esfuerzos que actuan en el macizo rocoso. Metodológicamente, busca desarrollar técnicas para evitar el estallido de rocas en las diferentes labores mineras subterráneas. Finalmente nuestra investigación se realiza con la finalidad de reducir los costos por accidentes.
2. Enunciado del problema ¿En qué medida influyen la profundidad y los esfuerzos en el estallido de rocas de las diferentes labores subterráneas, en la mina Uchucchacua-2013?
3. Hipótesis Si la profundidad y los esfuerzos aumentan, entonces el estallido de rocas aumentara en las labores mineras subterráneas, en la mina Uchucchacua ,2013.
3.1. Operacionalizacion de Variables Variable
Tipo
Dimensión
Fuente
U.M
Instrumento
Técnica
Estallido de Rocas
VD
Escalar
Galerías
Adimensional
Observación
Estadística
Esfuerzos
VI
Escalar
Galerías
Gpa
Correlacional
Profundidad
VI
Escalar
Galerías
m
Graficas Estación total
Topográfica
Definición Operacional de Variables Estallido de rocas Es una variable de tipo dependiente, de dimensión escalar, de fuente en las galerías, es adimensional, su instrumento es la observación, mediante la técnica de la estadística.
Esfuerzos Es una variable de tipo independiente, de dimensión escalar, de fuente en las galerías, con unidad de medida GPa, su instrumento son la graficas estudiadas anteriormente, y con una técnica correlacional para determinarlos.
Profundidad Es una variable del tipo independiente, un una dimensión escalar, siendo su fuente las galerías, siendo su unidad de medida el metro, con un instrumento de medida la estación total, y para esto se usa una técnica topográfica.
4. Objetivos 4.1. Objetivo General Determinar cómo evitar el estallido de rocas de las diferentes labores subterráneas, mediante estudios geomecánicos, con la finalidad de evitar accidentes fatales en minería subterránea.
4.2. Objetivos Específicos Determinar cómo influye la profundidad en el estallido de rocas de las diferentes labores subterráneas. Determinar cómo influyen los Esfuerzos en minería subterránea para que suceda el estallido de rocas en las diferentes labores. Correlacionar la profundidad y los esfuerzos que actúan en minería subterránea para que suceda el Estallido de Rocas en las diferentes labores.
5. Material y procedimientos 5.1. Material 5.1.1. Universo. El universo está conformado por todo las labores mineras subterráneas en los diferentes yacimientos minerales.
5.1.2. Población. La población de esta investigación son todas las galerías a una determinada profundidad; en la mina Uchucchacua, en Oyon, Lima.
5.1.3. Muestra La muestra de estudio lo constituye la galería florida ubicada a 300 metros de profundidad, la misma que también está sometida altos esfuerzos.
5.1.4. Muestreo La variable independiente es el estallido de rocas, y se elegirá cinco niveles, siendo dichos niveles: 2,5, 7, 10, 12. Siendo el número de réplicas igual a cuatro para cada nivel con un total de 20 pruebas. N= 5 x 4 =20. Nivel
Estallidos de Rocas
1 2 3 4 5
2 5 7 10 12
E1 P1 Y111 Y211 Y311 Y411 Y511
E2 P2 Y122 Y222 Y322 Y422 Y522
E3 P3 Y133 Y233 Y333 Y433 Y533
E4 P4 Y144 Y244 Y344 Y444 Y544
5.2. Método de recojo de datos
Método Estadístico, con el cual se contabiliza y analiza los estallidos de rocas.
Método Topográfico para la medición de la profundidad.
Método práctico y empírico para determinar los esfuerzos que actuan en las labores subterráneas.
5.3. Procedimiento experimental 1. Se realizo un levantamiento topográfico de las labores subterráneas, determinando con esto las diferentes profundidades de las mismas. 2. Observación e identificación de las condiciones del macizo rocoso en las paredes y el techo de las galerías debido a los altos esfuerzos que pudieran estar presentes, y por ende causar un estallido de rocas.
3. Analizamos el tipo de roca con la ayuda de un martillo Smith, para determinar la resistencia a la compresión axial, determinando así los tipos de rocas que pudieran estar propensas al estallido de rocas. 4. Monitoreo continuo en la superficie del macizo rocoso para determinar posibles relajamientos de rocas que puedan causar estallido de rocas. 5. Los datos obtenidos se analizan estadísticamente, gráficamente los estallidos de rocas para diferentes profundidades y esfuerzos. 6. Determinándose que a mayor profundidad y esfuerzos el estallido de rocas es mayor.
5.4. Tratamiento y procesamiento de datos 5.4.1. Tratamiento Para el tratamiento de datos usamos métodos analíticos, métodos empíricos, métodos gráficos y software determinando de esta manera lo estallidos de rocas para una determinada profundidad y esfuerzos.
5.4.2. Procesamiento
Excel
MineSight
AutoCAD
6. Referencias Bibliográficas Berrocal, J. (2006).Estabilidad de Labores Subterráneas. Lima: Saavedra,
