Mecanismo de inestabilidad controlado por estructuras estructuras y derrumbe derrumbe progresivo progresivo En el estudio de la geotecnia geotecnia se distinguen tres tipos de mecanismos de inestabilidad de un macizo rocoso, uno de los cuales es el
mecanismo de inestabilidad estructuralmente controlado olado y por derrumbe d errumbe progresivo
Índice Origen de la inestabilidad por estructuras Caida por gravedad Caida por deslizamiento Factores Factores determinantes determinantes Estudios Estudios y monitoreos monitoreos Como prevenir prevenir la inestabilidad controlada por estructuras Acuñadura Acuñadura Fortificacion Fortificacion con pernos Derrumbe Derrumbe progresivo progresivo Origen Origen de la inestabilidad inestabilidad por derrumbe progresivo
Formacion de Formacion de bloque o cuña
Estudio Estudio del mecanismo través del modelo elasto-plástico Herramientas Herramientas de monitoreo monitoreo Cable TDR Sistema Sistema BRED Mina San San José Referencias
Origen de la inestabilidad por estructuras Este mecanismo de inestabilidad está está asociado a la formación de bloques o cuñas que pueden desprenderse del techo o de las paredes de una excavación por gravedad o por deslizamiento. Estos bloques o cuñas se generan cuando se tienen 3 set de fracturas intersectados entre si y que separan este bloque o cuña del macizo circundante provocando una posible caída que puede culminar en problemas en las labores mineras para las personas y los equipos.
Caida por gravedad Para que la cuña o bloque caiga por gravedad se debe tener una línea vertical que atraviese el el vértice de esta y caiga dentro de la base de esta misma. En la representación estereográfica la línea vertical se representa por el punto central de la red.
Caida por deslizamiento Para que la cuña o bloque caiga por deslizamiento se debe tener una línea vertical que atraviese el vértice de esta y NO caiga dentro de la base de la misma. Esta condición se representa estereográficamente si la figura formada por las intersecciones cae dentro del centro de la red. Además para que exista deslizamiento el plano o línea de intersección donde deslice debe tener una inclinación mayor al ángulo de fricción.
Factores determinantes Esta situación predomina generalmente a escasa profundidad, por lo cual los esfuerzos en la roca son tan bajos que no generan un efecto sobre este mecanismo, el que más bien queda afectado por la forma de la excavación y su orientación, así como también las estructuras presentes en el macizo, tales como fallas, diaclasas, diques, etc. Por lo tanto en roca masiva meteorizada y fisurada se tiende a tener problemas de este tipo. Una orientación favorable de la excavación seria perpendicular al rumbo de la línea de intersección de dos planos de discontinuidades, esta produce el menor volumen de material inestable en el techo de la excavación. Una orientación desfavorable de la excavación seria paralela al rumbo de la línea de intersección de dos planos de discontinuidades, esta puede
Caida de cuña por deslizamiento
conducir a la formación de una cuña larga que corre paralela al eje de la cavidad.
Estudios y monitoreos La inestabilidad estructuralmente controlada se puede analizar mediante la técnica de la proyección estereográfica o red de Schmidt, en la cual se pueden representar los set de fracturas involucrados y analizar la posible caída o deslizamiento de estos, para esto se puede utilizar el software “Dips”. También se pueden representar las cuñas generadas por estos set con el software “Unwedge” para minería subterránea y “Swedge” para minería cielo abierto, en los cuales se puede determinar el tonelaje de esta cuña y su factor de seguridad, que permitirá reconocer un posible problema estructural asociado a estos bloques o cuñas.
Como prevenir la inestabilidad controlada por estructuras La manera mas eficiente de prevenir es con acuñadora sistemática y fortificación con pernos en los lugares de posibles caídas de cuñas y desplazamientos.
Acuñadura La acuñadura es la actividad que consiste en desprender roca suelta desde zonas agrietadas, principalmente de techos y cajas de labores subterráneas con la finalidad de minimizar la exposición al personal de riesgos de caída o deslizamientos de bloques y/o cuñas. Si el planchón no cede con la barretilla, se sugiere: • Asegurarlo con perno lechado o split set, siempre que esto se realice con equipo mecanizado. • Cachorrearlo, siendo esto una alternativa extrema. • Utilizar equipo mecanizado, si se encuentra disponible.
Fortificacion con pernos Los sistemas de pernos se usan para solucionar problemas de estabilidad local, alrededor de una excavación construida en macizo rocoso fracturado o en el que se espera un cierto grado de fractura, producto de los esfuerzos inducidos por la propia construcción. Estos sistemas actúan para dar respuesta al principal fenómeno de falla que se presenta en los desplazamientos y rotaciones de los bloques preformados, producto de las discontinuidades en cualquiera de sus tipos que aparecen en el macizo rocoso. Se usan diferentes tipos de pernos de anclaje. La diferencia solo radica en su diseño que corresponde a variedades del mismo concepto. Sin embargo, es posible clasificarlos en pernos anclados mecánicamente, pernos anclados con resina o cemento y pernos anclados por fricción.
Pernos anclados mecanicamente Los pernos de anclaje con cabeza de expansión son los más comunes de este tipo de anclaje mecánico. Al introducir el perno en la cuña de la cabeza de expansión, esta se expande y queda sujeta en las paredes de la roca dentro de la perforación. Estos pernos se usan en rocas medianamente duras; sin embargo, no es recomendable emplearlos en rocas muy duras, pues la cabeza de expansión puede que no penetre adecuadamente en las paredes de la perforación y con el tiempo resbala. • En lugares donde la labor permanecerá por muchos años se puede rellenar con cemento.
Pernos anclados con resina o cemento El tipo más común en esta categoría es el perno de barra de hierro o acero tratado, que utiliza la resina o el cemento como un adherente, es por eso, que se debe asegurar la adherencia necesaria para solidarizar la barra al terreno. La resina resulta conveniente para ser usada en pernos sometidos a altas tensiones desde momentos tempranos y se prestan para pretensado, lo cual no descarta su uso en pernos sin tensión previa. En cualquiera de sus variedades, es recomendable para soporte temporal o permanente bajo variadas condiciones de rocas.
Pernos anclados por friccion Son los más recientes en la técnica del anclado. Existen dos tipos: Split set y Swellex. Para ambos sistemas, la resistencia a la fricció para el deslizamiento entre la roca y el acero, sumado a la acción mecánica de bloqueo, es generada por la fuerza axial entre la superficie del barreno y el perno. En instalaciones transitorias la presencia de humedad no es inconveniente, pero debe descartarse para uso permanente bajo estas condiciones. Aunque los dos sistemas están descritos bajo un mismo denominador, estrictamente hablando solo el Split set es de fricción. En caso del Swellex, combina la fuerza de fricción sumada al mecanismo de expansión del perno al interior del barreno que habitualmente tiene paredes irregulares. Esta situación genera una acción de bloqueado que permite obtener alta resistencia a la tracción.
Derrumbe progresivo El derrumbe progresivo (cave propagation, en inglés) es un mecanismo de inestabilidad generada por una condición desfavorable de una excavación subterranea respecto a una falla y una mala calidad del macizo rocoso.
Origen de la inestabilidad por derrumbe progresivo Las fallas son agentes que comúnmente representan un riesgo geotécnico para las labores mineras debido a que a su alrededor se genera un halo o zona de fracturamiento o roca débil. Por lo tanto al construir una labor en sus cercanías se puede producir el derrumbe de estas zonas diaclasadas. Una vez iniciado el derrumbe comienzan a producirse mas zonas de inestabilidad inmediatas a la zona inicial, ocurriendo entonces un desprendimiento progresivo de roca.
Estudio del mecanismo través del modelo elasto-plástico
Analisis de cuñas mediante software Unwedge
Para simular el comportamiento de este tipo de inestabilidad, se pueden utilizar softwares que incorporen elementos de plastificación como el Flac3D. Mediante los elementos de plastificación se pueden eliminar las zonas en que se haya producido el derrumbe y asi permitir al software recalcular una nueva zona de derrumbe. Esta iteración termina cuando el software no es capaz de reconocer mas zonas plastificadas y por lo tanto el derrumbe a cesado.
Herramientas de monitoreo Para dar continuidad operacional y seguridad tanto a personas como equipos en labores subterráneas, es importante poseer un sistema de monitoreo que detecte el inicio y avance de un potencial mecanismo de inestabilidad. Para esto existen dos herramientas de monitoreo geotécnico.
Posibles problemas de inestabilidad cuando la labor avanza paralela a una falla mayor
Cable TDR El TDR permite ubicar movimientos de masa rocosa en profundidad a través de la instalación de un cable coaxial en una perforación lechada con cemento. La deformación o daño del cable es medido a través del equipo TDR, el cual genera un pulso eléctrico a lo largo del cable y recibe la señal reflejada. Cada reflejo representa una anomalía en el cable producido por un cambio en el macizo rocoso en profundidad.
Avance de la labor hacia la falla, secuencia derrumbe progresivo
Sistema BRED Este sistema tiene por objetivo proveer de una alarma de corte de cable a diferentes profundidades en sectores de riesgo de desprendimiento de terreno. Estos cables son de longitudes variables y pequeño diámetro, a lo largo de un tiro lechado, en cado de corte de cables este es mostrado en un indicador LED la profundidad donde se presenta el desprendimiento de terreno.
Zonas en un derrumbe progresivo
Cable TDR
Sistema BRED
Mina San José El día jueves 5 de agosto de 2010, aproximadamente a las 14:00 horas ocurre un derrumbe a unos 400 metros de profundidad en el yacimiento cuprífero y aurífero San José, ubicado a unos 45 km de la ciudad de Copiapó, el cual dejo atrapados a 33 trabajadores al interior de la mina subterránea. Un bloque rocoso de unas 700.000 ton se derrumbó al interior de la mina obstruyendo la única vía de acceso y parte de la chimenea de la faena perteneciente a la compañía minera San Esteban, en la Región de Atacama. Rápidamente los medios de comunicación comenzaron a hablar del hecho y el accidente pasó a ser tema nacional. Junto con los equipos de emergencia llegaron las primeras autoridades a la faena ese mismo día. En ese momento poco se sabía acerca de la gravedad del accidente y de las condiciones en que podían estar los mineros tras el derrumbe. Después del accidente del jueves 5 de agosto, en el exterior se pudo constatar que la rampa se había derrumbado. El sábado se hizo un primer intento de entrar por una chimenea de ventilación, pero esto casi termina en una nueva tragedia, tras un derrumbe al interior del pique en donde trabajaba el equipo de rescate. Las personas lograron salir a la superficie con una desoladora afirmación: el acceso por la chimenea quedaba descartado.
Referencias Excavaciones subterráneas en roca, E. Hoek/E.T .Brown, introducción a la ingeniería de túneles, Hernan Gavilanes J./Byron Andrade Haro
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