UNIVERSIDAD NACIONAL DE ANCASH “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS GEOLOGÍA Y METALURGIA
D E T E R M I N A C I Ó N D E L A S P R O P I E D A D E S F I S IC IC O - M E C A N I C A S DE LAS ROC AS Y MONITOREO DE LA M ASA R OCOSA
IN G ° L U I S T O R R E S Y U P A N Q U I HUARAZ HUAR AZ - 2004
AL SEÑOR TODOPODEROSO QUIEN GUIA MI VIDA HASTA LA LARGURA DE MIS DIAS
A MI PADRE POLÍTICO POLÍTIC O ROBERTO Y MADRE TERESA A QUIENES SIEMPRE LOS LLEVO PRESENTE
A MI ESPOSA ADELAIDA E HIJA CAROLINA QUIENES ME APOYAN APOY AN EN CADA INSTANTE DE MI VIDA
AL SEÑOR TODOPODEROSO QUIEN GUIA MI VIDA HASTA LA LARGURA DE MIS DIAS
A MI PADRE POLÍTICO POLÍTIC O ROBERTO Y MADRE TERESA A QUIENES SIEMPRE LOS LLEVO PRESENTE
A MI ESPOSA ADELAIDA E HIJA CAROLINA QUIENES ME APOYAN APOY AN EN CADA INSTANTE DE MI VIDA
PRESENTACIÓN La globalización ha convertido a nuestro planeta en una aldea, la aldea global, esto ha traido consigo una variedad de aportes, partiendo en muchos casos de la democratización del conocimiento, abaratamiento de tecnologías y el manejo de información informa ción.. La mecánica mecá nica de rocas no ha sido ajena a este proceso, es evidente que hasta hace poco tiempo, las empresas de mayor inversión y en situaciones casi obligadas, priorizaban los estudios de mecánica de rocas en sus operaciones, ahora y con los años, se ha demostrado lo rentable que podría ser en el tiempo la inversión, para garantizar la estabilidad del macizo rocoso de nuestras operaciones mineras ya sean subterraneas como a cielo abierto, así como también para las obras de infraestructura en la ingeniería civil. No cabe duda que mientras mas información fluya en el ámbito profesional, tendremos mayor disposición de herramientas para la toma de decisiones, ahora bien, considero que la presente publicación que me honro en presentarlo, recoge las experiencias vividas in-situ, en diferentes operaciones de nuestro país, aplicado con conceptos que son difundidos universalmente. Asimismo considero que este trabajo técnico "Determinación de las Propiedades físico-mecánicas de las ocas y Monitoreo de la Masa Rocosa” posibilitará a los estudiantes a profundizar el conocimiento respecto al tema, como también a los profesionales dedicados en actividades relacionadas, les servirá como un complemento o guía importante a utilizar en un trabajo de Proyecto, Construcción, Dirección y/o Control de Obra, puesto que el trabajo se presenta de manera didáctica y los gráficos permitirán mayor entendimiento de este tema que de por sí es fascinante. El INGEMMET como entidad dedicada a la investigación, es una de las mas interesadas en que la información especializada sea difundida y que mejor si esta información es desarrollada por profesionales que aman su profesion, les gusta compartir sus experiencias y tambien hábidos de seguir aprendiendo más sobre las Ciencias de la Tierra, en tal sentido es que en esta oportunidad quedo complacido al presentar este documento, que esperamos como siempre, se convierta en referente de posteriores publicaciones que beneficien a la sociedad en general, puesto que a ingeniería tiene solo un objetivo mayor, el dar bienestar a la humanidad.
Esta Publicación tiene un doble mérito, si consideramos que en producción técnica - cientifica, nuestro pais tiene aún mucho camino por recorrer, por ello esperamos que come las expectivas no sólo de los lectores, sino también al propio autor que haciendo un gran esfuerzo ha cumplido con lo estipulado en el ámbito universitario. Congratulamos al Ing. Luis Torres Yupanqui y auguramos éxitos en sus próximas investigaciones.
Rómulo Mucho Mamani Presidente Consejo Directivo INGEMMET
PRESENTACIÓN Hay tres aspectos fundamentales que deben de ser considerados en el diseño de una excavación superficial o subterránea, para que la estructura pueda sostenerse estable durante el periodo de vida establecido en el diseño: 1) Obtención de parámetros representativos de la roca intacta mediante ensayos de laboratorio y/o ensayos in-situ. 2) Evaluación de la calidad del macizo rocoso que nos permita ponderar los parámetros de resistencia obtenidos del laboratorio, a valores mas reales del macizo rocoso. 3) Calibración y ajuste de los parámetros usados en el diseño durante la etapa de Operación, mediante Técnicas de Monitoreo y de Mapeo superficial de bancos del minado. El texto que tengo el honor de presentar ante ustedes cubre ampliamente estos aspectos antes mencionados, tan importantes para el Diseño y la Operación de una mina y puede ser usado sin lugar a duda como un texto de consulta para todos los profesionales inmersos en la Mecánica de Rocas. Este campo de por sí fascinante pero a su vez desafiante cuando los principios que lo gobiernan no son adecuadamente entendidos. En este sentido los conceptos básicos son expuestos de una manera clara y concisa y los objetivos son fácilmente comprensibles en cada capítulo. Asimismo, la experiencia y el profesionalismo del autor tras una larga trayectoria en este campo garantizan ya de por sí la calidad del trabajo expuesto. Eduardo Medina Jefe del Area Geotecnia Minera Barrick Misq uichilca S.A.
A GRA DECIMIENTO A la Universidad Nacional de Ancash "Santiago Antunez de Mayolo” - Facultad de Ingenieria de Minas Geología y Metalurgia, por haberme concedido año sabático, que permitió el desarrollo del presente trabajo técnico, al Instituto Geológico Minero y Metalúrgico INGEMMET; donde labore en el Area de Mecánica de Rocas, desempeñándome como Jefe de Grupo; al Dr. Antonio Samaniego Alcántara e Ing° David Córdova Rojas; Ex Director General de Minería del INGEMMET, quienes me impartieron muchas enseñanzas en esta Especialidad de Mecánica de Rocas, a los integrantes del Grupo de Mecánica de Rocas del INGEMMET, Ing° Raúl Molina Gutierrez, Ing° Pedro Alca Flores, Ing° Ramón Zuloaga Sota e Ing° Gloria Samame y Técnico Oscar Mechán Elias, quienes coadyuvaron a la ejecución de los ensayos para la cuantificación de los parámetros de las Propiedades Físico-Mecánicas de las Rocas; a la Universidad Nacional San Cristóbal de Huamanga, en la persona del señor Rector Ing° Cesar Cruz Carvajal y del Señor Decano de la Facultad de Ingeniería de Minas Geología y Civil Ing° Carlos Prado Prado, por haberme permitido instalar, calibrar y poner en operación el Laboratorio de Mecánica de Rocas donado por el INGEMMET; a Minera Barrick Misquichilca, que mediante el marco convenio me permitió realizar un Stage de Capacitación en las áreas de Operación Mina, Loss Control y Geotecnia, a las diferentes Empresas, Compañías Mineras y Obras Civiles que me permitieron el acceso a sus labores de operación. Por último al Colegio de Ingenieros de Minas del Perú, de la Departamental de Lima, por haberme concedido Honor al Mérito por mis Bodas de Plata, por los 25 años de labor profesional, como Ingeniero de Minas, incentivándome más aún al desarrollo del presente trabajo técnico.
CONTENIDO C A P ITU LO I 1.- Resu men...................................................................................................... 2.- Intro du cción................................................................................................. 3.- Antece de ntes .............................................................................................. 4.- Objetivo s..................................................................................................... 4.1.- Objetivos Gen erales......................................................................... 4.2.- Objetivos Específico s....................................................................... 5.- Alc ances....................................................................................................... 6.- Definiciones de términos aplicados a Mecánica de rocas.......................
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C A P I T U L O II 2.- Consideraciones geológicas ...................................................................... 2.1.- Litología............................................................................................ 2.2.- Rocas y Suelos ............................................................................... 2.2.1.- Rocas................................................................................. 2.3.- Colo r................................................................................................. 2.4.- Tamaño de gra no............................................................................ 2.5.- Textura y Es tructura......................................................................... 2.6.- Meteorización de las ro cas.............................................................. 2.6.1.- Roca fre sc a .........................................................................
6 6 6 6 7 7 8 8
10 2.6.2.- Roca débilmente meteorizada.......................................... 10 2.6.3.- Roca medianamente meteorizada .................................... 11 2.6.4.- Roca altamente meteorizada ............................................ 11
2.6.5.- Roca completamente meteorizada ...................................11 2.7.- Clasificación de las rocas en ing en iería......................................... 12 2.7.1.- Ciclo de las ro cas................................................................ 12 2.7.2.- Rocas Igneas .......................................................................13 2.7.3.- Rocas Metamórficas ........................................................... 13 2.7.3.- Rocas sedimentarias .......................................................... 14 2.8.- Mineral (Química )............................................................................. 15 2.9.- Condición de frac tu ra ....................................................................... 15 2.9.1.- Relleno de fra ctur as ............................................................ 15 2.9.2.- Rugosidad de las superficies de fractura ......................... 16 2.9.3.- Fracturas abiertas .............................................................. 16
2.10.- Clasificación de las rocas in-situ..................................................... 2.10.1.- Indice de la calidad de la roca - R Q D ..............................
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CAPITULO III 3.- Características del Macizo Rocoso
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3.1.- Fundamentación............................................................................. 3.2.- Caracterización del Macizo Rocos o............................................... 3.2.1.- Levantamiento Litológico-E structural..............................
3.3.- Características del comportamiento mecánico de la masa rocosa y sus compone ntes.............................................................. 3.3.1.- Ensayos de La bora torio....................................................... 3.3.2.- Ensayos In -s itu..................................................................... 3.3.2.1.- Indice de calidad de la ro ca.................................. 3.4.- Clasificaciones Geomecánicas del macizo Rocoso......................
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3.5.- Zo neam ien to..................................................................................... 3.6.- Ap licacione s...................................................................................... 3.6.1.- Diseño de labores mine ras................................................ 3.6.2.- Método de Explotación....................................................... 24 3.6.3.- Perforación y Voladu ra ....................................................... 24 3.6.4.- Sostenimiento ......................................................................24 3.6.5.- Relleno y Drenaje ............................................................... 24 3.6.6.- Conservación del medio Ambiente ....................................25 3.6.7.- Productividad y Loss Con trol.............................................. 25 3.6.8.- Economía y Ges tió n........................................................... 25 CAPITULO IV 4.- Comportamiento de la labor minera ......................................................... 26 4.1.- Antes de la con strucción................................................................. 4.2.- Durante la construcción.................................................................. 4.3.- Después de la construcción........................................................... 4.4.- Control instrumental........................................................................ 4.5.- Sistemas de Mon ito reo................................................................... 4.5.1.- Características de los sistemas de monitoreo................ 4.5.2.- Componentes sensores y/o detectore s .......................... 4.5.3.- Componentes trans miso res.............................................
26 26 26 26 28 28
29 29 4.5.4.- Componentes de lectura ...................................................30 4.6.- Modos de op eración ....................................................................... 30 4.7.- Fases de aplicación de la instrumentación................................... 31 31 4.7.1.- Control durante la construcción de labores mineras ...... 4.7.2.- Control después de la construcción .................................32 4.8.- Esquema de control instrumental (monitoreo).............................. 32 4.9.- Factore s........................................................................................... 32 4.10.-Consideraciones G ene rales ........................................................... 33 4.10.1.- Estudio del m edio .............................................................. 4.10.2.- Estudio del campo y su cambio en el tie m po .................
4.10.3.- Masa ro cosa...................................................................... 4.10.4.- Tensiones Internas........................................................... 4.10.5.- Deformaciones de la masa ro co sa .................................. 4.10.6.- Filtraciones y Presiones Insterticiales............................
4.10.7.- Rotu ra ............................................................................... 4.10.8.- Trabajos en Min ería ......................................................... 4.11.-.Instrumentación.............................................................................. 4.11.1.- Medidas de carga ............................................................
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34 35 35 35 35
4.11.2.- Esfuerzo - De formación..................................................... 35 4.11.3.- Presión Insterticial y Tensiones debidas a la humedad del suelo.......................................................................... .....36 4.11.4.- Presión de tierra, presión dinámica, tensión normal y estado de tensiones en masas de roca o de suelo ..... 36 4.11.5.- Movimientos Subterráneos........................................... ..... 36 4.11.6.- Movimientos Superficiales............................................ ..... 36 CAPITULO V 5.- Equipos e Instrumentos................................................................................ 37 5.1.- Preparación de pro be tas............................................................. ......37 5.1.1.- Sonda Sacatestigos....................................................... ..... 37 5.1.2.- Cortadora de Disco Dia ma ntin o.................................... .....39 5.2.- Ensayos y Mediciones en Laboratorio........................................ ..... 40 5.2.1.- Propiedades Físicas........................................................... 40 5.2.2.- Propiedades Mec án icas ......................................................40 5.2.2.1- Máquina de Compresión de ro cas................... 40 5.2 .2.2 - Máquina de Corte Direc to........................... ..... 41 5.2 .2.3 - Máquina de Carga Pu ntu al......................... ..... 41 5.3.- Ensayos y mediciones In -situ ........................................................... 42 5.3.1.- Sismógrafo........................................................................... 42 5.3.2.- Máquina de Arranque de Perno s................................. ...... 43 5.3.3.- Extensometro de Varillas e Inclinómetro..................... ..... 44 5.3.4.- Extensometro.......................................................................44 5.3.5.- Inclinómetros................................................................. ...... 44 5.3.6.- Extensometro de cinta y Barra tele scóp ica....................... 45 5.3.6.1- Extensometro de cinta ................................... ..... 45 5.3.6.2- Barra telescópica extensometrica...................... 46 5.3.7.- Martillo Schmidt de Dureza........................................... .....46 5.3.8.- Piezómetros......................................................................... 46 5.3.9.- Estación T o ta l...................................................................... 47 CAPITULO VI 6.- Procedimientos de ensa yo s.........................................................................48 6.1.- Laboratorio..........................................................................................48 6.1.1.- Propiedades Físicas........................................................... 48 6.1.2.- Propiedades Mecán icas ......................................................49 6.1.2.1- Ensayo de Compresión Simple ..................... .... 49 6.1 .2.1.1 - Relación de Esbe ltez.................. .... 49 6.12.1.2 .- Factor de corrección de Protodyakonov ........................... 49 6.12.1.3.- Factor de Corrección de Overt Duvall..................................... 50 6.1.2.1.4- Formula matemática ................... .... 50 6.1.2.2 - Ensayo de Tracción Indirecta - Método Brasilero .......................................................... 51 6.1.2.21.- Relación de esbe ltez.................. .... 51
6.1.2.2.2- Formula Matemática.................... ... 51 6.1.2.3- Ensayo para determinar Constantes Elásticas .......................................................... ... 52 6.1.2.4- Ensayo de resistencia a la Carga Puntual............................................................ ....52 6.1 .2.4 .1- Ensayo de Carga Puntual “Franklin” ....52 6.1.2.4.1.1- Relación de Esbeltez ......................................53 6.1.2.4.1.2- Fórmula Matemática 53 6.1.2.4.2 - Ensayo de carga Puntual “Louis” ............................................................ .... 54 6.1.2.4.2.1,- Relación de Esbeltez ......................................54 6.1.2.4.2.2,- Fórmula Matemática 54 6.1.2.5,- Ensayo de Compresión Triax ial.................... ..... 55 6.1.2.6- Ensayo de Corte Directo sobre Discontinuidades........................................................... .... 55 6.1.3.- Condición de En sa yo s........................................................57 6.2.- In-situ.............................................................................................. .... 57 6.2.1.- Ensayo de Rebote “R” ........................................................ 57 6.2.1 .1- Tipos de M artillos........................................... .....58 6.2.1.2- Procedimiento de Ensayo................................... 58 6.2 .1.3- Trabajo de Gabine te...................................... ..... 59 6.2.2.- Mediciones durante la Vola dura................................... ..... 59 6.2 .2.1 - Criterios para el Control de la Vo lad ura....... .... 59 6.2.2.2- Equipo para el Control de la Voladura............... 60 6.2 .2.3- Variables a Con siderarse.............................. ..... 60 6.2.2.3.1- Velocidad Máxima de Onda ...... .... 60 6.2.2.3.2- Desplazamiento de Ond as ........ .... 61 6.2.3.- Diseño e Instalación de Piezómetros y Pozos de Monitoreo ........................................................................61 6.2.3.1- Métodos de Perforación.................................. ... 61 6.2 .3.2 - Control de Calidad - Garantía de Calid ad.... ... 62 6.2.4.- Sistema de Control Instrumental Subterráneo................. 63 6.2 .4.1 - Instalación del extensometro de va rilla s....... ....64 6.2.4.1 .1- Detalles de la Perfora ción........... ... 64 6.2 .4.1 .2- Protección de la cabeza del instrumento...................................... 64 6.2 .4.4 .3- Secuencia de instalación del anclaje múltiple ........................... .... 64 6.2.4.1.4- Equipo de lectura o ind icad or .... .... 66 6.2.4.2- Componentes del sistema para mediciones Convergencia.......................................................66 6.2.4.2.1.- Elementos Sensores o detectores ...................................66
6.2.4.2.2.-
Elementos de Transmisión de datos ............................................ ... 68 6.2.4.2.3.- Equipos o unidades de lectura y/o registro..................................... 68 6.2.4.2.4.- Instalación de los elementos sensores ...................................... .... 69 6.2.4.2.5.- Metodología del monitoreo subterráneo.................................. ... 69 CAPITULO VII 7.- Resultados de los Ensayos......................................................................... 74 CAPITULO VIII 8.- Clasificaciones Geom ecánica s....................................................................79 8.1.- Clasificación Geomecánica de Proto dyakonov............................... 79 8.2.- Clasificación geomecánica de Bieniawski.................................... ... 80 8.2.1.- Resistencia Compresiva de la ro ca .................................. 80 8.2 .1.1- Primer Procedimiento...................................... ... 81 8.2.1 .2- Segundo Procedimiento.................................. ... 81 8.2.1 .3- Tercer Procedimiento...................................... ....81 8.2.2.- Indice de la Calidad de la Roca - R Q D ........................ .... 81 8.2.2 .1- Primer Procedimiento..................................... .... 81 8.2.2.2- Segundo procedim iento...................................... 81 8.2.2.2.1.- Fórmula ma tem ática .................. .... 81 8.2.3.- Espaciamiento de Junta s.................................................... 82 8.2.4.- Condición de Ju nta s........................................................... 82 8.2.4.1- Apertura ........................................................... .... 83 8.2.4.2- Tamañ o ............................................................ .... 83 8.2.4.3- Rugosidad........................................................ .... 83 8.2 .4.4 - Dureza de los labios de la discontinuidad..... ... 83 8.2.4.5- Relleno ............................................................. .... 83 8.2.5.- Presencia de a gu a .......................................................... ....83 8.2.6.- Corrección por orientac ión..................................................83 8.3.- Corrección de Laubscher and Taylo r ........................................... .... 85 8.3.1.- Meteorización...................................................................... 85 8.3.2.- Esfuerzos in-situ e ind ucido s......................................... .... 86 8.3.3.- Cambios de los Esfuerzo s.................................................. 86 8.3.4.- Influencia de las orientaciones del rumbo y buzamiento 86 8.3.5.- Efectos de la voladura ........................................................ 87 8.3.6.- Ajustes co mbin ad os ............................................................ 87 8.3.7.- Recomendaciones para el sostenim iento..................... .... 87 8.4.- Clasificación Geomecánica de Barton......................................... .... 89 8.4.1.- Recomendaciones para el uso de los cu ad ros................. 93 8.5.- Clasificación Geomecánica SMR para ta lu des............................... 95 8.5.1.- RMR......................................................................................96 8.5.2.- F1 ..........................................................................................96 8.5.3.- F 2 ..........................................................................................96
8.5.4.- F 3 ...................................................................................... 8.5.5.- El factor de ajuste según el método de exca va ció n.... 8.6.- GSI - Indice de Resistencia Geológ ica....................................... 8.6.1.- Estimación de las propiedades del macizo ro co so...... 8.7.- Propiedades Físico-Mecánicas del macizo ro co so..................... 8.7.1.- Datos iniciales.................................................................. 8.7.1 .1- Clasificaciones Geome cánicas...................... 8.7.1 .2- Ensayo de laboratorio..................................... 8.7 .1.3- Calculo de constan tes..................................... 8.7.2.- Para determinar las cons tan tes...................................... 8.7.3.- Uso de las clasificaciones geomecánicas del macizo rocoso para la estimación del G S I................................. 8.7.4.-
Clasificación Geomecánica de Bieniawski de 1976 .....
8.7.5.8.7.6.-
Clasificación Geomecánica de Bieniawski de 1989.... Clasificación Geomecánica "Q” mo dificada..................
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CAPITULO IX 9.- Aspectos de la Minería Peru ana............................................................... 9.1.- Modelo Geome cánic o..................................................................... 9.2.- Mina Raura ...................................................................................... 9.3.- Mina Quiruvilca............................................................................... 9.4.- Mina R aúl......................................................................................... 9.5.- Mina Iscaycruz................................................................................
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112 9.6.- Mina Pierina..................................................................................... 112 9.7.- Mina San Nicolás ............................................................................ 113 9.8.- Cementos Norte Pacasmayo......................................................... 114 9.9.- Túnel Kovire.................................................................................... 114 9.10.- Túnel de Carhuaquero.................................................................. 115 9.11.- Oleoducto Nor Peruan o................................................................ 115 9.12.- Irrigación de Lunahuana.............................................................. 116 9.13.- Proyecto Chavimochic.................................................................. 116 9.14.- Mina Colqu ijirca............................................................................ 117 9.15.- Mina Casapalca............................................................................ 117 9.16.- Mina San Vic ente .......................................................................... 118 9.17.- Mina Hua nzala.............................................................................. 118 9.18.- Hidroeléctrica Machupichu........................................................... 119 9.19.- Presa Lagunillas............................................................................ 119 9.20.- Mina San M ig uel........................................................................... 120 9.21.- Mina Juanita.................................................................................. 120 9.22.- Mina Cerro de Pasco ..................................................................... 121 Conclusiones.................................................................................................... 124 Recomendaciones............................................................................................ 131 Referencias Bibliografías............................................................................... 133 Anexo s............................................................................................................... 135
CAPÍTULO I 1.- RESUMEN Durante la explotación de una mina se pone de manifiesto una serie de condicionantes y problemas de mecánica de rocas que si no se tienen en consideración con anterioridad y no se estudia a fondo pueden alterar significativamente las características de la operación de minado. En el planeamiento de minado se considera la construcción y/o ejecución de labores mineras subterráneas y superficiales, por lo que es necesario, la cuantificación de las características geomecánicas del macizo rocoso, teniendo una justificación técnico- económica para una explotación racional, segura y rentable; estando además su utilización orientada a: diseño de labores mineras, diseño del método de explotación, selección de equipos, perforación y voladura, sostenimiento, relleno y drenaje, conservación del medio ambiente, productividad y loss control, Economía y gestión. Entre los aspectos más relevantes del sistema de información geomecánica, relacionado a las características del comportamiento mecánico de la masa rocosa y sus componentes, son los ensayos de laboratorio y los ensayos insitu, con la finalidad de determinar las propiedades físico mecánicas de las rocas y minerales y el monitoreo de la masa rocosa. de una operación minera. En el presente trabajo se detalla el procedimiento de cada uno de los ensayos, para la determinación de las propiedades físico-mecánicas de las rocas y minerales, y el monitoreo de la masa rocosa de una operación minera, ejecutada de acuerdo a los estándares conocidos a nivel mundial, para este caso referido a características geomecánicas se aplica los estándares de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas - ISRM (Society Internacional For Rock Mechanic's). 2 .- I N T R O D U C C I O N Cuando se diseñan labores mineras subterráneas y superficiales para propósitos de explotación de un yacimiento minero, se ponen de manifiesto una serie de condicionantes y problemas que se relacionan con el comportamiento mecánico del macizo rocoso que deben de tomarse en cuenta o estudiarse a fin de hacer más racional dicha actividad minera.
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La mecánica de rocas pone de relieve los puntos que se han de considerar para evitar o al menos paliar en lo posible el resultado de las fuerzas que se promueven al alterar el equilibrio del macizo rocoso en el que se ejecuta las labores mineras subterráneas y superficiales, este macizo, es un material muy complejo cuyas composiciones variadas, discontinuidades estructurales, distribución de presiones, complicadas por la presencia del agua, las vibraciones sísmicas debido a la voladura o sismos terrestres, etc; hacen que sea un autentico mosaico de problemas técnicos. La caracterización del comportamiento mecánico de la masa rocosa y sus componentes; como componente de un sistema de información geomecánica, se determina mediante los ensayos de laboratorio y ensayos in-situ, cuyo objetivo es la determinación de las propiedades físico-mecánicas de la roca y minerales y el monitoreo de la masa rocosa, razón que en presente trabajo detallamos cada uno de los procedimientos de los diferentes ensayos y la implementación de un sistema de control instrumental. Del empleo de la Tecnología que la mecánica de rocas pone a nuestra disposición podemos sacar una rotunda y probada afirmación: Racionar el diseño; Dar seguridad a la ejecución de labores mineras, personal e infraestructura, facilitar el control de la ejecución de las labores mineras, al actuar con datos reales, los costos de operación minera, redundando todo esto en el aumento de la productividad, bajos índices de accidentes - loss control y mayor conservación del medio ambiente. 3 .- A N T E C E D E N T E S La elaboración del presente trabajo referido a los procedimientos para ejecutar los ensayos de acuerdo a los estándares del ISRM (Society International For Rock mechanic's), con el objetivo de determinar las propiedades fisicomecánicas de las rocas y minerales , y la implementación de un sistema de control instrumental para garantizar la estabilidad de una operación minera, tiene un carácter de particular relevancia e importancia, puesto que en la actualidad, es necesaria la aplicación de estos parámetros cuantificados, en el diseño de las diferentes labores mineras, subterráneas y superficiales. Es de conocimiento que en estos últimos años, la aplicación de la mecánica de rocas en muchas proyectos mineros de nuestro país, se viene dando con mayor énfasis, así como también se tiene bibliografía técnica referida a dicha especialidad, razón que el presente trabajo, referido a la determinación de propiedades fisico-mecánicas de las rocas y mineral, y monitoreo de la masa rocosa, codyuvará al entendimiento, conocimiento y aplicación en forma sencilla y práctica dicha Ciencia.
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4.- OB JETIVOS El presente trabajo tiene por objetivo primordial, elaborar, conocer y aplicar los procedimientos para determinar las propiedades físico -mecánicas de las rocas y minerales y el monitoreo de la masa rocosa, teniendo en consideración los estándares sugeridos por el ISRM (Society International For Rock Mechanic's). 4 .1 .- O B J E T IV O S G E N E R A L E S Saber y dominar los fundamentos teóricos y prácticos acerca de los procedimientos para ejecutar los ensayos de acuerdo a los estándares y evaluar los parámetros cuantificados de dichas propiedades y monitoreo. Dominar los conceptos básicos acerca de las características y propiedades físico-mecánicas de las diferentes rocas y minerales y monitoreo de la masa rocosa existentes en nuestro país para ser aplicadas por la ciencia de mecánica de rocas. Saber identificar y representar las propiedades de las rocas y minerales y monitoreo de la masa rocosa que serán aplicadas al diseño de labores mineras subterráneas y superficiales. 4.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS Adquirir gran destreza para observar, analizar, discriminar, seleccionar y evaluar las propiedades físico-mecánicas de las rocas y minerales y monitoreo de la masa rocosa que constituyen las variedades de las rocas y control instrumental localizadas durante la ejecución de los ensayos y mediciones de los componentes de la masa rocosa. Desarrollar la capacidad de atención, análisis y las habilidades necesarias para: identificar, diferenciar, discriminar, seleccionar los datos e informaciones de los ensayos más relevantes y de máxima importancia al ejecutar mediciones de los componentes de la masa rocosa. Conocer, dominar y aplicar correctamente los conceptos teóricos y prácticos acerca de los estandares del ISRM (Society International For Rock Mechanic's). 5 .- A L C A N C E S Entender y explicar los procedimientos y resultados de los parámetros cuantificados, mediante la ejecución de los ensayos sobre muestras rocosas y monitoreo de la masa rocosa que se aplicarán para el modelamiento y garantizar la estabilidad de labores en la diversidad de excavaciones subterráneas y labores superficiales.
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Conocimiento de las propiedades fisico-mecánicas de rocas y minerales más representativas, y sistemas de control instrumental de proyectos mineros, que servirá de data base para la correlación e implementación de nuevos proyectos en la industria minera. 6 .- D E F IN IC IO N E S D E T E R M I N O S A P L I C A D O S E N M E C A N I C A DE ROCAS En el presente trabajo se definirán términos comunes usados en Mecánica de rocas : A fa n ít ic a .- Textura de las rocas constituidas por minerales o partículas muy finas, sólo pueden ser discriminadas al microscopio. Esta textura es característica de las rocas volcánicas. A g lo m e ra d o .- Conjunto de fragmentos rocosos, heterogéneos en cuanto a forma y composición , consolidados generalmente por materiales finos (arena, limo, arcilla). A g re g a d o .- Conjunto de minerales más o menos uniformes, pertenecientes a una o más especies. Alteración.- Proceso de modificación de los minerales y rocas por acción de los agentes de erosión: agua, viento, hielo, sol, etc. Sinónimo: Intemperismo, meteorización. B lo q u e .- Fragmento de roca de dimensiones superiores a 20 cms. de diámetro. Brújula.- Instrumento que sirve para medir el rumbo y azimut y el buzamiento de las estructuras geológicas. B u z a m ie n to .- (dip), término usado para indicar el ángulo de inclinación de las rocas estratificadas o de estructuras geológicas. C iz a lla m ie n to .- Es el proceso de fracturamiento de las rocas debido a los esfuerzos tectónicos. C o m p a c ta c ió n .- disminución del espesor o potencia de la secuencia estratigráfica por el peso y la presión de las rocas suprayacentes. C o n g lo m e ra d o .- Roca sedimentaria compuesta de cantos rodados cementados en una matriz fina. D e fo rm a ció n .- Modificación que sufre una roca o material por acción de una o más esfuerzos. Deformación elástica.- Cuando una roca se deforma por acción de un esfuerzo, y al cesar dicho esfuerzo la roca o material deformado recupera su forma original. Deformación plástica.- cuando una roca o material se deforma por acción de un esfuerzo y al cesar dicho esfuerzo la roca o material alterado conserva su deformación. D e sp la za m ie n to .- Es la distancia recorrida por un bloque rocoso a través de un plano de movimiento.
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D e tr ít ic o .- roca formada por fragmentos o detritus provenientes de la erosión de rocas pre-existentes. Esfuerzo.- fuerza aplicada sobre un área y/o superficie que tiende a cero. Estratificación.- Disposición paralela o subparalela que toman las capas de las rocas sedimentarias, durante su sedimentación. Estrato.- Es la roca formada por la sedimentación de fragmentos o partículas provenientes de la desintegración de las rocas pre-existentes. Estructura.- Esta referido a la disposición, arreglo y cohesión de los materiales constituyentes de un determinado cuerpo rocoso. Exfoliación.- Propiedad de las rocas de separarse en forma de láminas, cuando se refiere a minerales es sinónimo de clivaje. Falla.- Desplazamiento de un bloque rocoso con respecto a otro colindante a esta o de ambos bloques, a través de un plano denominado "plano de falla”. Granulometría.- Tecnología que se encarga de dictar normas correspondientes para determinar las dimensiones y las formas de los fragmentos de los materiales detríticos. G ra v e d a d .- Es la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre los cuerpos que se ubican en la superficie terrestre. M a ciz o .-Termino usado en geotecnia para referirse a áreas rocosas cuyo núcleo esta constituido de rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias. M u e str a .- Pedazo de roca o mineral, de un tamaño y peso adecuado que pueda servir de elemento del cual se pueda obtener toda la información necesaria para realizar un estudio propuesto. Plasticidad.- Propiedad de las rocas de deformarse al recibir un esfuerzo conservando la deformación al cesar el esfuerzo. Porosidad.- Es la relación existente entre el volumen de los intersticios porosos y el volumen total de la roca o suelo. La porosidad se expresa siempre en porcentaje. Proyección.- representación grafica sobre un plano horizontal de las diferentes estructuras geológicas, topográficas o cualquier tipo de estructura, que se ubica encima o debajo de este plano. R u m b o .- Dirección que sigue la línea de intersección formada entre el plano horizontal y el plano del estrato o estructura geológica, con respecto al norte o al sur. Saturación.- Cantidad de agua necesaria para que una roca porosa y permeable tenga todo su volumen de vacíos lleno de agua. S u e lo .- Cobertura superficial de la corteza terrestre producto de la alteración de los minerales de las rocas pre-existentes. La formación del suelo implica la meteorización química de los minerales primarios dando lugar a nuevos minerales. Talud.- Superficie inclinada del terreno que se extiende de la base a la cumbre del mismo. Textura.- tamaño, forma y disposición de los minerales componentes de las rocas.
CAPÍTULO II 2 .- C O N S ID E R A C IO N E S G E O L Ó G I C A S 2.1.- LITOLOGÍA Se refiere al tratado o estudio de las rocas y suelos. 2 .2 .- R O C A S Y S U E L O S A continuación se presenta una guía practica Para la descripción de suelos y rocas, empleando para la distinción entre ambos la siguiente definición sugerida por terzaghi y Peck Suelo.- es un agregado de granos minerales que puede ser separado por medio de agitación en agua, Roca,- por otro lado, es un agregado natural de minerales enlazados entre si por fuerzas cohesivas permanentes considerando que el termino permanente esta sujeto a diferencias interpretaciones el limite entre suelo y roca será necesariamente arbitraria. En este contexto los términos suelo y roca serán empleados en el sentido geotécnico y no en sentido geológico o pedológico. 2.2.1.- R ocas La clasificación de rocas empleadas por los geólogos resulta muy complicada para su aplicación en trabajos de ingeniería, siendo difícil inferir sus propiedades geotécnicas en base a su descripción geológica usual. Por razones de simplicidad es necesario minimizar el número de nombres empleados para la roca y complementar nomenclatura con términos que las califiquen adecuadamente. Siguiendo este criterio se recomienda el empleo de prefijos para los términos descriptivos microscópicos de la roca en muestras de mano tanto para el material intacto como para la masa rocosa, empleándose sufijos para indicar sus principales propiedades geotécnicas. Se ha sugerido el siguiente esquema para ser empleado en las descripciones: A .- P r e fij o s : - Tamaño de grano - Color - Textura y estructura - Discontinuidades en la masa rocosa
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- Estado de Intemperismo - Estado de alteración - Características Litológicas menores NOMBRE DE LA ROCA B .- S u fijo s : - Resistencia Compresiva de la roca 2 . 3 .- C O L O R el color de una roca es una propiedad que es fácil de apreciar pero difícil de cuantificar: aunque no siempre de gran valor como índice de propiedades mecánicas, su importancia no debe ser dejado de lado. El color de la roca debe ser expresado cuantitativamente en términos de 3 parámetros el matiz referido a un color básico el brillo o intensidad de un color y el valor o la claridad del color La "Geological Society Of. América” ha publicado un cuadro de colores de roca en 1963, basado en una tabla propuesta por Munsell (1941) 1 Rosado Rojo Amarillo Marrón Oliva Verde Azul Blanco Gris Negro
2 Rosáceo Rojizo Amarillento Oliváceo Verdoso Azulado Grisáceo
3 Claro Oscuro
2 .4 .- T A M A Ñ O D E L G R A N O Para la descripción del tamaño de los granos, parece adecuado emplear los mismos términos descriptivos utilizados para suelos, hay sin embargo ciertas dificultades, ya que muchos nombres de rocas comunes tienen implicaciones inherentes al tamaño de grano, siendo las calizas una de las pocas excepciones mientras los términos descriptivos existentes contemplan este aspecto, parece conveniente incluir alguna referencia al tamaño de grano, independientemente de si el nombre de la roca lo incluye o no, sobre todo para determinaciones de campo y trabajos de laboratorio, pudiera suceder que un observador no sea capaz de darle el nombre a un roca o que el nombre asignado no sea el correcto debiendo ser modificado. En algunos casos en los que se requiere de mayor precisión, se podrá indicar el tamaño de los granos, por ejemplo grano medio 1mm.
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Los términos recomendados son: GRADO EQUIVALENTE DE SUELO
DESCRIPCION DEL TAMAÑO DE GRANO
Piedras y Cantos Rodados Grava Arena Limo
Muy Grueso Grueso Grueso Fino
Arcilla
Muy fino
TAMAÑO DE LAS PARTICULAS
= 60 mm. 2 mm. - 60 mm. 60 micras-2mm. 2 micras - 60 micras (Granos mayores de 60 micras, visibles con lupa de 10 aumentos) = 2 micras
2 .5 .- T E X T U R A Y E S T R U C T U R A la textura de la roca se refiere a los granos individuales y al arreglo de los mismos pudiendo este último mostrar alguna orientación preferencial. En la medida de lo posible, deberá emplearse términos comunes, los términos adicionales no se justifican al menos que la característica a describirse no esta implícita en el nombre de la roca los términos utilizados con más frecuencia incluyen: cizallada, clivada, exfoliada, masiva, bandeamiento de flujo, veteada, porfirítica, y homogénea. Las rocas sedimentarias se presentan en estratos que pueden ser: regulares, laminares, con laminación cruzada o diferenciada, los planos de estratificación pueden ser: lisos, ondulados o cuarteados. Se recomienda emplear términos descriptivos para los planos de separación entre estructuras planares incluyendo la estratificación y la laminación en rocas sedimentarias, la exfoliación en rocas metamórficas y el bandeamiento de flujo de rocas ígneas. 2 . 6 .- M E T E O R I Z A C I O N D E L A S R O C A S Se refiere a la modificación sufrida en la composición o estructura de una roca, situada en la superficie terrestre o en sus proximidades, debido a la acción de agentes atmosféricos. Existen dos clases de meteorización según se produzca una desintegración de la roca por agentes físicos, o una descomposición por agentes químicos, incluyendo esta última la disolución. Generalmente los efectos físicos y químicos de la meteorización se producen simultáneamente, pero depende del clima el hecho que una u otra sea predominante.
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La meteorización física comprende: * Arranque directo por partículas por erosión. * Congelación del agua en grietas y fracturas. * Cambios de volumen en la roca, debido a variaciones de temperatura. * Acción de las plantas, especialmente de las raíces de los árboles. La meteorización química comprende: una serie de reacciones de oxidación, hidratación, hidrólisis, carbonatación y disolución, siendo los reactivos más importantes: el agua, el oxigeno, el dióxido de carbono y los ácidos orgánicos. El clima es el factor que condiciona el tipo de meteorización que se produce: * Meteorización física en climas cálidos y secos o fríos y secos * Meteorización química en climas cálidos o templados y húmedos. Se han creado una serie de escalas empíricas para el trabajo de campo. Pueden establecerse otras escalas más precisas, utilizando por ejemplo, la alteración de la dureza, que se puede determinar mediante el Martillo Schmidt. Actualmente existe dos escalas de meteorización, la primera propuesta por D.G. - Moye, para el granito y la segunda basada en ella, aplicada sobre todo para las rocas sedimentarias de orden detrítico: Areniscas, Limonitas y argilitas. Para rocas metamórficas e Ígneas intrusitas, Deere y Patto , proponen un perfil tipo de meteorización, que comprende cinco niveles similares a los cinco grados de meteorización de la escala de D.G.- Moye. Escala de Meteorización del Granito (Según D.G.- Moye)
Grado de Den om in ación Meteorización I Sana
II
Sana con juntas teñidas de oxidos
III
Moderadamente Meteorizada
IV
Muy Meteorizada
V
Completamente Meteorizada
Criterios de Reconocim iento
Roca no meteorizada. Las micas y los Feldespatos están lustrosos Las caras de las juntas están manchadas y cubiertas con hematitas y limonitas, pero el bloque de la roca entre juntas no está meteorizado. Claramente meteorizada a través de la petrofábrica que se observa por manchas de oxido de fierro y ligera descom posición de los Feldespatos, pero su resistencia es muy similar a la roca sana. Meteoriza ción en conjunto, pero con resistencia tal que piezas aproximadame nte de 25 cm2 de sección transversal, no pueden romperse a mano. Roca intensamen te meteorizada con aspecto de suelo que puede romperse y desmenuzarse a mano, pero se puede reconocer todavía la fabrica original.
10 Escala de Meteorización de las Rocas Sedimentarias Detrítica (Basada en la de D.G. Moye)
Grado de Meteorización
Deno m inació n
I
Sana
II
Sana con juntas teñidas de óxidos
III
Moderadamente Meteorizada
IV
Muy Meteorizada
V
Completamente Meteorizada
Criterios de Reconocim iento
Roca no meteorizada. Conserva el color y el lustre en toda la masa. Las caras de las juntas están manchadas de óxidos pero el bloque unitario entre ellas mantiene el color y el lustre de la roca sana. Claramente meteo rizada a través de la petrofábrica reconocién dose el cambio de color respecto de la roca sana. El cambio de c olor puede s er desde simples manchas a variación de color en toda la masa, generalm ente a colores típicos de óxidos de fierro, la resistencia de la roca puede variar desde muy análoga a la roca grado II a bastante más baja, pero tal que trozos de 25 cm2 de sección no pueden romperse a mano. Roca intensamen te meteorizada, que puede desme nuza rse y romperse a mano, aunque sus elementos son perfectamente reconocibles. Material con aspecto de suelo, completam ente descom puesto por m eteorización “in-situ", pero en el cual se puede reconocer la estructura de la roca original. Los elementos constitutivos de la roca se encuentran diferenciados, aunq ue totalmente diferenciados
Grado de meteorización de Deere y Patton en cinco clases : 2 . 6 .1 . - R O C A F R E S C A Denominada también roca sana, es aquella que no posee ningún grado de descomposición, no se encuentra teñida ni descolorada y se puede distinguir todas sus características texturales y estructurales sin dificultad. Solamente con ayuda de la lupa se pueden distinguir minerales teñidos aislados. 2 .6 .2 .- R O C A D E B I LM E N T E M E T E O R I Z A D A La superficie de la roca se encuentra descolorada y/o los minerales teñidos u oxidados. Los colores más comunes en que suele teñirse son: pardo
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anaranjado, pardo, pardo rojizo, marrón, ocre, pardo amarillento, etc. Eventualmente, estos u otros colores pueden manchar los dedos. En algunos casos se puede reconocer el avance de la meteorización desde la superficie de la fractura algunos milímetros o centímetros hacia el interior de la roca. Se pueden apreciar bastantes cristales descolorados o teñidos. 2 .6 .3 .- R O C A M E D I A N A M E N T E M E T E O R IZ A D A En esta etapa la mitad o menos de la roca se ha degradado a casi suelo, dejando núcleos de roca más dura. En todo caso, la estructura y la textura (o minerales individuales) en las partes blandas aún son claramente reconocible. 2 .6 .4 .- R O C A A L T A M E N T E M E T E O R IZ A D A Más de la mitad de la roca a devenido a suelo, pero en este caso aún la textura y las estructuras son reconocibles. Las partes blandas son deformables con poca dificultad y las partes rocosas son friables (que se puede desmenuzar con cierta facilidad). 2 .6 .5 .- R O C A C O M P L E T A M E N T E M E T E O R IZ A D A La roca se ha degradado completamente a suelo residual, aunque aún podría reconocerse eventualmente estructuras y texturas. Para la clasificación de Laubscher utilizar los siguientes ratings: Roca no me teo rizad a....................................................... 95 - 100 Débilmente meteorizada............................................... ...89 - 94 Medianamente meteorizada......................................... ... 81 - 88 Altamente meteorizada.....................................................76 - 80 Completamente meteorizada........................................ ...75 - 0 Para la clasificación de Bieniawski, emplear la siguiente nomenclatura: Roca no me teo rizad a........................................................ UW Débilmente meteorizada................................................ .. SW Medianamente meteorizada.......................................... ...MW Altamente me teorizada..................................................... HW Completamente meteorizada ......................................... CW El grado de meteorización de las rocas ha sido descrito en las tablas anteriores, en cuanto al grado de meteorización (o alteración) en los labios de las discontinuidades, se describe en el siguiente cuadro:
12 Grado de Meteorización de las discontinuidades Term in o Fresco Descolorido
Descompuesto
Desintegrado
Descripción No hay signos visibles de meteorización de la masa rocosa. El color es distinto del que tenia el material original sano. Hay que indicar el grado de cambio de color original. También hay que me ncionar el caso en el que el cambio de color solo afecta a determinados minerales. La roca esta meteorizada hasta alcanzar el grado de un suelo en el que la fábrica del material todavía permane ce intacta, pero algunos o todos los granos minerales están descompuestos. La roca está meteorizada hasta alcanzar el grado de un suelo en el que la Fábrica del material todavía permanece intacta. La roca es fiable pero los granos minerales están descompuestos.
2 . 7 .- C L A S I F IC A C I O N D E L A S R O C A S E N I N G E N I E R IA 2.7.1.- CICLO DE LAS ROCAS
El orden de este ciclo no es rígido. Una roca ígnea, por ejemplo, puede transformarse en metamórfica por efecto del calor y la presión sin pasar por la fase sedimentaria. Asimismo, las rocas sedimentarias y metamórficas pueden convertirse en material que forma nuevas rocas sedimentarias. El ciclo clásico de las rocas que se acaba de describir, se ha puesto recientemente en relación con la tectónica de placas. El ciclo comienza con la erosión de un continente. El material del continente se acumula en sus
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bordes y se puede compactar por litificación y transformarse en roca sedimentaria. Con el tiempo, el borde continental se transforma en borde de placa convergente (es decir, empujada contra otra placa). En esta línea, las rocas sedimentarias pueden transformarse por efecto de las altas presiones en cinturones de rocas metamórficas. Pero poco a poco los sedimentos que no han formado montañas se ven arrastrados por subducción hacia el fondo de la corteza. Allí sufren un metamorfismo aún mayor, hasta alcanzar grados de presión y temperatura tan elevados que se funden y se convierten en magma. Éste a su vez se convierte en roca ígnea que puede volver a la superficie terrestre, bien en forma extrusiva, a través de un volcán, bien por exposición de la roca ígnea intrusiva a consecuencia de la erosión. La meteorización y la erosión atacan las rocas ígneas, las transportan hasta el borde continental y el ciclo comienza de nuevo. 2.7.2.- ROCAS IGNEAS En geología, rocas formadas por el enfriamiento y la solidificación de materia rocosa fundida, conocida como magma. Según las condiciones bajo las que el magma se enfríe, las rocas que resultan pueden tener granulado grueso o fino. Las rocas ígneas se subdividen en dos grandes grupos: las rocas plutónicas o intrusivas, formadas a partir de un enfriamiento lento y en profundidad del magma; y las rocas volcánicas o extrusivas formadas por el enfriamiento rápido y en superficie, o cerca de ella, del magma. Existe una correspondencia mineralógica entre la serie de rocas plutónicas y la serie volcánica, de forma que la riolita y el granito tienen la misma composición, del mismo modo que el gabro y el basalto. Sin embargo, la textura y el aspecto de las rocas plutónicas y volcánicas son diferentes. Las rocas ígneas, compuestas casi en su totalidad por minerales silicatos, pueden clasificarse según su contenido de sílice. Las principales categorías son ácidas o básicas. La razón de ello estriba en que proceden del enfriamiento de magmas con composición diferente y mayor o menor enriquecimiento en sílice. En el extremo de las rocas ácidas o silíceas están el granito y la riolita, mientras que entre las básicas se encuentran el gabro y el basalto. Son de tipo intermedio las dioritas y andesitas. Diorita La diorita es una roca ígnea de grano fino a grueso y de color gris a gris oscuro, compuesta en su mayor parte de sílice. 2.7.3.- ROCAS METAMORFICAS Rocas cuya composición y textura originales han sido alteradas por calor y presión. El metamorfismo producido por el calor o la intrusión de rocas ígneas recibe el nombre de térmico o de contacto. Finalmente hay otro tipo de
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metamorfismo a gran escala, relacionado con la tectónica de placas y la orogénesis y motivado por los aumentos de presión y temperatura cercanos a la zona de colisión y subducción, que origina extensas zonas de rocas metamórficas. Hay cuatro variedades comunes de rocas metamórficas que pueden provenir de rocas sedimentarias o de rocas ígneas, según el grado de metamorfismo que presenten, dependiendo de la cantidad de calor y presión a la que se han visto sometidas. Así, la lutita se metamorfiza en pizarra a baja temperatura, pero si es calentada a temperaturas lo suficientemente elevadas como para que se recristalicen sus minerales arcillosos formando laminillas de mica, se metamorfiza en una filita. En los esquistos, los minerales de color claro (cuarzo y feldespato sobre todo) están distribuidos homogéneamente entre las micas de color oscuro; el gneis, por el contrario, exhibe bandas de color características. Entre las rocas metamórficas no foliadas, las más comunes son la cuarcita y el mármol. La cuarcita es una roca dura, de color claro en la que todos los granos de arena de una arenisca se han recristalizado formando una trama de cristales de cuarzo imbricados entre sí. El mármol es una roca más blanda y frágil de colores variados en la que se ha recristalizado por completo la dolomita o la calcita de la roca sedimentaria madre. Gneis El gneis es una roca metamórfica formada durante un metamorfismo regional de alto grado, dando lugar a una estructura en bandas. 2 . 7 .4 . - R O C A S S E D I M E N T A R I A S En geología, rocas compuestas por materiales transformados, formadas por la acumulación y consolidación de materia mineral pulverizada, depositada por la acción del agua y, en menor medida, del viento o del hielo glaciar. La mayoría de las rocas sedimentarias se caracterizan por presentar lechos paralelos o discordantes que reflejan cambios en la velocidad de sedimentación o en la naturaleza de la materia depositada. Las rocas sedimentarias se clasifican según su origen en detríticas o químicas. Las rocas detríticas, o fragmentarias, se componen de partículas minerales producidas por la desintegración mecánica de otras rocas y transportadas, sin deterioro químico, gracias al agua. Son acarreadas hasta masas mayores de agua, donde se depositan en capas. Las lutitas, la arenisca y el conglomerado son rocas sedimentarias comunes de origen detrítico. Las rocas sedimentarias químicas se forman por sedimentación química de materiales que han estado en disolución durante su fase de transporte.
15 Arenisca La arenisca es una roca sedimentaria constituida, predominantemente, por granos de cuarzo. Los granos pueden estar cementados por sílice, calcita u óxidos de hierro. 2 . 8 .- M I N E R A L ( Q U ÍM I C A ) En general, cualquier elemento o compuesto químico que se encuentre en la naturaleza; en mineralogía y geología, compuestos y elementos químicos formados mediante procesos inorgánicos. El petróleo y el carbón, que se forman por la descomposición de la materia orgánica, no son minerales en sentido estricto. Se conocen actualmente más de 3.000 especies de minerales, la mayoría de los cuales se caracterizan por su composición química, su estructura cristalina y sus propiedades físicas. Se pueden clasificar según su composición química, tipo de cristal, dureza y apariencia (color, brillo y opacidad). En general los minerales son sustancias sólidas, siendo los únicos líquidos el mercurio y el agua. Todas las rocas que constituyen la corteza terrestre están formadas por minerales. 2 . 9 .- C O N D I C IO N D E F R A C T U R A En la condición de las superficies de fractura, se ha agrupado los siguientes parámetros: el relleno y la rugosidad. 2 . 9 .1 . - R E L L E N O D E F R A C T U R A S Las discontinuidades pueden ser cerradas, abiertas o contener un relleno. Los rellenos más importantes pueden ser: Clorita (lubricante con el agua), carbonatos (se deshacen en la vida de las obras), arcillas (la Montmorillonita y la Caolinita es particularmente importante), Zeolitas (intercambian agua molecular con el medio fácilmente), Yeso (particularmente peligroso), Grafito (lubricante), Serpentina (similar a la Clorita), etc., además de otros rellenos más inocuos como el Cuarzo, la Epidota, la Anhidrita etc. para la clasificación de Laubscher y para la de Bieniawski no se necesita definir el tipo de relleno, sino que éste se evalúa solamente en base a sus propiedades físicas. En relación a estas propiedades, la clasificación de Laubscher asigna los siguientes ratings a los diferentes tipos de relleno: Sin relleno (solamente pátina).............................................. .100 Material de cizalle duro y gru eso...........................................90 - 99 Material de cizalle duro y fin o .................................................80 - 90 Material de ciza lle blando y grueso...................................... .60 - 79 Material de cizalle blando y fino ........................................... .. 50 - 59 Salvanda < que las rugosidades.......................................... ..35 - 49 Salvanda > las ru gosid ades....................................................12 - 35 Material de flujo.......................................................................0 - 11
16 Para la clasificación de Bieniawski se debe emplear la siguiente nomenclatura: Sin re lleno.................................................................................. 6 Relleno duro < 5 mm de espesor ............................................. 4 Relleno duro > 5 mm de esp eso r............................................. Relleno blando < 5 mm de esp eso r......................................... Relleno blando > 5 mm de esp eso r.........................................
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2.9.2.- RUGOSIDAD DE LAS SUPERFICIES DE FRACTURA Aunque Laubscher divide los grados de rugosidad a pequeña escala en 3 clases, subdividida a su vez en otras 3 subclases, en este caso para cuantificar la valoración, solamente se requiere 5 tipos de rugosidad, con el siguiente rating: Muy rugosa........................................................................... ....99 Rugosa ................................................................................. .... 87
- 100 - 98 Moderadamente ru gosa.......................................................... 81 - 86 Superficie suave........................................................................ 60 - 80 Espejo de falla.......................................................................... 50 - 59 Para la clasificación de Bieniawski se empleará la siguiente nomenclatura: Muy rugosa................................................................................... VR Rugosa........................................................................................ .. R Superficie su ave ......................................................................... ..SR Superficie lisa ...............................................................................S Espejo de falla................................................................................SK 2 .9 .3 .- F R A C T U R A S A B I E R T A S En un sondaje es muy difícil o prácticamente imposible detectar las fracturas abiertas. A lo más se reconocerán vetillas lavadas, las cuales generalmente son discontinuas y de muy corta corrida. En algunos casos se pueden inferir las fracturas abiertas debido a los óxidos de fierro que tiñen sus superficies, pero la oxidación solamente ocurre en un ambiente de aguas flucturantes y tampoco permite conocer la amplitud de la abertura. 2.10.- CLASIFICACION DE LAS ROCAS “IN-SITU” 2 . 1 0 .1 . - IN D I C E D E L A C A L I D A D D E L A R O C A - R Q D Para determinar el RQD (Rock Quality Designation) en el campo y /o zona de estudio de una operación minera, existen hoy en día tres procedimientos de calculo.
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P R I M E R P R O C E D IM I E N T O : Se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos de testigo mayores que 10 cm en el intervalo de testigo de 1.5 m, contando únicamente las discontinuidades naturales del testigo. En el caso que exista duda respecto al origen de la discontinuidad (natural o inducida) se toma el caso más conservador, es decir se considerará que la fractura es inducida (artificial). Las medidas se toman con respecto al eje del testigo, según las figuras 2.1 y 2.2. Especialmente el esquema de la figura 2.2 aclara la partición de las fracturas de algunos casos conflictivos. La sumatoria de estos trozos se expresarán en porcentaje del intervalo de 1.5 m. ^ trozos > 10cm
150cm Nota : Un criterio para diferenciar las fracturas naturales de las artificiales o inducidas es que las fracturas inducidas suelen ser más irregulares, limpias (pero no siempre) y se suele distinguir los granos minerales individualmente de manera más destacada. Además, pueden compararse la características de las fracturas inequívocamente naturales con las conflictivas, observando si conservan una actitud y aspecto similar. En un caso extremo se puede partir un testigo y comparar. En caso de duda considerarla como natural. La frecuencia de fractura se determina considerando solamente las fracturas naturales, que existen sobre el soporte de estudio (1.5m), y se reúnen en tres grupos, donde se suman todas aquellas cuyo manteo mide entre 0° y 30°, otro grupo para las que miden entre 31° y 60°, y finalmente entre 60° y 90°; y además se aprovechan para definir la frecuencia de fractura, entonces se suman los tres grupos y se dividen por el intervalo de 1.5 m.
Figura 2.1. Medición del RQD
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Figura 2.2. Formas correctas de medir R.Q.D
19 S E G U N D O P R O C E D I M IE N T O Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras, por metro lineal, determinadas al realizar el levantamiento litológico-estructural (Detail line) en el área y/o zona predeterminada de la operación minera. La fórmula matemática: - 0.1 ? RQD = 100?
( 0.1 ? + 1)
Siendo: l _
N° deFisuras SPAN
T E R C E R P R O C E D I M IE N T O Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras, por metro cúbico, determinadas al realizar el levantamiento litologico-estructural (Detail line) en el área y/o zona predeterminada de la operación minera. La fórmula matemática: R Q D = 115 - 3.3 (Jv) Siendo: Jv = Número de fisuras por metro cúbico. Deere propuso la siguiente relación entre el valor numérico RQD y la Calidad de la roca desde el punto de vista en la Ingeniería: RQD < 25% 25 - 50 % 50 - 75 % 75 - 90 % 90 - 100 %
Calidad de la roca Muy mala Mala Regular Buena Muy buena
CAPÍTULO III 3 .- C A R A C T E R I S T IC A S D E L M A C I Z O R O C O S O 3 .1 .- F U N D A M E N T A C I O N La cuantificación de las características estructurales y geomecánicas de las rocas circundantes a las estructuras mineralizadas, tienen una justificación técnica y económica para una explotación racional, segura y rentable; su utilización esta orientada para el planeamiento y diseño, selección de equipos, diseño de la perforación, voladura y sostenimiento de labores mineras superficiales y subterráneas. La implementación de un sistema de información geomecánica en las diferentes actividades mineras; para su aplicación en el diseño de labores mineras, comprenderá realizar los siguientes estudios: * Caracterización del macizo rocoso, a través de: Levantamiento litológico - estructural. * Caracterización del comportamiento mecánico de la masa rocosa y sus componentes; a través de: ° Ensayos de laboratorio: Determinación de Propiedades Físicas y Propiedades Mecánicas de la roca y mineral. ° Ensayos In-situ. Índice de la calidad de la roca: RQD. * Clasificación geomecánica del macizo rocoso. * Zoneamiento de la masa rocosa. 3 .2 .- C A R A C T E R I Z A C I O N D E L M A C IZ O R O C O S O 3 .2 .1 .- L E V A N T A M IE N T O L IT O L Ó G IC O - E S T R U C T U R A L Consiste en registrar información Litológica-estructural de la masa rocosa, 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, estará constituidos por litología, meteorización, alteraciones, presencia de agua, tipo, forma de superficie de las
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discontinuidades, espaciado, continuidad y frecuencia de las diaclasas, y la orientación y rumbo de las estructuras y/o discontinuidades. Esta información debe ser evaluada, cuantificada a través de un tratamiento computarizado; mediante la aplicación de Software: “DIP'S” para determinar el número de familias de discontinuidades “Jn” (Joint Set Number) y “UNWEDGE” para determinar la presencia de cuñas, y/o áreas inestables, se adjuntan los formatos en los anexos para la toma de los datos de campo.. 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 las orientaciones preferentes de las discontinuidades, ubicación de las estaciones de muestreo; consecuentemente la elaboración de un plano composito de las características estructurales. Toda la información servirá como base para establecer la clasificación geomecánica de la masa rocosa entorno de la operación minera. En complemento a la información litológica estructural es necesario realizar estudios petromineralógicos de las rocas y minerales característicos y representativos de la zona. 3 .3 .- C A R A C T E R Í S T IC A S D E L C O M P O R T A M IE N T O M E C A N I C O D E L A M A S A R O C O S A Y SU S C O M P O N E N T E S 3.3.1.- 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, Chiroje, 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 (Society International For Rock Mechanic's), a partir de muestras de roca y /o mineral procedente de la mina técnicamente extraídos y transportados. Estos deben ser sometidos a los siguientes ensayos : Propiedades Físicas: Densidad, Porosidad en peso.
Aparente,
Propiedades Mecánicas: Ensayo de Compresión Uniaxial. Ensayo de Carga Puntual.
Peso
Especifico Aparente, Absorción
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Ensayo de Corte Directo. Ensayo para la determinación de Constantes Elásticas. Ensayo de Compresión Triaxial. Ensayo de Tracción Indirecta - Brasilero. Los resultados serán ploteados en un plano composito por niveles en caso de labores subterráneas y labores superficiales. de las características estructurares. 3.3.2.- ENSAYOS IN -SITU En la operación minera se debe implementar un sistema de control instrumental para garantizar la estabilidad de las labores mineras subterráneas y superficiales. A través de : 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 Los resultados serán ploteados en planos. Esta información representa datos adicionales para garantizar la estabilidad de labores subterráneas y superficiales de una operación minera. 3 . 3 . 2 . I .- ÍN D I C E D E C A L I D A D D E L A R O C A La Calidad de la roca se determina mediante el RQD Designation) por tres métodos descritos en el capitulo anterior:
(Rock Quality
Primer método: Se basa en la recuperación en porcentaje de piezas enteras mayores a 100 mm. con relación a longitud total de una perforación diamantina. Segundo método: Se basa en el número de discontinuidades por metro lineal Tercer método: Se basa en el número de discontinuidades por metro cúbico
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El valor RQD es representativo para cada tramo, representa además un valor numérico de la calidad de la roca; en este sentido, es necesario utilizar toda la información de las perforaciones diamantinas y los datos de campo referidos al número de discontinuidades. 3 .4 .- C L A S IF IC A C IO N E S ROCOSO.
G E O M E C Á N IC A S
DEL
MACIZO
Con los resultados y análisis de la información litológica-estructural, la resistencia compresiva uniaxial de las rocas y/o mineral, se debe elaborar la clasificación geomecánica del macizo rocoso utilizando criterios de Bieniawski (CSIR), Laubscher and Taylor, Barton (NGI), Marinos and Hoek (GSI), en algunos casos Protodyakonov. Con el objetivo de determinar la calidad del macizo rocoso. 3.5.- ZONEAMIENTO 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. 3.6.- APLICACIONES La caracterización del macizo rocoso es una información básica para el diseño de labores mineras esto implica que en todo proyecto de excavaciones subterráneas habrá que invertir recurso económico como trabajo y tiempo suficiente para la recolección e investigación de campo. De no ser así podría presentarse problemas inesperados después en la ejecución de una labor minera. En este sentido conviene aprovechar la mayor información disponible a partir de la ejecución de la labores de las fases de una investigación minera, entre labores de explotación, mapeos geológicos estructurales testigos de perforación diamantinas: labores mineras, etc. A fin de preparar información básica para establecer una clasificación geomecánica del macizo rocoso en torno a la explotación de un yacimiento mineralizado, El sistema de clasificación servirá al proyectista, en este caso al ingeniero de minas o a la persona especializada de la operación minera, para adquirir experiencia en el manejo de la información geomecánica del macizo rocoso, para el diseño y dominio de las operaciones mineras. A continuación mencionamos algunas de las aplicaciones del sistema de información geomecánica, especificamos en los siguientes aspectos: 3 . 6 .1 . - D I S E Ñ O D E L A B O R E S M I N E R A S Estimación de la resistencia de la roca. Determinar el modulo de deformación In-situ.
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Estimar los esfuerzos máximos en las superficies (perfiles) de las excavaciones. Estimar dimensiones de excavaciones autosoportadas. Evaluar efectos de la construcción de excavaciones subterráneas (Perforación y Voladura). Evaluar la inestabilidad por efectos de las características estructurales subterráneas y superficiales. Diseño de galería, túneles, piques, chimeneas y excavaciones subterráneas en general. Diseño de rampas, bermas, bancos y labores mineras superficiales en general. 3.6.2.- METODO DE EXPLOTACIÓN Selección y diseño del método de explotación. Dimensión de los bloques de explotación. Dimensión de los polígonos de explotación. Selección del tamaño del equipo minero. Dimensiones de las operaciones unitarias mineras. Planeamiento de la producción: esquemas y secuencias de explotación. Estabilidad de taludes. 3 .6 .3 .- P E R F O R A C I O N Y V O L A D U R A Velocidad de penetración de perforación. Selección de explosivos. Selección del equipo de perforación. Optimizar la fragmentación de roca y mineral. Determinar las velocidades de las ondas sísmicas, entre diferentes tipos de roca. Determinar el consumo de barrenos, broca, etc. Diseño de voladura en masa. Diseño de voladura controlada (Smooth Blasting). 3 . 6 .4 . - S O S T E N I M I E N T O Diseño de refuerzos a partir de la calidad del macizo rocoso. Requerimiento de sostenimiento. Selección de elementos de refuerzo y soporte en excavaciones subterráneas. Evaluación y análisis de estabilidad en labores mineras. 3 . 6 .5 . - R E L L E N O Y D R E N A J E Selección del tipo de sistema de relleno para el restablecimiento del equilibrio del macizo rocoso. Requerimiento de la resistencia de relleno. Establecer las secuencia y ritmo del rellenaje. Evaluación hidrológica y diseño del drenaje en una operación minera.
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3 .6 .6 .- C O N S E R V A C I Ó N D E L M E D IO A M B I E N T E Conservación de la ecología en torno a las áreas de explotación. Selección y ubicación de las canchas de relave y/ú otros sistemas de disposición de residuos mineros. Planificación minera. Construcción de carreteras, instalaciones, campamentos, cimentaciones, etc. Producción y aprovechamiento de agua de mina. Predicción e inestabilidad de taludes y/o riesgos naturales. Remediación de zonas reclamadas. 3 . 6 .7 . - P R O D U C T I V ID A D Y L O S S C O N T R O L Protección del trabajador y/o equipo minero. Prevenir riesgos físicos y /o accidentes de trabajo. Asegurar y mejorar condiciones de trabajo para el trabajador minero. Asegurar operaciones con mayor productividad. Trabajos mecanizados, uso de equipos en todas las operaciones de minado. 3 . 6 .8 . - E C O N O M IA Y G E S T I O N Asegura una explotación racional del yacimiento. Desarrollo y avance tecnológico: Aplicación y utilización de nuevas tecnologías. Provee una inversión anticipada y necesaria. Disponer de un banco de datos. Formulación, evaluación y control de proyectos. Manejo y control de las operaciones mineras. Diseño de inversión planificada. Definición de criterios técnicos - económicos adecuados.
CAPÍTULO IV 4 .- C O M P O R T A M I E N T O D E L A L A B O R M IN E R A Para analizar el comportamiento de una labor minera, se debe tener en cuenta el sistema de control instrumental (monitoreo) de los componentes estructurales rocosos de dicha labor minera superficial y/o subterránea (rampa, banco, galería, crucero, tajeo, entre otras) con una diversidad y/o gama de equipos e instrumentos mecánicos, hidráulicos, eléctricos, electrónicos. 4.1.- ANTES DE LA CONSTRUCCIÓN Para recabar la información que se necesita para el diseño de la ejecución de la labor minera. Esta información incluye el modulo de deformación de la roca, la resistencia de la roca in-situ y el estado de los esfuerzos in-situ. 4 .2 . - D U R A N T E L A C O N S T R U C C I Ó N Para confirmar la idoneidad del diseño y para proporcionar las bases necesarias para su cambio. Además el control de los desplazamientos tiene un papel importante en la información que se necesita para aumentar la seguridad en las labores mineras superficiales y subterráneas. 4 . 3 .- D E S P U É S D E L A C O N S T R U C C I Ó N Para controlar el comportamiento general de la labor minera durante la operación o para medir la reacción de una operación minera adyacente a otra más cercana. Un programa sobre el sistema de instrumentación superficial y/o subterránea deberá enfrentarse a estas fases en una forma mas eficiente y económica que sea posible. No se deberán sobreestimar las fases de sencillez, solidez y confiabilidad ya que los instrumentos a emplearse en labores mineras se someterán a condiciones muy rudas de temperatura, de humedad y de manejo. 4.4.- CONTROL INSTRUMENTAL El monitoreo es la observación del comportamiento de las estructuras, ya sea visualmente o con la ayuda de instrumentos. Dentro del contexto geomecánico, el control instrumental puede llevarse a cabo por las siguientes razones: A.- Para el registro de los valores naturales y variaciones en los parámetros
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geotécnicos tales como el nivel freático, nivel de agua y eventos sísmicos antes del inicio de la puesta en marcha de un proyecto. B.- Para garantizar la seguridad durante la construcción y operación por ejemplo: Mediante la advertencia del desarrollo del exceso de deformaciones en el terreno, presiones de agua y carga de los elementos de soporte. C.- Para verificar la validez de las suposiciones, modelos conceptuales y los valores del suelo o las propiedades del macizo rocoso, usados en los cálculos para el diseño. D.- Para el control de la implementación del tratamiento del terreno y remediar trabajos tales como glaciares durante la profundización de piques, túneles y tajos (bancos) a través de la napa freática, enlechado, drenaje o la provisión de soporte mediante el tensionado de cables. En la Mecánica de rocas la mayor parte del control instrumental se lleva a cabo por la segunda y tercera de las razones anteriormente mencionadas. Es importante llevar a cabo un control instrumental de la seguridad y para controlar el comportamiento del macizo rocoso y como consecuencia de ello hacer los ajustes en el diseño global de la operación minera y tomar las medidas apropiadas. Las masas rocosas son extremadamente complejas y cuyas propiedades son difíciles por no decir imposibles de predeterminar con exactitud los frentes de operación. También quedara claro que los modelos usados para predecir los variados aspectos del comportamiento del macizo rocoso para los diferentes tipos de minado, están basados sobre idealizaciones, suposiciones y simplificaciones: por esto es vitalmente necesario comprobar la posición de las predicaciones hechas en los cálculos para el diseño. El uso del sistema de monitoreo en las operaciones mineras superficiales y subterráneas modernas y de gran escala pueden ser sofisticadas y caras. Sin embargo, debe recordarse que conclusiones valiosas acerca del comportamiento del macizo rocoso a menudo puede obtenerse de operaciones visuales y de las observaciones hechas usando aparatos de monitoreo muy simples. Los detalles que pueden ser monitoreados en las operaciones mineras superficiales y subterráneas son: * Desplazamiento de la roca en los limites del tajo y/o excavación. * Movimiento a lo largo o a través de una diaclasa. * Desplazamientos relativos a la convergencia de puntos de anclaje de referencia en lo limites de una excavación. * Desplazamientos ocurridos en el macizo rocoso lejos de la periferia de la labor minera. * Desplazamientos superficiales y/o de subsidencia. * Cambios en la inclinación de un taladro.
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* Niveles de agua subterránea. * Cambios en el esfuerzo en un punto en la masa rocosa. * Cambios en las cargas y en los elementos de sostenimiento, tales como de refuerzo, soporte, revestimiento y relleno. * Los esfuerzos y las presiones de agua generadas en el terreno. * Sedimentación del terreno. * Emisiones sísmicas y microcósmicas. * Velocidad de propagación de las ondas. Aunque pueda parecer que en la relación hay una gran cantidad de variables que pueden ser monitoreadas, solo el desplazamiento y la presión pueden ser medidas relativamente y directamente usando tecnología simple. Las mediciones pueden realizarse de desplazamientos absolutos de una serie de puntos en los limites de la labor minera o con una mayor dificultad dentro del macizo rocoso. El desplazamiento relativo o de convergencia de dos puntos en los limites de una excavación es más fácil de medir que el desplazamiento absoluto. Debido a que el desplazamiento relativo de dos puntos puede medirse comúnmente y puede obtenerse una medida de deformación normal asumiendo que la perforación es uniforme sobre la longitud referencial considerada. Las presiones de agua subterránea y los esfuerzos normales en el contacto de los elementos de sostenimiento del macizo rocoso o con el relleno pueden medirse mediante presiones inducidas en celdas de presión rellenadas con fluido. Es importante reconocer que la medición de muchas otras variables de interés, especialmente fuerzas y esfuerzos, requieren del uso de modelos matemáticos y de las propiedades del material para calcular los valores requeridos de los desplazamientos, deformaciones o presiones. 4 . 5 .- S I S T E M A S D E M O N I T O R E O 4 . 5 .1 .- C A R A C T E R Í S T I C A S G E N E R A L E S D E L O S S IS T E M A S D E MONITOREO El sistema de instrumentación usado para monitorear una variable tendrá generalmente tres componentes diferentes: Un sensor o detector que registra los cambios dentro de la variable que se esta monitoreando. Un sistema de transmisión, el cual puede usar barras, cables electrónicos, líneas hidráulicas o aparatos radiotelemétricos que transmite al sensor como datos de salida de los detalles ubicados.
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Y un sistema de lectura y/o unidad de registro tales como un calibrador de dial, indicador de presión, registrador de cinta magnética o del tipo digital que convierte los datos en usables y lo presenta al especialista. A.- De fácil instalación, si es necesario bajo condiciones adversas. B.- Adecuada sensibilidad, precisión y reproducción de las mediciones. C.- Protección adecuada y duradera para asegurar la durabilidad en los periodos de operación requeridas. D.- De fácil lectura y de disponibilidad inmediata de los datos para el ingeniero. E.- Que no interfiera con las operaciones mineras. 4 . 5 .2 .- C O M P O N E N T E S S E N S O R E S Y / O D E T E C T O R E S Son elementos que constituyen un sistema de control instrumental, se caracteriza por ser los elementos que detectan las variaciones, desplazamientos, movimientos, deformaciones, entre notros, que se registran para un control instrumental, dependiendo del tipo de control instrumental (monitoreo). En el mercado existe una gran variedad de sensores y/o detectores y con diferentes ángulos de precisión, estos componentes van conectados a los otros componentes de transmisión y lectura. Por ejemplo en el caso de extensometros de varillas el elemento sensor y/o detector serian los anclajes, barras cilíndricas de acero estriadas en el caso del extensometro de cinta el elemento sensor y/o detector seria el fierro corrugado con su perno de ojillo, anclado en el punto donde se registran las mediciones. 4 . 5 .3 .- C O M P O N E N T E S T R A N S M I S O R E S Son elementos que forman parte de un sistema de control instrumental, se caracterizan por ser los elementos que transmiten las variaciones, desplazamientos y movimientos que los elementos sensores y/o detectores han registrado durante un control instrumental (monitoreo); estos componentes van conectados a los componentes de la lectura, por ejemplo: En el caso de la barra telescópica Extensometrica, el elemento transmisor es la barra de aluminio tabular que hace contacto (hemisférico) en cada extremo, con dos puntos a medirse. En el caso del extensometro de varillas los elementos transmisores son las varillas de acero de % " de diámetro forrados con tubos PVC de % " de diámetro.
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4.5.4.- COMPONENTES DE LECTURA Son elementos que forman parte de un sistema de control instrumental, se caracterizan, por ser los elementos donde se efectúa la lectura de las variaciones, desplazamientos, movimientos registrados por los elementos sensores y/o detectores y transmitidas hacia los componentes de lectura por los elementos transmisores durante el control instrumental (monitoreo), en el mercado existe una variedad o gama de elementos de lectura con diferentes rangos de precisión, como son: eléctricos, ópticos, mecánicos, entre otros, por ejemplo: El sistema de control instrumental (óptico), el instrumental de estación total esta compuesta por un teodolito electrónico y un distanciometro. En el caso de la barra telescópica extensometrica, el equipo constituido por dos barras: un fija colocada en un punto de referencia y otro movible colocado en el otro punto de referencia, son ajustados mediante un pin de oreja, indicando en un dispositivo de lectura del desplazamiento entre ambos puntos. 4 . 6 .- M O D O S D E O P E R A C I Ó N Las formas de operación de los sensores, transmisores y sistemas de lectura, usados como aparatos de monitoreo pueden ser mecánicos, ópticos, hidráulicos y eléctricos. Los sistemas mecánicos miden las variaciones dimensiónales de secciones transversales de labores mineras superficiales y/o subterráneas o de las deformaciones en profundidad del macizo rocoso. A menudo resultan los métodos mas sencillos, baratos y confiables de detección, transmisión y lectura a distancia o un grabado continuo de los datos que se están tomando. Los sistemas ópticos se usan en métodos de mediciones convencionales, precisas y fotogramétricas, para el establecimiento de perfiles de excavación y para el registro de fracturas naturales o inducidas para la operación minera. En el pasado se le dio un uso considerable a los conectores fotoelásticos y discos para monitores, cambios de esfuerzos en los alrededores de las labores mineras y en los elementos de sostenimiento. Quizás el elemento más común que continua como instrumento de este tipo es la celda de carga de pernos de roca fotoelástica. En esta celda, la carga del perno de roca es transmitida a los diámetros de los discos de vidrio montados entre los platos de cargas de acero. Los diámetros transductores hidráulicos y neumáticos se usan para medir presiones de agua, soportes de carga, cargas de cable de anclaje, componente normales de esfuerzos y subsidencias. En todos los casos el método de operación es el mismo. La cantidad medida es la presión de un fluido el cual actúa en un lado un diagrama flexible, hecho de metal, jebe o plástico.
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La toma de lecturas de aire, nitrógeno o presiones de aceite hidráulico se efectúa en la unidad de lectura a través de uno de los tubos del diafragma. Estos métodos son usados ampliamente en el monitoreo de superficies de subsidencia asociados con la operación minera. Los equipos eléctricos probablemente son la base de los instrumentos usados en el presente para monitorear la performance del entorno de la masa rocosa de las estructuras del minado, aunque los sistemas mecánicos siguen siendo utilizados en el monitoreo de los desplazamientos. Los sistemas eléctricos operan generalmente con uno a tres básicos. Las deformaciones registradas por los equipos y/o aparatos son medidas por captores eléctricos. Estas pueden ser efectuadas a distancia y centralizadas en las salas o zonas de lectura fijas. La mayor parte de las celdas de carga, transductores de presión y algunos tipos de inclinómetros, usan medidores de deformación de resistencia eléctrica. Las principales desventajas en el uso de medidores de deformación de resistencia eléctrica son: A.- Es difícil obtener una buena adherencia entre el medidor de deformación y la roca. B.- Las deformaciones son medidas sobre las longitudes relativamente cortas. C.- Los efectos de la temperatura no solo pueden eliminarse. 4 .7 . - F A S E S D E A P L I C A C IÓ N D E L A I N S T R U M E N T A C I Ó N 4 .7 .1 .- C O N T R O L D U R A N T E L A C O N S T R U C C I Ó N D E L A B O R E S MINERAS Las mediciones que se efectúan durante la construcción deberán proporcionar la información necesaria para verificar la validez del diseño o permitir la culminación del trabajo en curso. Además esas mediciones deberán proporcionar anticipos sobre los problemas potenciales para que se puedan tomar medidas correctivas antes de que estas se hayan manifestado a tal punto que las medidas correctivas resulten muy caras e imposibles de ejecutar. Al estudiarse el uso de instrumentos, se ha insistido que estos sean resistentes y sencillos, y que su instalación y control afecte lo menos posible al trabajo de construcción de una labor minera superficial y/o subterránea. Existen varios métodos para el control de desplazamientos, como muchas veces se han intentado llevar el registro de los controles durante la construcción y/o ejecución de la operación minera, pero o siempre no es un trabajo tan sencillo como parece. La mayoría de los instrumentos de medición son de un material plástico y se fijan a la roca con un cementante de resina. Estos materiales
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sintéticos tienden a deformarse con el tiempo, por lo que los instrumentos son más adecuados a corto que a largo plazo. 4.7.2.- CONTROL DESPUÉS DE LA CONSTRUCCIÓN Una vez finalizada la construcción de una labor minera, será necesario algunas veces controlar su comportamiento. Las técnicas de control son idénticas a las del control durante la construcción de labores mineras. Sobre todo en lo que se refiere a labores mineras subterráneas donde se utiliza el control instrumental de convergencia por la estabilidad a largo plazo que ofrecen estos instrumentos. En labores mineras de explotación subterránea donde se utilizan grandes cámaras el control de la construcción de estas puede ser importante, sobre todo cuando hay en superficie instalaciones en las inmediaciones de la excavación. También se utilizan técnicas precisas de topografía, las cuales dan una buena indicación sobre el desarrollo de la cámara. En otros casos se pueden construir indicadores mediante el anclaje de una serie de alambres en superficie, para controlar la estabilidad de los taludes (deslizamientos). Los alambres salen del taladro, pasan por poleas, las que están tensadas con pesas. El movimiento de las pesas indican el movimiento de las anclas en el macizo rocoso.
4 .8 . - E S Q U E M A D E C O N T R O L I N S T R U M E N T A L ( M O N IT O R E O ) El establecimiento de un esquema instrumental debe responder a diversos aspectos que se enumeran a continuación: * La naturaleza y características del macizo rocosa(características lito-estructurales). * La calidad del macizo rocoso. * Los dominios estructurales. * Naturaleza y métodos de explotación a emplearse. * Forma y dimensiones de la explotación y de la labor minera. * Condiciones y fases de la ejecución de la labor minera. * Importancia y duración de la labor minera. * Los esfuerzos debidos a las condiciones del método de explotación o uso de la labor minera. 4 . 9 .- F A C T O R E S Todas las posibilidades de investigar el efecto sobre la estabilidad y el comportamiento del macizo rocoso para la aplicación de un método de explotación, de los factores como el método de porcentajes de extracción, la geometría de las labores mineras empleadas, el dimensionamiento de las labores mineras (rampas, galerías, bancos, escombreras, chimeneas, etc),
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además de las variaciones geológicas del medio representan una gran economía y rentabilidad en el diseño e instalación de un sistema de control instrumental (monitoreo) con el fin de dar seguridad a las labores ejecutadas. Como es obvio, en un caso particular exige siempre un estudio especifico basado en una investigación "In-situ”. El propósito primario de la investigación "in-situ” es de determinar hasta que punto afecta o puede afectar a la explotación del deposito y/o yacimiento minero y viceversa. Los limites del equilibrio y los coeficientes de seguridad resultan necesariamente del conocimiento y de la importancia del medio-explotación. Para elaborar el presente trabajo técnico se ha considerado lo siguiente: A.- El reconocimiento de la validez de la técnicas y/o procedimientos de monitoreo en minería, no solamente como base de todo el control de seguridad, sino como una imperiosa necesidad de protección del recurso humano. B.- Aportación de varias ciencias, como la Geotecnia, Mecánica de Rocas y de Suelos, y ramas afines. C.- La experiencia obtenida en trabajos de diseño de sistemas de control instrumental(monitoreo) en labores subterráneas y superficiales. D.- La especialización en el procedimiento de la operatividad de los equipos y/o instrumentos ópticos, eléctricos, electrónicos, mecánicos, etc. Que permitan cuantificar con mayor precisión parámetros y magnitudes que afectan o pueden afectar.
4 .1 0 . C O N S ID E R A C IO N E S G E N E R A L E S A continuación se detalla esquemáticamente las consideraciones generales para el estudio 4.10.1.- ESTUDIO DE L MEDIO Geometría y propiedades: Muestra representativa de la roca intacta, macizo rocoso, disyunción de la masa rocosa, defectos en la roca o en la masa rocosa.
4 . 1 0 .2 . - E S T U D I O D E L C A M P O Y S U C A M B IO E N E L T IE M P O * Tensiones internas - compresión natural. * Deformaciones y tensiones que son originadas debidas a cargas impuestas. * Filtración y presiones insterticiales. * Temperatura. * Elasticidad. * Comportamiento reologico. * Rotura. 4 .1 0 .3 .- M A S A R O C O S A * Tipos de rocas, composición, clasificaciones. * Petrografía, estructura interna, porosidad, fisuras tectónicas. * Estratificación y esquistocidad. * Anisotropías, discontinuidades, heterogeneidades, zonas descomprimidas.
alteradas
y
4.10.4.- TENSIONES INTERNAS * Efectos del peso. * Tensiones tectónicas residuales. * Expansión de la masa rocosa en zonas profundas. * Influencia en las tensiones internas de fallas, plegamientos, zonas de alteración, etc. * Estado de cierre de fallas, diaclasas, reología de las masas rocosas, anisotropía, sobrecarga y rotura de revestimiento y soportes, etc. 4 .1 0 .5 .- D E F O R M A C I O N E S D E L A M A S A R O C O S A * Relación esfuerzo - deformación, efectos del tiempo, temperatura, presiones insterticiales. * Ciclo de carga y descarga asentamientos, colapsos, hundimiento, cierre de diaclasas, inelasticidad, endurecimiento, consolidación, dilatación, fluencia. * Ensayos de carga "In-situ”.
* Estudios geofísicos de deformación. 4 .1 0 . 6 .- F IL T R A C I O N E S Y P R E S I O N E S IN S T E R T I C IA L E S * Definición del medio poroso y del régimen de filtración. * Coeficiente de permeabilidad. * Efectos del estado tensional en la filtración. * Tensiones efectivas y tensiones neutras. * Percolación. 35 4.10.7.- ROTUR A * Rotura de los materiales. * Estabilidad de vertientes, laderas, túneles, galerías, pilares, escombreras, bancos, tajos, chimeneas, cimentaciones, diques, superficies, frentes de explotación, etc. * Deslizamientos, asentamientos, hundimientos, colapsos, etc. 4 .1 0 . 8 .- T R A B A J O S E N M IN E R I A * Sistemas de perforación. * Desmonte, transporte y deposito. * Escombreras. * Voladuras (Cálculos, efectos, etc.). * Materiales de refuerzo, soporte, revestimiento, grouting, relleno. * Tratamiento del macizo rocoso y de los suelos. * Anclaje y pretensado. * Muros y obras de soporte, retención y contención. * Maquinas, equipos, instrumentos, motores, etc. Su influencia en el medio. Algunos de los instrumentos utilizados para el monitoreo o control, trabajan con el fin de aportar la mas exacta información para el mismo modo llegar a la mejor solución. Las mediciones en un control instrumental (monitoreo) deben ser tomadas con bastante cuidado para obtener un alto porcentaje de confiabilidad (o credibilidad) en los análisis de los datos. 4 . 1 1 .- IN S T R U M E N T A C I Ó N A continuación se describe una relación de aparatos, equipos y/o instrumentos más utilizados en el control instrumental (monitoreo). 4 .1 1 . 1 .- M E D I D A S D E C A R G A
* Ensayos en galería con permeabilidad de la roca.
el fin
de conocer su estabilidad y
4 .1 1 .2 .- E S F U E R Z O - D E F O R M A C IÓ N Estas mediciones se realizan por medio de equipos y/o instrumentos: * Células de presión. * Equipos de cuerda vibrante. * Cintas extensometricas. 36 4 .1 1 . 3 .- P R E S I O N I N S T E R T I C I A L Y T E N S I O N E S D E B I D A S A L A H U M E D A D D E L S U E LO * Piezómetros eléctricos. * Piezómetros pneumáticos. 4.11.4.- PRES ION DE TIERRA , PRES ION DINA MICA , TEN SIÓN N O R M A L Y D E C O R T E Y E S T A D O DE T E N S I O N E S EN MASAS DE ROCA O DE SUELO * Células de presión eléctricas. * Células de presión Hidráulicas. * Extensometros. 4 .1 1 .5 .- M O V IM I E N T O S S U B T E R R Á N E O S * Métodos convencionales. * Triangulación. * Rayos láser. * Fotogrametría. * Cintas extensometricas. * Extensometros simples, múltiples y de rodillos. * Inclinómetros. * Aparatos de hilo tensionado (hilo invar). 4 .1 1 . 6 .- M O V I M I E N T O S S U P E R F I C IA L E S * * * * * *
Métodos convencionales Triangulación Rayos láser Cintas extensometricas Extensometros simples, múltiples y de rodillos. Inclinómetros.
CAPÍTULO V 5.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS En el presente Capitulo se detalla una serie de equipos e instrumentos de Laboratorio de Mecánica de Rocas. 5 .1 .- P R E P A R A C I O N D E P R O B E T A S : La preparación de probetas, de muestras rocosas y minerales, se realiza mediante la Sonda Sacatestigos y la Cortadora de Disco Diamantino con sus respectivos accesorios. 5 . 1 .1 . - S O N D A S A C A T E S T I G O S La sonda sacatestigos tiene como objetivo primordial la obtención de probetas de roca y/o minera, En la Foto N° 1 se aprecia la sonda sacatestigos perforando una muestra de acuerdo al programa de ensayos a ejecutarse para un determinado Estudio de Mecánica de Rocas. Esta maquina se caracteriza por ser manual y automática.
Foto N° 1 En la Foto N° 2 se aprecia la Maquina Sonda Sacatestigos refrentando una probeta para ser ensayada de acuerdo a los estándares el ISRM., por ejemplo:
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para el ensayo de Compresión Simple y/o Uniaxial, para el ensayo de Constantes Elasticas, para el ensayo Triaxial. Donde se requiere que las bases superior e inferior de las probetas, tenen que estar refrentadas, por la razón que al momento de ejecutar el ensayo la carga aplicada debe ser uniformemente repartida en toda la superficie de ambas bases.
Foto N ° 2 En la Foto N° 3 se aprecia Brocas de diferentes diámetros (2”, 3”, 3.5”, 4”, 5”), Nivelador, tornillo de ajuste para cada diámetro de probeta, ajustador de tuercas, refrentadora y accesorio para refrentar.
Foto N° 3
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En la Foto N° 4 se aprecia el equipo completo para el refrentado, que se instala en la Sonda Sacatestigos.
Foto N° 4 5 . 1 .2 . - C O R T A D O R A D E D IS C O D I A M A N T I N O El objetivo de la Cortadora de disco diamantino es dimensionar a cada probeta de roca y/o minera, en su longitud en relación a su diámetro, que resulta de la perforación con la sonda sacatestigos, de acuerdo a los estándares (Relación de Esbeltez) de cada uno de los ensayos ha ejecutarse en el programa planificado. En la Foto N° 5 se puede apreciar a la Cortadora de disco diamantino, maquina que se caracteriza por ser manual y automática.
Foto N° 5 En la Foto N° 6 se aprecia una probeta rocosa cortándose de acuerdo a su relación de esbeltez (L/D), sobre la cual será realizado el ensayo de laboratorio para la determinación de sus propiedades fisico-mecanicas.
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Foto N° 6 5 .2 .- E N S A Y O S Y M E D IC IO N E S E N L A B O R A T O R I O 5.2.1.- PRO PIEDADES FÍSICAS La determinación de las propiedades físicas se basa en el establecimiento de los pesos y volumen de la probeta de roca y/o mineral, siendo los equipos y accesorios en la mayoría de los casos los de un laboratorio químico y/o metalúrgico. Y están constituidas por: Una balanza de precisión en grs. Un horno ventilado. Vasos de precipitación. Lunas de reloj. Tenazas de fierro. Agua destilada. 5 . 2 .2 . - P R O P I E D A D E S M E C A N I C A S 5 . 2 .2 . 1 .- M A Q U I N A D E C O M P R E S IÓ N D E R O C A S La determinación de las propiedades mecánicas, como es el caso de los ensayos de compresión simple y/ uniaxial, ensayo de tracción indirecta brasilero, ensayo Triaxial, ensayo para la determinación de constantes elásticas, son ejecutados en la Maquina de Compresión de Rocas, con la finalidad de determinar las características de deformabilidad y de rotura de la roca y/o mineral, en compresión. En la Foto N° 7 se aprecia a la maquina de compresión de rocas, consta de tres partes importantes al lado derecho un tablero de control de carga; caracterizada por su capacidad de carga en este caso la maquina tiene una capacidad de 100 Tn. métricas, en el centro se ubica la parte de la maquina donde se ejecutan los ensayos, caracterizado por dos columnas con roscado sin fin y un puente con sus respectivos platos para ejecutar el ensayo y en la parte izquierda se encuentra un tablero donde se encuentra los manómetros y llaves para ejecutar el ensayo Triaxial, con su respectivo compresor, esta maquina se caracteriza por ser alimentada por corriente eléctrica trifásica.
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Foto N° 7 5 . 2 .2 . 2 .- M A Q U I N A D E C O R T E D I R E C T O En esta maquina portátil se ejecuta el ensayo de corte directo sobre discontinuidades, cuyo objetivo es la determinación de los parámetros friccionantes: Cohesión “C” y ángulo de fricción “0 ¡” basica y residua. En la Foto N° 8 se puede apreciar la maquina de corte directo, constituida por dos gatas hidráulicas, una caja metálica para los moldes de concreto, con sus respectivos accesorios.
Foto N° 8 5 .2 .2 .3 .- M A Q U IN A D E C A R G A P U N T U A L Esta Maquina portátil se caracteriza por ser una pequeña prensa hidráulica provista de “conos de carga” entre cuyos vértices se colocan probetas de roca y/o mineral, sometiéndolas a cargas compresivas, según la disposición de la probeta entre conos se mide ya sea el índice Franklin o el índice Louis, éstos asisten al ingeniero en la caracterización de la resistencia mecánica y comportamiento más probable de la roca, puesto que pueden ser
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correlacionados experimentalmente a la resistencia compresiva uniaxial y a la resistencia a la tracción. En la Foto N° 9 se puede apreciar la maquina portátil de carga puntual, cuyos componentes son: la gata hidráulica, un manómetro de lectura de carga en lbs, un ajustador de la probeta.
Foto N° 9 5.3.- ENS AYO S Y ME DICIONES IN-SITU 5 . 3 .1 . - S IS M O G R A F O Utilizando ondas ultrasónicas que se hacen propagar en el medio rocoso, se realizan mediciones de las velocidades de ondas longitudinales y transversales, a partir de los cuales se determinan las constantes elásticas dinámicas: Modulo de Elasticidad Dinámico “Ed” y Relación de Poisson Dinámico “?d”. Se usa para tal fin un sismógrafo que puede efectuar mediciones en la misma operación minera. En la Foto N° 10, se aprecia el sismógrafo en el tajo Raúl Rojas de la Unidad minera de Cerro de Pasco, durante la fase minera unitaria de Voladura.
Foto N° 10
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5 .3 . 3 .2 . 2 ..- M A Q U IN A D E A R R A N Q U E D E P E R N O S 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 “Pulí 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. En la Foto N° N° 11 11 se aprecia aprec ia a los compone comp onente ntess de la maquina maquin a de arranque arran que de pernos (Rock Bolt Tester), la gata hidráulica, los puentes, bomba hidráulica, pistón con el arrancador del perno y un guía de orientación de la perforación del taladro.
Foto N° 11 En la Foto N° 12 se aprecia el ensayo de arranque de pernos en la mina Huanzala de la Compañía Minera Santa Luisa, ensayo ejecutado sobre un perno cementado en el Nivel APN, Nivel principal de extracción.
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5 . 3 .3 .3 . - E X T E N S O M E T R O D E V A R R I L L A S E I N C L I N O M E T R O Las mediciones de desplazamientos en el interior del macizo rocoso se realizan con el fin de controlar los desplazamientos o movimientos relativos dentro del macizo rocoso asociados con problemas de inestabilidad o durante la ejecución de labores mineras subterráneas y superficiales, instrumentándose taladros de gran profundidad, utilizando un Extensometro Mecánico y/o Hidráulico de Varillas de Anclaje Múltiple, con el cual se evalúa los desplazamientos midiendo los cambios camb ios progresivos progres ivos de la componente compo nente axial de la deformación deformac ión y un Inclinómetro para evaluar los desplazamientos horizontales, a través de los cambios progresivos en el ángulo de inclinación del taladro vertical instrumentado, producido como resultado de la deformación de la masa rocosa. 5 . 3 .4 .4 . - E X T E N S O M E T R O En la Foto N° 13 se aprecia a los componentes del extensometro hidráulico de varillas y sus accesorios, accesorios, tubo de anclaje, placas de medición y dirección, dirección, equipos de medición, gata hidráulica y cableado, accesorios de la cabeza de lectura.
Foto N° 13 5.3.5.- INCLINÓMETROS En la Foto N° 14 se aprecia a los componentes del inclinómetro y sus accesorios: canales de aluminio, instrumento de medición, batería, instrumento de lectura, cables y accesorios de medición.
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Foto N° 14 5 .3 . 3 .6 . 6 .. - E X T E N S O M E T R O D E C IN IN T A Y B A R R A T E L E S C O P IC A El objetivo es medir la convergencia o expansión, es decir las variaciones de las distancias en función del tiempo, entre los puntos de referencia situados sobre el contorno de una excavación subterránea, siendo estas mediciones importantes para el control de deformaciones en estudios relacionados al comportamiento del macizo rocoso y al diseño de excavaciones subterráneas : utilizando el extensometro de cinta y la Barra telescópica extensometrica. 5 . 3 . 6 . I .. - E X T E N S O M E T R O D E C IN IN T A En la Foto N° N° 15 se aprecia, aprecia, ejecutándo ejecu tándose se mediciones med iciones de convergencia, converge ncia, utilizando el extensometro de cinta, en el by pass 725, de la Rampa norte del Nivel 1870, de la mina San Vicente de la Compañía Minera San Ignacio de Morococha.
Foto N° 15
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5 .3 .6 .2 .- B A R R A T E L E S C O P I C A E X T E N S O M E T R IC A En la Foto N° 16 se aprecia, realizándose mediciones entre dos puntos (techopiso) de la labor minera subterránea, con la Barra telescópica extensometrica, con el objeto de ver su comportamiento del techo respecto al piso de la excavación, dichas mediciones se realizan en la Mina Juanita de la Compañía Minera Perubar S.A.
Foto N° 16 5 . 3 .7 . - M A R T I L L O S C H M I D T DE D U R E Z A Denominado también esclerómetro o martillo estandarizado, nos permite obtener valores de dureza de la roca por el procedimiento del rebote; con el fin de determinar en forma rápida valores aproximados de parámetros de diseño como la estimación de la resistencia compresiva, en función a la densidad de la roca. 5.3.8.- PIEZOM ETRO S 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.
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5 . 3 .9 . - E S T A C IO N T O T A L 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. En la Foto N° 17 se aprecia el punto fijo (punto N°1), del control de subsidencia en la mina Graciela, para el control del comportamiento de las labores mineras subterráneas de la mina Juanita (Block 18),
Foto N° 17 En la Foto N° 18 se aprecia los puntos de monitoreo, del blocK 18, ubicados en los bordes de la carretera central, mediante prismas.
Foto N° 18
CAPÍTULO VI 6 .- PROCEDIMIENTO S DE ENSAYO
Ensayos estándares para la determinación de las propiedades FísicoMecánicas de las rocas.
6.1.- LABORATORIO 6.1.1.- PRO PIEDADES FÍSICAS 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 105° - 110°C, El Peso Saturado, se obtiene sumergiendo a la probeta en agua destilada. Para determinar dichos pesos se lleva un registro periódico de los pesos, el lapso de secado y saturado de las muestras rocosas se obtiene aproximadamente en 48 horas, determinado cuando la diferencia entre dos pesadas sucesivas no exceda de 0.01 grs. El Volumen de la probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada se determina mediante probetas simétricas y/o probetas irregulares, mediante el principio de Arquímedes, en el caso particular de probetas irregulares. Las relaciones matemáticas que definen las propiedades físicas son: Densidad
Peso
=
P eso S eco Volumen
especifico
Porosidad
(gr/cm2)
Aparente
Aparente
(P.a.)
(P.E.a.) =
= Peso Seco x 9.81 Volumen
Peso Saturado - Peso Seco ? w x Volumen
x 100
(KN/m3) (%)
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Absorción
(en
peso)
=
Peso Saturado - Peso Seco Peso Seco
x 100
(%)
Donde: ?w = Densidad del agua (gr/cm3). 6 . 1 .2 . - P R O P I E D A D E S M E C A N I C A S 6 . I . 2 . I . - E N S A Y O D E C O M P R E S I Ó N S IM P L E Denominado también ensayo de Compresión Uniaxial, este ensayo consiste en aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, a probetas rocosas y/o minerales cilindricas, hasta producir su rotura, como se aprecia en la Foto N° 19.
Foto N° 19 6.1.2.1.1.- 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). 6.1.2.1.2.- 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:
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8s„ 7 + 2D / L Donde: do = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 2. dc = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D ? 2. L = Longitud de la Probeta. D = Diámetro de la Probeta. 6 . 1 .2 .1 . 3 .- F A C T O R D E C O R R E C C I O N D E O V E R T D U V A L L Cuando la relación de esbeltez es L/D ? 2, se puede aplicar el factor de corrección dado por Overt Duvall - 1981 (Rock Mechanic's and the desing of Structures in Rock): s s 0 c 0.778 + 0.222D / L Donde: do = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 1. dc = Resistencia Compresiva uniaxial con 2 >L/D >1/3. L = Longitud de la Probeta. D = Diámetro de la Probeta. 6 .1 .2 .1 .4 .- F Ó R M U L A M A T E M Á T IC A : dc = P/A Donde: dc= Resistencia Compresiva de la roca P = Carga última de rotura de la probeta (Kg). A = Area de la probeta (cm2).
y/o
mineral
en
(Kg/cm2).
En algunos casos se aplica el procedimiento de Protodyakonov, para la determinación de la Resistencia Compresiva de probetas irregulares, basado en la teoría estadística del "t” de Student, cuyas muestras rocosas y de minerales se preparan teniendo en cuenta la relación de esbeltez (L/D = 1”), a mayor cantidad de mues tras en say as mayor será el grado de confiabilidad. Estos ensayos por su fácil determinación se pueden ejecutar en máquinas de compresión de rocas de laboratorios de resistencia materiales y/o mecánica de suelos.
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6 .1 .2 .2 .- E N S A Y O D E BRASILERO
TRAC CIÓN
IN D I R E C T A - M E T O D O
El ensayo consiste en someter a una probeta cilindrica (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, como se aprecia en la Foto N° 20.
Foto N° 20 6.1.2.2.1.- RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguiente relación: Donde:
L/D = 0.5
L = Longitud de la probeta (cms). D = Diámetro de la probeta (cms). 6 .1 .2 .2 .2 .- F Ó R M U L A M A T E M Á T IC A : dt = 2P/pDL Donde: dt = Resistencia a la tracción indirecta de la roca y/o mineral en (Kg/cm2).
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P D L p
= Carga última de rotura de la probeta (Kg). = Diámetro de la probeta (cm). = Longitud de la probeta (cm). = Constante.
6 . I .2 . 3 . - E N S A Y O PAR A ELASTICAS
D E T E R M IN A R
CONSTAN TES
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 “ eA” (acortamiento longitudinal) y diametrales “ eD” (expansión lateral). Las constantes elásticas “ E” (Modulo de Deformación) y “ ? ” (Relación de Poisson) están definidas por las siguientes formulas matemáticas:
D v =-eD eA
Donde: E = Modulo de Deformación y/o de Elasticidad. ? = Relación de Poisson. d 1 = 50% de la Resistencia Compresiva. eD = Deformación Unitaria Diametral. eA = Deformación Unitaria Axial. Estos valores corresponden al 50% de la Resistencia Compresiva o carga de rotura (d1 = 0.5 dc). El modulo de deformación es el secante. 6 .1 .2 .4 .- E N S A Y O D E R E S I S T E N C IA A L A C A R G A P U N T U A L 6 .1 .2 .4 .1 .- E N S A Y O D E C A R G A P U N T U A L “ F R A N K L IN ” 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, como se aprecia en la Foto N° 21.
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Foto N° 21 6.1.2.4.1.1.- RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación: Donde:
L/D = 1.4
L = Longitud de la probeta (cms). D = Diámetro de la probeta (cms). 6 . 1 .2 .4 . 1 .2 . - F Ó R M U L A M A T E M Á T I C A : Is = P/D2 Donde: s = Índice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm2). P = Carga última de rotura (Kg). D = Diámetro de la probeta (cms). Estimación de la “dc”, en relación a la Carga Puntual. 6 . 1 .2 .4 . 1 .3 . - F Ó R M U L A M A T E M Á T I C A : dc = ( 14 + 0.175 D) Is
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Donde: dc = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm2). D = Diámetro de la probeta en mm. 6 .1 .2 .4 .2 .- E N S A Y O D E C A R G A P U N T U A L “ L O U I S ” 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, como se aprecia en la Foto N° 22.
Foto N° 22 6.1.2.4.2.1.- RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación: Donde:
L/D = 1
L = Longitud de la probeta (cms). D = Diámetro de la probeta (cms). 6 . 1 .2 .4 . 2 .2 . - F Ó R M U L A M A T E M Á T I C A : Il = P/S
Donde: IL = Índice de Carga Puntual Louis (Kg/cm2).
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P = Carga última de rotura (Kg). D = Area de rotura (cms2). 6 . 1 .2 .5 . - E N S A Y O D E C O M P R E S I Ó N T R IA X I A L Colocando probetas cilindricas con relaciones L/D = 2, dentro de una celda triaxial y aplicando una presión de confinamiento lateral d3 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 d 1 (Esfuerzo principal mayor). Con los datos de d1 y d3 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 0i de la roca y/o mineral, como se aprecia en la Foto N° 23.
Foto N° 23
6 . 1 .2 .6 . - E N S A Y O DE COR TE DISCONTINUIDADES
DIRECTO
SOB RE
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, como se aprecia en la Foto N° 24.
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Foto N° 24 El ensayo consiste en cizallar la probeta a través de la superficie de discontinuidad, sometiéndola a un Esfuerzo Norma constante “dn”. El Esfuerzo de Corte “tc” para iniciar y mantener el desplazamiento, es determinado para un rango de esfuerzos normales. Durante los ensayos se miden los desplazamientos “?“ 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 residua, a través de la superficie de discontinuidad, como se aprecia en la Foto N° 25.
Foto N° 25
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6.1.3.- CONDICION DE ENSAYOS Los diferentes detalles sobre las condiciones particulares de cada ensayo a ejecutarse en el Laboratorio de mecánica de Rocas, se enmarcan dentro de los procedimientos estandarizados para este tipo de trabajo especialmente se deben tener en cuenta los métodos sugeridos por la comisión de estandarización de Ensayos de Laboratorio e In-situ de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM). De modo general, las velocidades de carga aplicadas durante los ensayos compresivos deben estar en el rango recomendado de 5 a 10 Kg/cm2/seg. (0.5 MPa - 1.0 MPa/seg.), éstas velocidades de carga le dan el carácter de estático a las propiedades mecánicas determinadas. De acuerdo a las caracteristicas del agua subterránea de los lugares donde se han de extraer las muestras rocosas y minerales, estas serán ensayadas ya sea en condiciones seca, de humedad natural o saturada, lo que se señala oportunamente en cada ensayo o de lo contrario hay que guiarse del programa de ensayos a ejecutarse. A fin de racionalizar la cantidad de ensayos, las resistencias compresivas reportadas pueden ser obtenidas de los ensayos de constantes elásticas (Deformabilidad en Compresión Uniaxial), Asi mismo en el ensayo triaxial se pueden utilizar datos de la resistencia compresiva uniaxial, resistencia a la tracción para el calculo de la Envolvente de Mor . En cuanto a la representatividad de las muestras y de los resultados de los ensayos, se debe señalar con respecto al primero, que durante la campaña de muestreo o acopio de muestras rocosas y/o minerales se debe tatar en lo posible de extraer muestras representativas de su entorno físico, con respecto al segundo punto, el dimensionamiento y/o el programa de los ensayos deben ser ejecutados de acuerdo a los objetivos del estudio de Mecánica de Rocas, de modo tal que los parámetros obtenidos sean utilizados en los diferentes modelos de análisis. En este sentido, los resultados obtenidos son el promedio de ensayos ha ejecutarse sobre probetas que en número que varían de 4 a 5 por muestra, para una mejor interpretación de los resultados, teniendo en consideración aún la opción de promediar parámetros en concordancia con los otros aspectos que comprende el proyecto integral, en especial con los resultados de algunos ensayos in-situ y del análisis litológico-estructural.
6.2.- IN-SITU 6 . 2 .1 . - E N S A Y O D E R E B O T E “ R ” El objeto de conocer la dureza de una roca, mediante el Martillo Schmidt,
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es poder estimar su Resistencia Compresiva, para ser tomada en cuenta en el diseño de las Fases y/u operaciones Mineras Subterráneas y Superficiales. 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. 6.2.1.1.-TIPO S 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 “: RL = -3.4 + ( 0.83 RN ) + ( 0.00295 R N ) Donde: RL = Número de rebote en el martillo tipo “L” RN = Número de rebote en el martillo tipo “N” 6 . 2 .1 .2 . - P R O C E D I M IE N T O D E E N S A Y O Con el Martillo Schmidt de Dureza, se determina la cantidad de rebotes necesarios para un mejor análisis, considerando que a mayor cantidad de ensayos mayor será el grado de confiabilidad en los resultados “t” Student, en diferentes posiciones, en un mismo tipo de roca, tomando en cuenta la longitud ensayada o el área; procediéndose además a ecolectar una muestra de la roca ensayada. A continuación se presenta una tabla para la corrección por la posición del martillo Schmidt de Dureza, al momento de realizarse el ensayo, considerando que para los calculos en ganibete se debe corregir sobre cada uno de los rebotes ejecutados : REBOTE
HACIA ABAJO
“ R”
a = - 90°
10 20
0 0 0 0 0 0
30 40 50 60
a = - 45° - 0.8 - 0.9 - 0.8 - 0.7 - 0.6 - 0.4
HACIA ARRIBA
HORIZONTAL
a = + 90° a = + 45° - 8.8 - 6.9 - 7.8 - 6.2 - 6.6 - 5.3 - 5.3 - 4.3 - 4.0 - 3.3
a = 0° - 3.2 - 3.4 - 3.1 - 2.7 - 2.2 - 1.7
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6 .2 .1 .3 .- T R A B A J O D E G A B I N E T E Para el calculo de la estimación de la resistencia compresiva se debe tomar en cuenta los estándares del ISRM (Society International For Rock Mechanic's), considerando el Número de rebote, definido como: “ La media aritmética de los 5 valores o índices más altos de todos los ensayos ejecutados con el Martillo Schmidt de Dureza” y aplicando la siguiente formula matemática: Log dc = 0.00088?R + 1.01 Donde: dc = Resistencia Compresiva de la roca en MPa. ? = Densidad de la roca en KN/m3. R = Rebote del Martillo tipo “L”. 6 .2 .2 .- M E D IC IO N E S D U R A N T E L A V O L A D U R A Durante el proceso de la voladura se producen vibraciones a través del macizo rocoso, estas vibraciones son detectadas mediante el registro de las ondas: - Longitudinal. - Vertical. - Transversal. El registro de estas ondas nos permite predecir el efecto que producirán al efectuarse la voladura. 6 .2 .2 .1 .- C R IT E R IO S P A R A E L C O N T R O L D E L A V O L A D U R A La tecnología moderna en el ámbito de la voladura considera aspectos como: la energía con la relación a la potencia, el macizo rocoso con relación a la geometría y el tiempo con relación a los tres estados de la materia (liquidosolido-gaseoso). La voladura como operación minera unitaria de un plan de minado para la explotación de un yacimiento y/o deposito minero tiene una incidencia importante en la secuencia del ciclo de minado: Perforación, limpieza, carguio, transporte. Los factores que influyen en la voladura son: El e x p lo s iv o , considerando sus: relaciones químicas, el balance químico, las leyes de la termodinámica para el calculo; de la masa y energía; el efecto de las presiones sobre la roca y las propiedades físicas y químicas del explosivo. El m a c iz o r o c o s o , considerando. Las propiedades geomecánicas del macizo rocoso; cuantificando además el esfuerzo compresivo dinámico y el esfuerzo tensivo dinámico, que permiten relacionar la resistencia a los
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cambios de forma que el macizo rocoso pueda tolerar antes y después del fracturamiento; la velocidad, amplitud y frecuencia de onda, estos parámetros están referidos al efecto de inercia, cuantificando el movimiento del macizo rocoso, en sus tres direcciones (vertical, longitudinal y transversal), afectada por la detonación. G e o m e trí a d e la v o la d u ra , la base de la tecnología moderna de voladura de rocas es la “Interacción explosivo/roca”, mediante el cual se puede: planificar, diseñar, predecir y analizar los resultados, de tal forma que se puede medir y expresar con valores reales los efectos, tendencias y cambios que podrían realizarse para optimizar la voladura de rocas en cualquier plan de minado. 6 .2 .2 .2 .- E Q U IP O P A R A E L C O N T R O L D E L A V O L A D U R A Como se puede apreciar en la Foto N° 26, el control de la voladura (medición de las ondas después de la detonación), se esta efectuando con un sismógrafo en el Tajo Raúl Rojas de la U.P. de Centromin Perú, hoy en día existen una variedad de equipos para este tipo de control.
Foto N° 26 6 .2 .2 .3 .- V A R I A B L E S A C O N S I D E R A R S E 6 . 2 . 2 . 3 . I. - V E L O C I D A D M Á X I M A D E O N D A La velocidad de la onda (longitudinal, vertical y transversal) es calculada a través de los registros del sismógrafo utilizando la siguiente relación: V = - P L tMAG
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Donde : A = Amplitud de onda. p = Constante. MAG = Constante de amplificación del sismógrafo usado. t = Intervalo de tiempo de arribo de la onda. 6 . 2 .2 .3 . 2 .- D E S P L A Z A M I E N T O D E O N D A S El desplazamiento de la onda como consecuencia de las vibraciones se calcula con la siguiente relación: D = (1/2)A Donde:
MAG
D = Despl azamiento de la onda resultante. (1/2)A = Distancia del punto medio de la ond a a la cúsp ide en el instante de su mayor desplazamiento aparente. MAG = Magnificación estática del sismógrafo. 6 . 2 .3 . - D I S E Ñ O E I N S T A L A C I Ó N D E P I E Z O M E T R O S Y P O Z O S DE MONITOREO 6 . 2 .3 .1 . - M E T O D O S D E P E R F O R A C IÓ N El equipo de perforación necesario para obtener un barreno abierto, estable para la instalación de un piezómetro de pen de rá de la geología, hidrológica del emplazamiento y de la profundidad requerida de la instalación. Cuando sea posible, se utilizará méto dos de perforación que no requieran la introducción de agua o fluidos de perforación . Además, se aplicara métodos que retiran eficazmente los detritus de perforación. Normalmente en minería los piezómetros construidos hasta la fe cha y previstos a futuro, puede considerarse como instalaciones “profundas” ( es decir, mayores de 50 metros).Como resultado, se ha utilizado la circulación invertida, la perforación de roto-percusión para pozo de sondeo y es el método recomendado. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la instalación de piezómetros requiere más que un agujero en el suelo. El barreno debe ser estable, recto y perpendicular, es decir, sin una desviación excesiva de la linea vertical. La causa principal de que un agujero no esté recto o perpendicular es la presión de tracción excesiva en la broca. Por lo tanto, el perforador debe recordar que “más lento es más recto”.
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6 .2 .3 .2 .- C O N T R O L D E C A L I D A D - G A R A N T I A DE C A L ID A D Un plan para el control de calidad/garantia de calidad (QC/QA) es una parte integral de cualquier programa exitoso de instalación de piezómetros. Este garantiza que los datos reunidos estén completos, sean precisos, exactos y puedan utilizarse para sus propósitos sin reserva. Generalmente la garantía de calidad (QA) se refiere a aquellas áreas de la obra que no se relacionan directamente con el control del investigador y el control de calidad (QC) se refiere a aquellas áreas que se relacionan directamente con el control de la persona responsable de la recopilación de la información. De manera ideal, un plan QA/QC esta integrado al programa de perforación y se aplica como una parte importante de cada etapa del plan, como la preparación, procedimientos de campo y registro. La información contenida en el Sistema Operativo de Perforación (SOP) se relaciona con QA/QC. Rubros tales como registro del equipo utilizado, registro de situaciones disconformes, limpieza y desinfección adecuadas del equipo y mantenimiento de registros. La garantía de calidad empieza con el registro de todas las actividades que se realizan en el emplazamiento, desde el inicio hasta el termino del proyecto. Se debe llevar un registro diario de todas las actividades. Este registro debe incluir: - Inicio y detención de la obra. - Nivel del agua en reposo antes de empezar el trabajo y al final de cada turno - Condiciones de la perforación. - Formaciones geológicas y zonas de fallas. - Zonas productoras de agua. El control de calidad empieza con un registro de lo siguiente: - Materiales utilizados. - Descripción completa de las herramientas utilizadas en el agujero. - Cualquier falla mecánica. - Accidentes o lesiones. La descripción de las herramientas debe incluir: - Longitud de cada junta de la tubería de perforación y entubado. - Diámetro del interior y exterior. - Un bosquejo del montaje del barreno tendido como trépanos, martillo y brocas trepano de paso. Un aspecto critico del control de calidad incluye conocer siempre la profundidad del barreno. Para facilitar esto, se debe hacer un conteo continuo de todas las herramientas utilizadas en el barreno. Cuando el agujero alcanza la profundidad final, se debe medir cuidadosamente la profundidad total.
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Se debe realizar un conteo similar cuando se instala la criba y el entubado. Una diferencia entre el conteo de tubería y el conteo de entubado puede indicar el derrumbe del agujero y requerir una limpieza adicional del barreno antes de instalar la criba y el entubado. El agua utilizada para perforar el barreno, limpiar el equipo, mezclar la lechada y limpiar (desarrollar) el piezómetro debe obtenerse de una fuente de química conocida que no contenga contaminantes que puedan afectar los materiales utilizados en la instalación o de muestras de calidad de agua que van a tomarse. Las muestras de agua para la perforación y desarrollo (limpieza), paquete de filtro, cierre anular y lechada de relleno anular mezclada introducidas en el barreno deben ser retenidas como muestras de QA/QC hasta el término de la primera ronda de muestreo y análisis de aguas subterráneas. 6 .2 .4 . S I S T E M A D E C O N T R O L I N S T R U M E N T A L S U B T E R R A N E O El programa de control de estabilidad en el interior de la mina, se basa en el control instrumental de las deformaciones de sus diferentes componentes estructurales, principalmente en las Labores de Desarrollo, Preparación y Explotación. 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. El relativo desplazamiento o cambio en la distancia entre puntos de referencia situados sobre los bordes de la excavación en un periodo de tiempo dado, controlará la deformación y/o movimiento de un determinado componente estructural de la mina, Uno de los procedimientos para medir distancias entre dos puntos con precisión, velocidad y repetitivamente, es el uso de extensometros mecánicos. El sistema de control subterráneo se estable en base a: - Las especificaciones del diseño inicial. - Las observaciones visuales detalladas durante los trabajos de campo, conjuntamente con los profesionales a cargo de la operación de la mina. - La experiencia de la especialidad en este tipo de trabajos. - Los métodos sugeridos por el ISRM (Society International For Rock mechanic’s).
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Según estas consideraciones se ubicarán los sensores en zonas criticas y accesibles para la periodicidad de las mediciones. 6.2.4.1.- INSTALACION DEL EXTENSOMETRO DE VARILLAS DE 6 P O S I C IO N E S M O D E L O 5 1 8 1 19 El extensometro de varillas de 6 posiciones está compuesto por ocho componentes principales. Estos son: 1.- Anclajes hidráulicos 2.- Varillas de medición de acero inoxidable de % “de diámetro. 3.- 80 tubos protectores rígidos de PVC de % “. 4.- Un tubo galvanizado para collar de referencia de 3 “ de diámetro. 5.- Ensamblaje de la cabeza de referencia. 6 .- Placa de referencia de acero inoxidable. 7.- Tapa protectora de tubería. 8 .- Mecanismo mecánico de lectura, removible. El extensometro es capaz de operar verticalmente, inclinado u horizontalmente. La varillas de acero inoxidable son encajados dentro de los tubos PVC y el taladro es rellenado con lechada de cemento después de su instalación. La cabeza de referencia esta diseñada para permitir un fácil acceso a la placa de referencia, posible mantenimiento y protección del daño. 6 . 2 .4 .1 . 1 .- D E T A L L E S D E L A P E R F O R A C I Ó N El sistema esta diseñado para una medida de taladro mínimo NX (3” de diámetro). El taladro debe ser estable y libre de obstrucciones antes de la instalación del instrumento. Antes y durante la instalación, el taladro puede ser enfundado con un entubado de juntas lisas de 3 pulgadas de diámetro interno. Los tres o cuatro pies del tope del taladro debe ser lo suficientemente grande para acomodar el tubo galvanizado interior del collar de referencia la cual soporta el ensamblaje de la cabeza. 6.2.4.1.2.- PROTECCIÓN DE LA CABEZA DEL INSTRUMENTO La cabeza de referencia con su tapa 'protectora deberá ser protegida de los daños debido a la actividad de construcción. Una adecuada cubierta o recinto hecho de acero, concreto o ladrillo deberá ser lo suficientemente grande para acomodar la cabeza del instrumento y al mismo tiempo permitir el acceso para la toma de lecturas y para el mantenimiento. 6 .2 .4 .1 .3 .- S E C U E N C IA MÚLTIPLE
DE
IN S T A L A C IÓ N
DEL
AN CLA JE
Los anclajes hidráulicos están equipados con tubería de nylon de %“, de alta
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presión, rellenados de aceite y con suficiente longitud, para ser ubicados a una profundidad adecuada dentro del sondaje o taladro. El alargamiento de la tubería hidráulica puede ser completada en el campo con conectores mecánicos de tubo. Si se dispone de una suficiente área de andamiaje, el ensamblaje de los anclajes hidráulicos, las varillas de acero inoxidable de % “ y los tubos de PVC de % “ pueden ser instalados afuera, en el terreno, antes de insertarlos dentro del taladro. Se puede usar el siguiente proc ed imien to: 1.- En una ubicación conveniente cercano al taladro, se dispone sobre el terreno la ubicación del anclaje y de la cabeza de referencia, Abastecerse de una suficiente longitud de varillas, incluyendo tubos de unión y cabeza de referencia. 2.- Utilizando llaves, alicates de agarre y cemento PVC ensamble las varillas de acero inoxidable de %” de diámetro y tubos PVC de % “ de pulgada a sus longitudes aproximadas. dejar alguna longitud extra la cual podría estar pedida a una longitud exacta o posteriormente ser recortada. Esto se efectúa colocando las varillas de acero inoxidable de %” en el interior de los tubos PVC de % ” conforme el ensamblaje vaya progresando. 3.- El tubo PVC de % “ acoplado a ras tiene un acoplamiento hembra / macho excepto la sección del fondo la cual esta roscado para su adhesión al anclaje. La sección corta del fondo entre la tubería PVC y el anclaje esta roscado en un extremo y hembrado en el otro. Cuando todas las varillas se encuentran encajadas dentro de los tubos PVC, los tubos pueden ser cementados juntos. durante la operación de ensamblaje y encolado, todas las partes y superficies de conexión que están siendo introducidas dentro del tubo PVC de % “ deberán ser guardados limpios de barro, tierra, cola, etc. El cemento PVC utilizado deberá ser firme, del tipo cuerpo mediano y de color gris. 4.- Roscar la varilla de acero inoxidable a los anclajes y el acoplamiento especial PVC del fondo al anclaje y colóquelos a sus marcas correctas sobre el terreno. 5.- Usando una lima, marque los extremos de los tubos del 1 al 6 en un orden adecuado para su identificación. También, marque la tubería hidráulica en conformidad a cada anclaje. 6 .- Cuando se utiliza la inyección, disponga el tubo de lechada de cemento a lo
largo del tubo PVC fijado al anclaje de fondo. Forrar ligeramente con una cinta el tubo de lechada de cemento al anclaje de fondo. Use cinta negra de vinilo, el extremo del fondo del tubo de lechada de cemento deberá ser cortado con un cuchillo de bolsillo de forma tal que su longitud quede rematada en punta.
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7.- Si el ensamblaje completo es pre-ensamblado sobre el terreno, atar as varillas montantes con un cinta, comenzando en el extremo superior, asegurando que el tubo de lechada de cemento este en el medio, que los tubos PVC estén paralelos y que los tubos hidráulicos estén encerrados dentro del atado. Disponga las varillas y anclajes del extensometro en una secuencia que corresponda al sentido de las agujas del reloj (mirando hacia los anclajes) y que a su vez corresponden con la placa de referencia. Chequee que los anclaje estén bien encintados al atado a fin de prevenir el desvastamiento de los nudos sobresalientes al introducirlos dentro del taladro. En general el atado podría ser encintado aproximadamente cada 5 a 6 pies. 6 . 2 . 4 . I. 4 . - E Q U I P O D E L E C T U R A O IN D I C A D O R El indicador es un micrómetro mecánico de profundidad con una traba para detener la lectura hasta que ésta sea soltada. El micrómetro es preciso hasta 0.001 pulgadas. Los micronómetros son suministrados con varillas de extensión para extender el rango de cero (0) hasta 6 pulgadas. Los bloques estándares de referencia son opcionales. El uso del micrómetro es muy simple y recto hacia delante. Inserte la varilla del micrómetro por el hueco apropiado de la superficie de medición e invierta el trinquete hasta que este suene con un golpe, asegurándose que la base del micrómetro esté asentado firmemente y bien encuadrado sobre la superficie de medición. Trabar la lectura, retirar el micrómetro y registrar la lectura. En la página N° 67 se puede apreciar el esquema del extensometro de varillas con cada uno de sus componentes. 6.2.4.2.- COMPONENTES DEL SISTEMA PARA MEDICIONES DE CONVERGENCIA 6 . 2 . 4 . 2 . I. - E L E M E N T O S S E N S O R E S O D E T E C T O R E S E x t e n s o m e t ro d e C i n ta : Dos armellas son usadas para enganchar el extensometro a los puntos de anclajes especiales (punto de referencia), de tal manera que las mediciones no sean afectadas por el ángulo de la conexión. Una armella es fijada al extremo del instrumento mecánico y la otra al extremo de la cinta. B a r ra T e l e s c ó p ic a E x t e n s o m e t ric a Dos bolillas de acero son usadas para hacer contacto con la barra extensometrica en los puntos de anclaje (puntos de referencia), por lo que las mediciones no son afectadas por el ángulo de la conexión; la barra
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extensometrica posee en cada extremo un acople cóncavo 6 . 2 .4 .2 . 2 .- E L E M E N T O S D E T R A S M IS I Ó N D E D A T O S E x te n s o m e t ro d e C in ta Esta compuesta por una cinta de ingeniero estándar de acero plano y unido al instrumento mecánico por un sistema de pestillo y pin de trabadura sobre unos de los extremos, este pin entra a huecos de precisión punzados en la cinta a ciertos intervalos regulares de distancia. La cinta es montada sobre el instrumento como un carrete y manivela. B a r ra T e l e s c ó p ic a E x t e n s o m e t ric a El transmisor de datos esta constituido por una barra maestra de aluminio tubular telescópica, que alcanza un bajo coeficiente de dilatación térmica; la barra se extiende hacia los dos puntos anclados en la superficie de la roca, considerando que una parte de barra es fija y la otra parte es movible. 6.2.4.2.3.- EQUIPOS O UNIDADES DE LECTURA Y/O REGIS TRO E x te n s o m e t ro d e C in ta El instrumento mecánico del extensometro de cinta es portátil y esta previsto de un mecanismo que dá compresión a un resorte para una carga repetible y un calibrador de dial sensible que indica el viaje del tornillo requerido para aplicar tensión conveniente sobre la cinta. La lectura del dial es el incremento de distancia a ser adicionado a la lectura de la distancia. Especificaciones técnicas de un extensometro de cinta conocida: Marca : SINCO (Slope Indicator Company). Modelo : 518115 Tensión sobre la cinta: 23 libras (10.45 Kg). Precisión del calibrador del dial: 0.0025. Precisión promedio: 0.0125 mm. Longitud estándar de la cinta: 20 m. (extra fuerte). Distancia mínima que puede medir: 74 cm. Intervalo de los huecos prepunzados: 5 cm. B a r ra T e le s c ó p i c a E x t e n s o m e t ric a El equipo constituido por dos barras una fija colocada en un punto de referencia y el otro movible colocado en el otro punto de referencia; son ajustados
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mediante un pin de oreja, indicando en un dispositivo la lectura del desplazamiento entre ambos puntos. El equipo utilizado por lo general es de la marca Grecian-Whittam Bolton England, modelo 1936, mide deformaciones verticales (piso / techo) y también deformaciones horizontales (paredes). Tiene las siguientes especificaciones técnicas: - Indicador del dial rango de 2” con incremento de 0.001” montado sobre base tubular. - Ajuste grueso conexión cubierta por un pin. - Resorte ensamblado sostiene el extensometro en posición sobre puntos de referencia. - Tubo de extensión telescopio letrado y numerado, de acero de 1/16” de espesor de la pared del tubo. - Punto de referencia sockets cónicos, fijan los enchufes hemisféricos. - Modelos utilizados para las mediciones 6 a 11 pies de longitud. - Accesorios utilizados barra de calibración para conversión métrica en aluminio fundido. 6 . 2 .4 .2 . 4 .- I N S T A L A C I Ó N D E L O S E L E M E N T O S S E N S O R E S : En las estaciones determinadas donde se realizarán las mediciones, se perforan taladros de 3 pies de longitud y 39 mm. de F, en el (techo / piso) para realizar las mediciones de convergencia. Luego de perforar los taladros se procede a la instalación de las varillas de fierro corrugado de 1” F con roscado hembra y pernos de ojillo. Con excepción de los que llevan bolilla esférica, para ser utilizadas con la barra telescópica Extensometrica. Las varillas deben ser ancladas en los taladros con resina Epo rock en caso contrario con mortero (cemento / arena). 6 .2 .4 .2 .5 .- M E T O D O L O G Í A D E L M O N IT O R E O S U B T E R R Á N E O A . - P R O C E D I M IE N T O D E IN S T A L A C I Ó N E x t e n s o m e t ro d e c in t a El primer paso para realizar una medición es conectar el sistema extensiométrico fijando el gancho de mosquetón del extremo de la cinta a unos de los puntos de anclaje de referencia; luego se desenrolla la cinta, mientras se traslada el instrumento hacia otro punto de anclaje de referencia, en donde se fija el perno de ojillo del instrumento. Realizada la conexión, se comienza a tensar la cinta hasta que las líneas de marca del instrumento queden alineados. En esta posición se registra las lecturas en el calibrador del dial. Repitiendo el alineamiento de las líneas de marca se pueden registrar nuevas lecturas del calibrador de dial.
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B a r ra T e l e s c ó p i c a E x t e n s o m e t ric a El primer paso para realizar una medición es conectar la varilla fija de la Barra telescópica extensometrica al punto de anclaje (piso); luego la varilla movible se desplaza hacia el punto de anclaje de referencia (techo), en donde el equipo queda fijado haciendo contacto hemisférico con las dos bolillas de los puntos de referencia. Realizado el contacto correcto en ambos extremos, se ajusta con el pin de oreja las varillas fija y movible, registrando luego la lectura en el calibrador de dial. Repitiendo este mismo proceso se realiza las posteriores mediciones. B- REGISTRO DE DATOS Una vez realizado la instalación de los puntos de referencia en las estaciones de control, el sistema queda apto para realizar mediciones. Los resultados de estas mediciones son registradas en formatos especialmente preparados para este fin, y elaborándose un programa 'para crear un banco de datos de los registros acumulados. C .- P R O C E S A M IE N T O RESULTADOS
DE
DATOS
Y
PRESEN TACIÓN DE
En relación al procesamiento de datos se implementa un programa de predicción de convergencias, considerando las estaciones de monitoreo, con sus respectivos puntos de referencia, además se dispone un programa para la presentación grafica de los registros acumulados. En la página N° 71 se muestra: El Esquema sobre los detalles del Monitoreo Subterráneo en la Mina Juanita, esquematizando las mediciones con el Extensometro de Cinta y con la Barra telescópica Extensometrica con sus respectivos detalles. En la página N° 72 se muestra: La Información grafica de mediciones de Convergencia en la Estación de Control N° 3, de la Mina Juanita, en los 7 puntos de medición, con el Extensometro de Cinta y la barra telescópica Extensometrica. En la página N° 73 se muestra: la representación grafica de las mediciones de Convergencia, del cambio o desplazamiento en relación a los días de medición, en la estación de Control N° 3, de la Mina Juanita de Perubar S.A., hoy en dia a cargo de CETEMIN..
CAPÍTULO VII 7 ..- R E S U L T A D O S D E L O S E N S A Y O S En el presente capitulo se presenta resultados de diversas tipos de roca en diferentes minas, para lo cual se analizará dichos resultados. En el Cuadro N° 1, se puede apreciar los resultados de la determinación de las propiedades físicas de una muestra de roca Andesita, proveniente de la mina Juanita de Perubar, esta muestra se caracteriza por ser roca encajonante del cuerpo mineralizado. Cuadro N° 1 RO C A A NDES ND ESÍTA ÍTA
P R O P I E D A D E S F ÍS IC A S ) ? (gr/ (gr/cm3) cm3) P.E. P.E.a. a. (KN/ (KN/m m) % P . a . 2.739 26.8 7 0.31 2.748 26.9 6 0.35
Abs. (%) 0.11 0.13
En el Cuadro N° 2, se puede apreciar los resultados de la Propiedad Mecánica; de la Resistencia Compresiva "dc” de una muestra de roca Andesita, proveniente de la mina Juanita, esta muestra se caracteriza por ser de la roca encajonante del cuerpo mineralizado, ubicado en el Nivel 1174. Cuadro N° 2 ROCA
An A n d es it a
CA RGA DE FA L L A
(Kg. f)
Res i s t en c i a Co m p r es i v a " dc” (Kg/cm 2) M Pa
11 2 6 8 13 2 6 3 14 0 4 9
1 19 1.48 1 40 2.44 1 48 5.60
1 1 6 .7 7 1 3 7 .4 5 1 4 5 .6 0
En el Cuadro N° 3, se puede apreciar los resultados de la Propiedad Mecánica; del esfuerzo a la la tracción indirecto brasilero "dt” , de una una muestra de roca roca Andesita, proveniente de la mina Juanita, esta muestra se caracteriza por ser de la roca encajonante del cuerpo mineralizado, ubicado en el Nivel 1200.
75 Cuadr o N° 3 ROCA
CA RG A DE FA L L A
R e s i s t e n c i a a l a T r a c c i ó n "d "d t” (K g/cm 2) M Pa
(Kg. f) 10 3 0 90 0 10 2 0
An A n d es it a
110.51 97.13 1 0 8 .8 0
10.83 9.52 10.66
En el Gráfico N° 1, se puede apreciar los resultados de la Propiedad Mecánica; de la determinación de las Constantes Elásticas, del Modulo de Deformación y/o Elasticidad "E” y la relación de Poisson ”?”, pero también en función a estos parámetros parám etros podemos podem os calcula calc ularr los Módulos Módulo s de Rigidez Rigidez "G” y de Bulk "K” y la constante de Lame "?”, de una muestra de roca Andesita, proveniente de la mina Juanita, esta muestra se caracteriza por ser de la roca encajonante del cuerpo mineralizado, ubicado en el Nivel 1207. Gráfico N° 1 oiEAYü
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76
De los resultados del Gráfico N° 1, se puede deducir que: El Modulo Modu lo de Elasticida Elast icidadd “E” = 4.27 x 10 Kg/cm2. Kg/cm2. La Relación Relac ión de Poisson Poisso n “?” = 0.33 La Resistencia Compresiva "dc” = 1392.63 Kg/cm2. En el Grafico N° 2, se puede apreciar los resultados de la Propiedad Mecánica; para la determinación de la Cohesión “C” y el ángulo de Fricción interna “0 i”, resultados del ensayo de Compresión Triaxial, este tipo de Ensayo se ejecuto sobre una muestra saturada, para analizar la reacción de la roca en presencia de agua, de una muestra de roca Andesita, proveniente de la mina Juanita, esta muestra se caracteriza por ser de la roca encajonante del cuerpo mineralizado, ubicado en el Nivel 1178. Grafico N° 2 SMfiAfr-fl
__ e r a F P i n T C l f DK __
F* t . ¡ Estud io ríe lfecftid¿as dc-
7 R ~ f .< .< T J i1 i1
* ri ril An JJfi JJfi ntt fl -FZK.B -FZK.BriF riF 5
MUFFira, DZ
JTCOttDC
En el Cuadro Cu adro N° , se puede apreciar apre ciar el el resumen del esfuerzo de rotura"d rotura "d11” , denominado “Esfuerzo Principal Principal Mayor” y la Presión de Confinamien Confin amiento"d3 to"d3”” , denominado “Esfuerzo Principal Menor”, con la finalidad de diseñar la Envolvente de Mohrs, teniendo en consideración además el Esfuerzo a la Tracción Indirecto Indirecto Brasilero Brasilero "dt” , teniendo en cuenta que que los los parámetros cuantificados deben realizarse sobre el mismo tipo de roca y muestra rocosa. Calculados en el Grafico N° 2. ensayo ejecutado en el Laboratorio del INGEMMET. Cua dro N° 4 ROCA
AND A NDESI ESITA TA
ESFU ESFUER ERZO ZO DE RO ROTU TURA RA PRES PRESIION DE CONFI CONFINAM NAMIE IENT NTO O “ d i” K g / Cm 2 “ d 3” K g / cm2
40 7.11 6 9 2 .6 2
6 .6 16.0
77
En el Cuadro N° 5, se puede apreciar el resumen del esfuerzo de Normal "dn”, y el Esfuerzo de Corte “?c”, y el desplazamiento, al momento de ejecutar el ensayo de Corte Directo para determinar la Cohesión “C” y el ángulo de Fricción “0 i”, Básico y Residual, este ensayo se realizo sobre una muestra rocosa de roca granodiorita, muestra rocosa recopilada de la Bocatoma del Proyecto de CHAVIMOCHIC. Cuadro N° 5 ESFUERZO NORMAL "dn ” ESFUERZO DE CORTE“?c” Kg/cm MPa Kg/cm MPa 1.02 0.10 2.55 0.25 8.97 0.88 4.08 0.40 5.60 0.55 6.06 0.59 8.50 0.83 2.55 0.25 3.20 0.31 7.90 0.77 20.43 2.02 9.50 0.93 11.25 1.10 13.00 1.27 15.20 1.49 3.20 0.31 5.60 0.55 7.90 0.77 30.11 2.95 10.19 1.00 15.89 1.56 18.50 1.81 20.40 2.00 10.19 1.00 14.25 1.40 18.34 1.80 41.32 4.05 22.92 2.25 25.30 2.48 28.60 2.80 30.01 2.94
DESPLAZAMIENTO “p” mm . 0.05 0.10 0.30 0.50 0.75 1.00 0.05 0.10 0.30 0.50 0.75 1.00 1.20 0.05 0.10 0.30 0.50 0.75 1.00 1.20 0.05 0.10 0.30 0.50 0.75 1.00 1.20
RESUMEN ESFUERZO NORMAL” dn” Kg/cm 8.97 20.43 30.11 41.32
MPa 0.88 2.02 2.95 4.05
ESFUERZO DE CORTE“?c” Kg/cm 8.50 15.20 20.40 30.01
MPa 0.83 1.49 2.00 2.94
78
Del resumen se puede calcular los Parámetros de la Cohesión “C” y el Angulo de Fricción interna básica “0 ib”, ya que no se obtuvo datos para el calculo del ángulo de fricción residual; estos parámetros se cuantificó mediante minimos cuadrados. Cohesión “C” Angulo de Fricción basica “0 ib”
= 2.04 Kg/cm2 = 33.02 °
En el Grafico N° 3, se puede apreciar los resultados de la Propiedad Mecánica; para la determinación de la Cohesión “C” y el ángulo de Fricción interna “0 i”, resultados del ensayo de Corte Directo, este tipo de Ensayo se ejecuto sobre una muestra rocosa, en condiciones normales, sobre una roca Andesita, proveniente de la mina Juanita, esta muestra se caracteriza por ser de la roca encajonante del cuerpo mineralizado, ubicado en el Nivel 1200. Grafico N° 3
CAPÍTULO VIII 8 .- CLASIFICACIONES GEOMECANICAS
Las labores mineras subterráneas y superficiales, cuyos componentes son estructuras complejas; para ejecutar dichas labores mineras, es necesario poseer el máximo conocimiento del macizo rocoso. Para tener el conocimiento del macizo rocoso hoy en día existen muchas Clasificaciones Geomecánicas, como: Protodyakonov, Bieniawski, Laubscher and Taylor, Barton, Romaña, que nos determinarán la calidad del macizo rocoso, cuya finalidad es dividir al macizo rocoso en dominios estructurales, cada uno de ellos tendrán características similares, como: Litología, espaciado de juntas, entre otros. Los limites de un dominio estructural pueden coincidir con rasgos geológicos, tales como fallas o diques. 8.1.- CLASIFICACION GEOMECANICA DE PROTODYAKONOV Mediante esta clasificación geomecánica se define la calidad del macizo rocoso, por medio de un parámetro “f ” , que es el coeficiente de resistencia. Cuadro N° 6 CATEGORIA
DESCRIPCION
Cuarcita, Basalto y rocas de resistencia excepcional Granito, areniscas silíceas y calizas muy competentes Calizas, granito algo alterado y areniscas Resistencia media Areniscas medias y Pizarras Lutitas, areniscas flojas y conglomerados friables Lutitas, esquistos y margas compactas Calizas, lutitas blandas, margas, areniscas friables, Resistencia baja Gravas, bolos cementados Lutitas fisuradas y rotas, gravas compactas y arcillas preconsolidas Arcillas y gravas arcillosas Resistencia muy Suelos vegetales, turbas y arenas húmedas baja arenas y gravas finas Limos y loess
Excepcional A lt a res is tencia
El coeficiente “f” esta definido por la siguiente formula matemática: f =
s
iifii
20 15-20 8-6 5 4 3 2 1.5 1.0 0.6 0.5 0.3
80
Siendo: dc = La resistencia a Compresión Simple de la roca expresada en MPa. Teniendo en cuenta este coeficiente y las dimensiones de la excavación subterránea, se definen las cargas de cálculo para dimensionar el tipo de sostenimiento. 8 .2 .- C L A S I F IC A C I Ó N G E O M E C A N IC A D E B IE N I A W S K I Esta clasificación geomecánica se basa en el índice RMR "Rock Mass Rating”, que da una estimación de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores: Resistencia Compresiva de la roca. Índice de la Calidad de la Roca - RQD. Espaciamiento de Juntas. Condición de Juntas. Presencia de Agua. Corrección por orientación. Estos factores se cuantifican mediante una serie de parámetros definiéndose unos valores para dichos parámetros, cuya suma, en cada caso nos da el índice de Calidad del RMR que varia entre 0 - 100. Los objetivos de esta clasificación son: - Determinar y/o Estimar la calidad del macizo rocoso. - Dividir el macizo rocoso en grupos de conducta análoga. - Proporcionar una buena base de entendimiento de las características del macizo rocoso. - Facilitar la planificación y el diseño de estructuras en roca, proporcionando datos cuantitativos necesarios para la solución real de los problemas de ingeniería. Se clasifican las rocas en 5 categorías. En cada categoría se estiman los valores de la cohesión y el ángulo de fricción interna del macizo rocoso (Cuadro N° 9). A continuación se definen y valoran cada uno de los factores que intervienen en la clasificación. 8 .2 .1 .- R E S IS T E N C I A C O M P R E S I V A D E L A R O C A . La resistencia compresiva procedimientos:
"dc” de una roca se puede determinar por tres
81
8.2.1.1.- PRIMER PROCEDIMIENTO: Estimación de la Resistencia Compresiva mediante el martillo Schmidt de Dureza. 8.2.1.2.- SEGUNDO PROCEDIMIENTO Determinación de la Resistencia Compresiva mediante el Ensayo de Carga Puntual “Franklin”. 8.2.1.3.- TER CE R P ROC EDIMIENTO Determinación de la Resistencia Compresiva mediante el Ensayo de Compresión Simple y/o Uniaxial 8 . 2 .2 . - IN D I C E D E L A C A L I D A D D E L A R O C A - R Q D Para determinar el RQD (Rock Quality Designation) en el campo y /o zona de estudio de una operación minera, existen hoy en día tres procedimientos de calculo. 8.2.2.1.- PRIMER PROCEDIMIENTO: Se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos de mayores que 10 cm en el intervalo de testigo de 1.5 m. r q d
testigo
— ^ trozos \0cms \50cms
8.2.2.2.- SEGUNDO PROCEDIMIENTO Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras, por metro lineal, determinadas al realizar el levantamiento litológico-estructural (Detail line) en el área y/o zona predeterminada de la operación minera. 8.2.2.2.1.- Fórmula matemática: - 0.1? RQD =100?
( 0.1? + 1)
Siendo: . N ° deFisuras l — ---------------SPAN
82
8.2.2.3.- T ERCER PROCEDIMIENTO Comprende el cálculo del RQD en función del número de fisuras, por metro cúbico, determinadas al realizar el levantamiento litológico-estructural (Detail line) en el área y/o zona predeterminada de la operación minera. 8.2.2.3.1.- Fórmula matemática: Siendo:
RQD = 115 - 3.3 (Jv)
Jv = Número de fisuras por metro cúbico. 8 . 2 .3 . - E S P A C I A M IE N T O D E J U N T A S Se ha comprobado que el espaciamiento de juntas tiene gran influencia sobre la estructura del macizo rocoso. La resistencia del macizo rocoso va disminuyendo según va aumentando el número de juntas, siendo el espaciado de las juntas el factor más influyente en esta disminución de resistencia. Así resulta que un material rocoso de alta resistencia de 100 a 200 MPa, que esté muy fracturado con un espaciamiento de juntas de 5 cm, corresponde a un macizo rocoso débil. A continuación se presenta la clasificación de Deere de los macizos rocosos. En lo referente al espaciamiento de juntas, que es la que recomienda utilizar en la clasificación geomecánica de Bieniawski. Cuadro N° 7 DESCRIPCION ESPACIAMIENTO Muy ancho Ancho Moderadamente cerrado Cerrado Muy cerrado
ESPACIO DE JUNTAS >3m 1-3m 0.3 - 1 m 50 - 300 mm < 50 mm
TIPO MACIZO ROCOSO Sólido Masivo En bloques Fracturado Machacado
8.2.4.- CONDICION DE JUNTAS En este apartado se tienen en cuenta los siguientes parámetros: - Apertura. - Tamaño.
83
- Rugosidad. - Dureza de los labios de la discontinuidad. - Relleno. 8.2.4.1.- APE RTU RA La apertura de las juntas es un criterio para descripción cuantitativa de un macizo rocoso. La clasificación de Bieniawski es la siguiente: Descripción Abierta Moderadamente abierta Cerrada Muy cerrada
Separación > 5 mm 1 - 5 mm 0 .1 - 1 mm < 0.1
8.2.4.2.- TAMAÑO El tamaño de las juntas influye en la importancia que el material rocoso y la separación de las juntas tienen en el comportamiento del macizo rocoso. 8.2.4.3.- R UG OSIDAD En esta clasificación se establecen 5 categorías de rugosidad: muy rugosa, rugosa, ligeramente rugosa, suave y espejo de falla. 8.2.4.4.- DUREZA DE LOS LABIOS DE LA DISCONTINUIDAD Se consideran 3 categorías de dureza: dura, media y blanda. 8.2.4.5.- RELLEN O Se define por su espesor, tipo de material, consistencia y continuidad. 8 . 2 .5 . - P R E S E N C IA D E A G U A El efecto del agua tiene especial importancia en los macizos rocosos diaclasados. Se tendrá en cuenta el flujo agua en el macizo rocoso. El criterio que se utilizará será el siguiente: completamente seco, húmedo, agua a presión moderada y agua a presión fuerte. 8 . 2 .6 . - C O R R E C C I O N P O R O R I E N T A C IO N A la hora de considerar los efectos de la orientación de las discontinuidades para la clasificación del macizo rocoso, con vistas a la construcción de una
84
excavación subterránea y una labor minera superficial, es suficiente considerar si las orientaciones del rumbo y del buzamiento son más o menos favorables con relación a la labor minera que se va ejecutar. Bieniawski ha propuesto la siguiente clasificación: Cuadro N° 8 RUMBO PERPENDICULAR AL EJE RUMBO PARALELO Dirección según Dirección contra AL EJE DEL TUNEL Buzamiento Buzamiento Buzamiento Buzamiento Buzamiento Buzamiento Buzamiento Buzamiento 45-90° 20-45° 45-90° 20-45° 45-90° 20-45° Muy Favorable Regular Desfavorable Muy Regular Favorable Desfavorable
BUZAMIENTO 0-20° (Independiente del Rumbo) Desfavorable
Esta clasificación no es aplicable a rocas expansivas fluyentes. A .- C l a s i fic a c ió n d e l o s p a r á m e t ro s y s u s v a l o re s Cuadro N° 9 Parámetros
ESCA LA D E
V A L O R ES
10 kg/cm2
80 kg/cm2 2000 Kg/cm2
4 0- 80 kg/cm2 1000 - 2000 Kg/cm2
2 0-4 0 kg/cm2 500 - 1000 Kg/cm2
10- 20 kg/cm2 250 - 500 kg/cm2
100-250 kg/cm2
15
12
7
4
2
90-100%
75-90%
50-75%
25-50%
25%
VA LOR
20
17
13
8
3
Espaciado de Juntas
3m
1-3 m
0.3 - 1 m
50-300 mm
50 mm
VA LOR
30 Muy rugosas
25 Ligeramente
20 Ligeramente
10 Espejo de falla
5
Resistencia de la roca intacta
Carga Puntual A Co m pr es ió n Simple
VA L O R R. Q.D.
Condición de Juntas
VA LOR Cant. Infiltracion 10 m. de tún el Ag uas
sin continuidac rugosa < 1 mm. rugosa < 1 mm. o relleno de cerradas, de separación de separación espesor < 5mm Paredes de Paredes de Paredes de ó abiertos 1-5mm roca dura
roca dura
roca suave
FisurasContinuas
25
20
12
6
Ninguna
25 litros/min
25-125 litros/min
Cero
0.0-0.2 Solo húmedo agua insterst.
0.2-0.5 Ligera presión de agua
7
4
30-100 10-30 kg/cm2 Kg/cm2 1
0
relleno blando de espesor < 5mm. ó abiertas <5 mm. fisuras continuas 0
>125 litros/min.
Presión de agua
Subterráneas Esfuer. principal Situación General VA LOR
Totalmente Seco 10
0.5 S erios p ro ble mas de agua 0
85
B .- A j u s t e d e v a lo r e s p o r o r ie n t a c ió n d e la s ju n t a s Cuadro N° 10 Orientación de rumbo y
Muy
Favorable Reg u lar Des favorab le
buzamiento de las fisuras Favorable
Val or es
Muy Desfavorable
Túneles Ci m en tac io n es
0 0
-2 -2
-5 -7
-10 -15
-12 -25
Taludes
0
-5
-25
-50
-60
C .- D e t e r m in a c i ó n d e l a c l a s e d e l m a c i z o r o c o s o Cuadro N° 11 Valo r to tal del RMR Clase Número Descripción
81-100
61-80
41-60
21-40
<20
I Muy Bueno
II Bueno
III Medio
IV Malo
V Muy Malo
D .- S i g n i fic a d o d e la s c la s e s d e m a c i z o s r o c o s o s Cuadro N° 12 Clase Número
I
II
Tiempo de Mantenimiento
10 años para 5m. > 3 Kg/cm2 > 45°
6 meses para 4 m. 2-3 Kg/cm2
Cohesión A ngulo de fri cció n
40°-45°
III
IV
V
1 semana 5 horas 10 minutos para 3 m. para 1.5 m. para 0.5 m. 1.5-2 Kg/cm2 1-1.5 Kg/cm2 < 1 Kg/cm2 30°-40°
30°-35°
< 30°
8 .3 .- C O R R E C C IO N D E L A U B S C H E R A N D T A Y L O R Laubscher and Taylor, han propuesto algunas modificaciones a la clasificación geomecánica de Bieniawski y recomendaciones para el sostenimiento. Los ajustes que proponen Laubscher and Taylor, consisten en la modificación del valor original, siendo los siguientes: 8 . 3 .1 . - M e t e o r iz a c i ó n Algunos tipos de roca se meteorizan rápidamente cuando entran en contacto con el aire, afectando a tres parámetros.
86 Cuadro N° 13 Parám etro
dc RQD Condición de Juntas
Metereorización
Disminuye hasta 96% Dis minuye hasta 95% se reduce hasta un 82%
Ob s erv ac io n es
Afecta las microfisuras de la roca La roca au men ta sus fra ctu ra s Si la meteorización es motivo de deterioro en las superficies de la fisura ó su relleno
8 .3 .2 .- E s f u e r z o s I n - s it u e i n d u c i d o s Los esfuerzos, tanto in-situ como los inducidos pueden incidir sobre las fisuras, mantenimiento sus superficies en compresión o permitiendo que las fisuras se aflojen, y aumentan el riesgo de un movimiento cortante. Cuadro N° 14 Parám etro Condición de Juntas
Esfuerzos In-s itu e ind.
Aumenta hasta 120% Disminuye hasta un 90% Disminuye hasta un 76%
Ob s ervac io n es
Las juntas quedan en compresión Si el riesgo de un movimiento cortante aumenta Si las fisuras están abiertas y con relleno delgado
8 .3 .3 .- C a m b i o s d e l o s e s f u e r z o s Cuando hay cambios importantes por operaciones mineras, la situación de las fisuras es afectada. Cuadro N° 15 Parám etro Cam bios de Esfuerzos Condición de Aumenta hasta un 120% Juntas Disminuye hasta en 60%
O b s erv ac io n es
Las fisuras siempre están en compresión Causan movimientos cortantes importantes
8 .3 .4 .- I n f lu e n c ia d e la s o r i e n t a c i o n e s d e l ru m b o y b u z a m ie n t o El tamaño, la forma y la dirección del avance de una excavación subterránea tendrán una influencia sobre su estabilidad cuando se consideran en función del sistema de fisuras del macizo rocoso. Laubscher and Taylor opinan, para garantizar la estabilidad de una excavación subterránea en una roca fisurada depende de la cantidad de fisuras y de los frentes de excavación que se desvían de la vertical y recomiendan los siguientes ajustes:
87 Cuadro N° 16 P ará m etr o
Espaciado de ju n ta s
C a ntid ad de fisuras
70%
3 4 5 6
3 4 5 6
Porcentaje(*) 75%
80%
85%
90%
2 2 3
1 2,1
2 3 4
3 4
(*) Ajuste en porcentaje dependiendo de la cantidad de frentes inclinados en la excavación Se propone además los siguientes ajustes para los valores del espaciado de juntas, para las zonas de cortantes que se ubican en operaciones mineras: 0-15° = 76%
15°-45° = 84%
45°-75° = 92%
8 . 3 .5 . - E f e c t o s d e la v o l a d u r a Las voladuras crean nuevas fracturas y provocan movimientos en las fisuras existentes. Se proponen las siguientes reducciones para los valores del RQD y la Condición de Juntas. Perforaciones de reconocimiento.................100% Voladuras de sección lis a .............................. Voladuras convencionales bu en as............... Voladuras convencionales deficientes .........
97% 94%
80%
8 .3 .6 .- A ju s t e s c o m b i n a d o s En algunos casos la clasificación geomecánica se encuentra sujeta a más de un ajuste. El ajuste total no debe pasar de un 50%. 8 .3 .7 .- R e c o m e n d a c i o n e s p a r a el s o s t e n i m i e n t o Considerando los valores de clasificación ajustados y tomando en cuenta prácticas normales de sostenimiento en minas, Laubscher and Taylor han propuesto el siguiente cuadro:
88 Cuadro N° 17 VA LORES A JUSTA DO S
VA LORES GEOMECA NICOS ORIGINA LES - BIENIA WSK I 90-10 0
80-90
70-80
60-70 50-60 40-50 30-40
a
a
a
a
b
b c,d
b c,d
b c,d,e
d,e
e
f,g i
f,g,j i
20-30
10-20 0-10
70 - 100 50 - 60 40 - 50 30 - 40 20 - 30 10 - 20 0 - 10
k
f,h,j h,i,j k
h,j l
l
Leyenda: a.- Generalmente no hay sostenimiento, pero algunas intersecciones de fisuras pueden necesitar pernos. b.- Cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 1 m. c.- Cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 0.75 m. d.- Cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 1 m y 100 mm de concreto lanzado. e.- Cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 1 m y concreto colado de 300 mm. y que solo se usará si los cambios de los esfuerzos no son excesivos. f.- Cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 0.75 m. y 100 mm de concreto lanzado. g.- Cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 0.75 m y 10 mm de concreto lanzado y malla. h.- Concreto colado de 450 mm de espesor con una cuadricula de pernos cementados con espaciamiento de 1 m. si los cambios de los esfuerzos no son excesivos. i.- Pernos cementados con espaciamiento de 0.75 m si hay un refuerzo potencial a la mano, y 100 mm de concreto lanzado, luego cimbras de acero a manera de técnica de reparación si los cambios en los esfuerzos son excesivos. j.- Estabilizar con refuerzo de cable protector y concreto colado de 450 mm de espesor si los cambios en los esfuerzos no son excesivos. k.- Estabilizar con refuerzo de cable protector seguido de concreto lanzado hasta e incluyendo el frente si es necesario y luego cimbras de acero poco separados, como técnica de reparación donde los cambios en los esfuerzos son excesivos. l.- No trabajar en este terreno, o usar las técnicas j ó k. N o t a s A d i c io n a l e s 1.- Al
evaluar los requerimientos de los
esfuerzos hay que tomar en
89
cuenta la clasificación geomecánica original así como los valores ajustados. 2.- Los pernos son de poca utilidad en un terreno intensamente fisurado y no deberán usarse como único refuerzo cuando los valores de espaciado de juntas sea menor de 6 . 3.- Las recomendaciones del cuadro son aplicables a las operaciones mineras con niveles de esfuerzos menores de 30 MPa. 4.- Galerías grandes solo se excavarán en roca con un valor de clasificación totalmente ajustado con valores de 50 ó más. 8 .4 .- C L A S IF IC A C IO N G E O M E C A N IC A D E B A R T O N Esta clasificación geomecánica se basa en el índice de calidad "Q” denominado también índice de Calidad tunelera, que da una estimación de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores: „ RQD Jr Jw ^ x— x-
Q=
Jn
Ja
SRF
Donde: RQD : Rock Quality Designation Jn : Joint Set Number, Índice de diaclasado que tiene en cuenta el número de Familias. Jr : Joint roughness number, índice de rugosidad de las juntas. Ja : Joint alteration number, índice de alteración de las juntas. Jw : Joint water reduction factor, factor de reducción por presencia de agua en las juntas. SRF : Stress reduction factor, factor de reducción por esfuerzos. A continuación se definen y valoran cada uno de los factores que intervienen en la clasificación: Cuadro N° 18 Índice de Calidad de roca A.- Muy mala B.- Mala
RQD 0 - 25 25 - 50
Ob s erv ac io n es 1.- cuando RQD 10, incluyendo cero; se puede utilizar el valor
C.- Regular D.- Buena E.- Excelente
50 - 75 75 - 90 90 - 100
10 para el RQD. 2.- Intervalos de 5 para RQD, ó sea 100, 95, 90 son precisos.
90 Cuadro N° 19 Número de Familias
Jn
A.- Masivo, sin o con pocas juntas B.- Una familia de juntas
Observaciones
0.5 - 1 2
1.- Para cruces en túneles utilizar ( 3 x Jn)
C.- Una familia y algunas juntas ocasionales
3
2.- Para Portales utilizar
D.- Dos familias de juntas E.- Dos familias y algunas juntas
4 6
F.- Tres familias de juntas G.-Tres familias y algunas juntas H.-Cuatro familias o más, roca muy fracturada, Terrones de azúcar I.- Roca triturada terrosa
9 12
(2 x Jn)
15 20
Cuadro N° 20 Núm ero de rugosidad de las J un tas - Contacto entre las dos caras de la junta - Contacto entre las dos caras de la junta mediante un desplazamiento lateral 10 cm
Jr
Ob s erv ac io n es
A.- Juntas discontinuas B.- Junta rugosa o irregular ondulada C.- suave ondulada D.- Espejo de falla, ondulada E.- Rugosa o irregulares plana
4 3 2 1.5 1.5
1.- Se añade 1.0 si el espaciamiento medio juntas es mayor de 3 m. 2.- Jr = 0.5 se puede usar Para juntas de fricción
F.- Suave plana G.- Espejo de falla o superficie de fricción plana. - Sin contacto entre las dos caras de la Junta desplazados lateralmente
1.0
H.- Zona que contiene minerales arcillosos de espesor suficientemente gruesa para impedir el contacto entre las dos caras. I.- Zona arenosa de grava o roca triturada suficien temen te gruesa para impedir el contacto entre las dos caras de la junta.
0.5
1
1
Planas y que tengan alineaciones orientadas para resistencia mínima.
91 Cu adro N° 21 Núm ero de alteración de las ju n tas
Ja
0 r (a pr o x .)
0.75 1
25° - 35°
2
25° - 30°
3
20° - 25°
4
8° - 16°
4
25° - 30°
6
16° - 24°
8
8° - 16°
8 - 12
6° - 12°
6-8 ó 8 - 12
6° - 24°
Observación
- Contacto entre las dos caras de la junta. A.- Junta sellada, dura, sin reblandamien to relleno impermeable, ej. Cuarzo. B.- Caras de la junta únicamente manchadas. C.- Las caras de la junta están alteradas lige ramente y contienen minerales no reblandecibles, partículas de arena, roca d esin tegrada libre de arcilla. D.- Recubrim iento de limo o arena arcillosa, pequeña fracción arcillosa no reblandecible. E.- Recubrimiento de minerales arcillosos blandos o de baja fricción, ej. Caolinita, mica, clorita, talco, y pequeñas cantidades de arcillas expansivas , los recubrimien tos son discontinuos con espesores de 1ó2 mm - Contacto entre las dos caras de la junta con menos de 10 cm de desplazamiento lateral. F.- Partículas de arena, roca desintegrada, libre de arcilla. G.- Fuertemente sobreconsolidados, rellenos de minerales arcillosos no reblandecidos Los recubrimientos son continuos menores de 5 mm. de espesor. H.- Sobre conso lidación media a baja, reblan decim iento, relleno de mineral arcilloso. Los recubrimientos son continuos menores de 5 mm. de espesor. I.- Relleno de arcillas expan sivas ej. Montm orillonita, de espesor continuo de 5mm. El Valor Ja depende del porcentaje de particulas del tamaño de la arcilla expansiva. - No existe contacto entre las dos caras de la jun ta cuando esta es cizallada. J.- Zonas o bandas de roca desinte grada o machacada y arcilla. K.- Zonas blandas de arcilla limosa o arenosa con pequeña fracción de arcilla sin reblan damiento. L.- Zonas o capas gruesas de arcilla.
5 10 - 13 13 - 20
6° - 24° 6° - 24°
1.- Los valores de de 0r el ángulo De fricción re sidual, se indi can como guía aproximada de de las propie dades minera lógicas de los productos de la alteración si es que están pre sentes.
92 Cuadro N° 22 Factor de reducción por presencia de agua en las juntas. A.- Excavaciones secas o de fluencia poco importante, menos de 5 l/min. Localmente. B.- Fluencia o presión media, ocasional lavado de los rellenos de las juntas. C.- Fluencia grande o presión alta, con siderable lavado de los rellenos de las juntas. D.- Fluencia o presión de agua excep cionalmente altas con las voladuras diminuyendo con el tiempo. E.- Fluencia o presión de agua excep cionalmente altas y continuas, sin disminución.
Jw
Presión agua Kg/cm2
Observaciones
1
<1
0.66
1 - 2.5
1.- Los factores de C a E, son estimaciones aproximadas aumenta Jw si se instalan drenes.
0.33
2.5 - 10
0.1 - 0.2
> 10
0.05 - 0.1
> 10
2.- Los problemas especiales causados por la presencia de hielo no se toman en consideración.
Cuadro N° 23 Fac to r de Reducción de esfuerzo s
SRF
Ob s erv ac io n es
Zonas débiles que intersectan la excavación y pueden causar caídas de bloques, según avanza la misma. A.- Varias zonas débiles conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente, roca muy suelta alrededor (cualquier profundidad). B.- Solo una zona débil conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente ( profundidad de excavación menor de 50 m.). C.- Solo una zona débil conteniendo arcilla o roca Desintegrada químicamente ( profundidad de excavación mayor de 50 m.). D.- Varias zonas de fractura en roca competente (libre de arcilla), roca suelta alrededor (cualquier profundidad). E.- Solo una zona fracturada en roca competente (libre de arcilla), (profundidad de excavación menor de 50 m.). F.- Solo una zona fracturada en roca competente (libre de arcilla), (profundidad de excavación mayor de 50 m.). G.- Juntas abiertas sueltas, muy fracturadas, etc. (cualquier profundidad).
Continua
10
5
2.5
7.5
5
2.5
5
1.- Redúzcanse estos valores SRF de 25%-50% si las zonas de fractura solo se intersectan pero no cruzan la excavación. 2.- Para un campo virgen de esfuerzos fuertemente anisotropico, medidas: cuando 5 10, redúzcase: a 0.6 la dc y el dt. donde: dc = Resistencia Compresiva. dt = Esfuerzo a la tracción d1 = Esfuerzo Principal Mayor. d3 = Esfuerzo Principal Menor.
93 Cuadro N° 24 Factor de Reducción de esfuerzo
dc / d i
dt / d i
SRF
- Roca Competente, problemas de esfuerzos. H.- Esfuerzo bajo, cerca de la superficie. I.- Esfuerzo medio. J.- Esfuerzo grande, estructu ra muy cerrada (general mente favorable para la estabilidad. Pude ser des favorable para la estabili dad de los hastíales. K.- Desprendimiento modera do de la roca masiva. L.- Desprendimiento intenso de la roca masiva.
> 200 200-10
> 13 13-0.66
2.5 1.0
10-5
0.66-0.33
0.5-2
5-2.5
0.33-0.16
05-10
< 2.5
< 0.16
10-20
Ob servac iones
3.- Hay pocos casos repor tados donde el techo debajo de la superficie sea menor que el ancho del claro. Se sugiere Que el SRF sea aumen tado de 2.5 a 5 para estos casos, ver H
- Roca fluyente, flujo plástico de roca incompetente bajo la influencia de altas pre siones litostaticas. M.- Presión de flujo moderado. N.- Presión de Flujo Intenso.
5-10 10-20
- Roca expansiva, actividad actividad química expan Siva dependiendo de la presencia de agua. O.- Presión de expansión Moderado. P.- Presión de expansión Intensa.
5-10 10-15
8 .4 .1 .- R e c o m e n d a c i o n e s p a r a e l u s o d e l o s c u a d r o s : 1.- El parámetro Jn, que representa en número de familia de juntas, puede estar afectado por foliación, esquistosidad, clivaje y laminaciones. Si las juntas paralelas tienen suficiente desarrollo, deben contabilizarse como una familia completa. Si hay pocas juntas visibles, roturas ocasionales en los
94
testigos debido a estos planos, se contabilizan como juntas ocasionales al considerar el Jn en la tabla. 2.- Los parámetros Jr y Ja, cuyo cociente representa la resistencia al esfuerzo cortante, serán los de la familia de juntas o discontinuidad rellena de arcilla, más débil que exista en la roca, además es necesario tener en cuenta la orientación de las familias o discontinuidades, de tal forma que deban ser representativas. 3.- El valor SRF, en el caso de que el macizo rocoso contenga arcilla, en este caso la resistencia de la roca es factor determinante de la estabilidad de la excavación subterránea. Cuando el macizo rocoso no contenga arcilla y el número de Juntas sea pequeño la resistencia de la roca puede convertirse en factor, tal que el cociente de dt/dc, defina la estabilidad de la roca. 4.- En el caso de rocas muy anisotropicas, la resistencia compresiva de la roca dc y el esfuerzo a la tracción d , se evaluarán en la dirección más favorable para la estabilidad. Los parámetros que definen "Q” , representan el siguiente aspecto: RQD/J
: Tamaño de bloques, representa la estructura global del macizo rocoso.
Jr/Ja
: Resistencia al corte entre bloques.
Jw/SRF : Estado tensional en el macizo rocoso. Para relacionar Q índice de calidad tunelera, con el comportamiento de una excavación subterránea y con las necesidades de sostenimiento de la misma. Barton Lien y Lunde desarrollaron la relación denominada Dimensión Equivalente "De” de la excavación, esta relación se obtiene de dividir el ancho, diámetro o altura de la excavación por un factor denominado Relación de soporte de la excavación ESR (Excavation Support Ratio). De =
An c ho de la excavació n, diáme tro o altura (m) Relación de soporte de la excavación ESR
La relación de soporte de la excavación ESR tiene que ver con el uso que se pretende dar a la excavación y hasta donde se le puede permitir cierto grado de inestabilidad Barton da los siguientes valores supuestos para ESR:
95 Cuadro N° 25 Tipo de ex cav ació n
ESR
A.- Excavaciones mineras provisionales. B.- Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua para obras hidroeléctricas (con la excepción de las cámaras de alta presión para compue rtas), túneles pilotos (exploración), excavac iones parciales para cámaras subterráneas grandes. C.- Cámaras de almacena miento, plantas subterráne as para el tratamiento de aguas, túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámaras de alta presión, túneles auxiliares. D.- Casas de maquinas, tú neles carreteros y ferrocarriles mayores, refugios de defensa civil, portales y cruces de túnel. E.- Estaciones nucleoelec tricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones para deportes y reuniones, fabricas.
3-5
1.6
1.3
1.0 0.8
La relación entre el Índice de calidad tunelera "Q” y la dimensión equivalente "De” de una excavación, Barton Lien y Lunde, elaboraron una tabla a partir de las cual se puede diagnosticar las necesidades de sostenimiento. ( ver en los anexos del trabajo). 8 .5 .- C L A S I F IC A C I O N G E O M E C A N I C A S M R P A R A T A L U D E S La clasificación SMR (Slope Mass Rating) es un método de determinación de los factores de ajuste adecuados para aplicar la clasificación RMR de BIENIAWSKI a los taludes. Tras su publicación en inglés ROMANA 1985, 1988, 1991, 1995) la clasificación SMR ha despertado cierto interés y el propio BIENIAWSK (1989) la recomienda en su último libro para su aplicación en taludes. Las últimas publicaciones "in extenso" corresponden en inglés a un capítulo del compendio "Comprehensive Rock Engineering" editado por HUDSON (Vol. 3. ROMANA 1993) y al reciente Simposio de ICFL de Granada (ROMANA, 1996) y en castellano a los Simposios de Taludes de La Coruña (ROMANA, 1993) y Granada (ROMANA, 1997) publicaciones de las que tomaremos algunos puntos en el desarrollo del presente Trabajo. Cualquier clasificación debe considerar, en primer lugar que la falla de un talud rocoso puede ocurrir según formas muy diferentes. En la mayoría de los casos la falla de la masa rocosa está gobernada por las discontinuidades y se produce según superficies formadas por una o varias juntas. El índice SMR para la clasificación de taludes se obtiene del índice RMR básico sumando un "factor de ajuste", que es función de la orientación de las juntas (y producto de tres subfactores) y un "factor de excavación" que depende del
96
método utilizado: SMR = RMR + (F1xF2xF3) + F4 8.5.1.- RMR (rango de 0 a 100) se calcula de acuerdo con los coeficientes coeficie ntes de BIENIAWSK (1979), como la suma de las valoraciones correspondientes a cinco parámetros (tabla N° 9): El factor de ajuste de las juntas es producto de tres subfactores (Cuadro N° 26): 8 .5 .2 .- F1 depende del paralelismo entre el el rumbo de de las juntas y de la la cara del talud. Varía entre 1,00 (cuando ambos rumbos son paralelos) y 0,15 (cuando el ángulo entre ambos rumbos es mayor de 30° y la probabilidad de falla es muy baja). Estos valores, establecidos empíricamente, se ajustan aproximadamente a la expresión: F1=( 1 - sen aj aj - as )2 Siendo aj y as los valores del buzamiento de la junta (aj) y del talud (as). 8.5.3.- F2 depende del buzamiento de la junta en la falla plana. En cierto sentido es una medida de la probabilidad de la resistencia a esfuerzo cortante de la junta. Varia entre 1,00 (para juntas con buzamiento superior a 45°) y 0,15 (para juntas con buzamiento inferior a 20°). Fue establecido empíricamente pero puede ajustarse aproximadamente según la relación: F2=(tg2 bj )2 Donde bj es el buzamiento de la junta. F2 vale 1,00 para las fallas por vuelco.
8.5.4.- F3 refleja la relación entre los buzamientos de la junta y el talud. Se han mantenido los valores propuestos por BIENIAWSKI en 1976 que son siempre negativos. negativos. Para fallas falla s planas F3 expresa la probabilidad probabili dad de que las juntas jun tas afloren aflo ren en el el talud. Se supone que las condiciones son "normales" cuando el buzamiento medio de la familia de juntas es igual al del talud, y por lo tanto aflorarán algunas pocas juntas. Cuando el talud buza más que las juntas, casi todas afloran y las condiciones "serán muy desfavorables" lo que supone un valor de F3 de -60 -60 (para bs - bj > 10°), o "desfavorables" lo que supone un valor de F3 de -50 (para 0 < bs - bj < 10°). La diferencia con el valor de F3 "normal" (que es -25) es muy grande.
97
Para la falla por vuelco no se supone que puedan existir condiciones condicion es desfavorables, o muy desfavorables, ya que el vuelco rara rara vez produce fallas bruscas y en muchos casos los taludes con vuelcos de estratos se mantienen. Se ha utilizado la condición de GOODMAN-BRAY (1977) para evaluar la probabilidad de vuelco. Sin embargo se ha observado que muchos vuelcos se producen para valores ligeramente distintos, lo que puede interpretarse como que la resistencia al esfuerzo cortante se reduce unos 5%, sea por el hecho de que en muchos taludes volcados las juntas están meteorizadas, o porque el ángulo de rozamiento experimente una ligera reducción en el caso de fallas rotacionales (GOODMAN (GOO DMAN,, 1976). 1976). La citada condición de GOODMAN-BRAY GOODMA N-BRAY sólo es válida para el caso de fallas con pie (toe) volcador (que son más frecuentes en la práctica), pero no para el caso de pie deslizante donde la superficie basal del macizo roto aflora en el talud con el aspecto de una junta deslizada. Cuadro N° 26 Factor de ajuste aj uste para las juntas (Romañ a, 1985) 1985) CA SO
Mu y Favorable
F av o r ab l e
No r m al
Des f a v o r a b l e
Mu y Desfavorable
P T
aj-as aj-as-180°
> 30 °
30 ° - 20 °
2 0 ° - 10°
10° - 5°
< 5°
P /T
F1
0.15
0.40
0.70
0.85
1.00
P
< 2 0°
20° - 30°
30° - 35°
35 ° - 45 °
> 45°
T
bj F2 F2
0.15 1
0.40 1
0.70 1
0.85 1
1.00 1
P T
bj-bs bj-bs
> 10° < 110°
10° - 0° 110° -1 2 0 °
0° > 1 2 0°
0° (-10°)
< 10°
P /T
F3
0
-6
-25
-50
-60
Leyenda: P = Falla Plana. T = Falla por Vuelco. as = Dirección de Buzamiento del talud. bs = Buzamiento del talud. aj = Dirección Direcci ón de Buzamient Buza mientoo de las juntas. juntas . bj = Buzamiento Buzam iento de las las juntas.
98 Cuadro N° 27
Factor de ajuste según el método de excavación (Romaña,1985) M ét o d o
Tal u d Natural
Pr ec o r t e
Vo l ad u r a Suave
F4
+ 15
+ 10
+8
Voladura Voladura Mecanizada deficiente
0
-8
Cuadro N° 28 Clases de estabil est abilidad idad según el SM R (Rom aña, 1985) 1985 ) Cl as e N°
V
IV
III
II
I
SMR
0 - 20
21 - 4 0
41 - 60
61 - 80
81 - 100
D e s c r ip c i ó n E s t a b i l id a d
M u y M a la T o ta lm en en te Inestable Grandes roturas por planos conti nuos o por masa
M a la Inesta bl ble
Buena Es ta b le
M u y Buena T o ta lm e n te Estable
Juntas o grandes cuñas
Normal P ar arc ia ia lm lm en en te te Estable Algunas junta ju nta s o mu chas cuñas
R e e x c a v a c ió n
Co r re c c ió n
S i s t e m á t ic o
Fallas
T ra t a m ie n to
Algunos b loques
N in gu n a
O c a s io n a l
N in gu n o
8 . 5 .5 . 5 . - E l f a c t o r d e a j u s t e s e g ú n e l m é t o d o d e e x c a v a c i ó n , F 4 , ha sido establecido empíricamente (Cuadro N° 27): Los taludes naturales son más estables, a causa de los procesos previos de erosión sufridos por el talud, y de los mecanismos internos de protección que muchos de ellos poseen (vegetación, desecación superficial, drenaje torrencial, etc). F4= + 15 El precorte aumenta la estabilidad de los taludes en media clase F4= + 10. Las técnicas de voladura suave (recorte), bien ejecutadas, también aumentan la estabilidad de los taludes, F4= + 8. Las voladuras normales aplicadas con métodos razonables no modifican la estabilidad, F4= 0. Las voladuras defectuosas son muy frecuentes y pueden dañar seriamente a la estabilidad F4= -8.
99
La excavación mecánica de los taludes por ripado sólo es posible cuando el macizo rocoso está muy fracturado o la roca blanda. Con frecuencia se combina con prevoladuras poco cuidadas. Las caras del talud presentan dificultades de acabado. Por ello el método ni mejora ni empeora la estabilidad F4= 0. El valor final del índice de clasificación SMR es: SMR = RMR + (F1xF2xF3) + F4 La clasificación no tiene instrucciones específicas para las fallas en cuña. El procedimiento a seguir es obtener el índice SMR para ca da una de las familias de las juntas. Se adoptará para el talud el valor menor del índice SMR obtenido para cada familia de juntas. En rocas meteorizadas y en las evolutivas la clasificación debe ser aplicada dos veces: para la situación inicial de roca sana y para la situación futura de roca meteorizada. Los índices obtenidos serán distintos. Según el valor del índice SMR se obtienen 5 clases de estabilidad, definidas simplificadamente en el Cuadro N° 28. Los valores límites del SMR encontrados empíricamente para c ada forma de falla son: Cu adro N° 29
Cuad ro N° 30
FALLAS PLANAS
FALLAS EN CUÑA
SMR > 60 Ninguna 60 > SMR > 40 Importantes 40 > SMR > 15 Muy grandes
Cu ad ro N° 31 FALLAS POR VUELCO
SMR > 65 Ninguno 65 > SMR > 50 Menores 40 > SMR > 30 Muy grandes
SMR > 75 Muy Pocas 75 > SMR > 49 Algunas 55 > SMR > 40 M uchas
Cu ad ro N° 32 FALLAS CIRCULARES (Tipo suelo) SMR > 30 Ninguna
30 > S MR > 10
Posible
Todos los taludes con valores del SMR inferiores a 20 se caen rápidamente. No se han encontrado taludes con valores del SMR inferiores a 10 lo que indica que no son físicamente factibles.
100
8 . 6 .- G S I - IN D I C E D E R E S I S T E N C I A G E O L O G I C A Paul Marinos, profesor de Ingeniería Geológica de la Universidad Nacional Técnica de Atenas - Grecia, y Evert Hoek Ingeniero Consultor de Vancouver, B.C. de Canadá, desarrollaron el GS , índice de resistencia geológica, con la finalidad de estimar la resistencia del macizo rocoso. Este escrito presenta una revisión de la estimación de propiedades de resistencia del macizo rocoso a través del uso de GS . El sistema de clasificación GS grandemente respeta las restricciones geológicas que ocurren en la naturaleza y están reflejadas en la información geológica. Un debate relaciona los rangos del índice de resistencia geológica (Strength Geological Index) para macizos roco sos típicos, enfatizando para macizos rocosos heterogéneos. 8 . 6 .1 . - E S T I M A C I O N ROCOSO.
DE
LAS
PRO PIEDADE S
D E L M A C IZ O
La entrada básica consta de estimaciones o medidas de la resistencia compresiva uniaxial (dc) y una constante del material (mi), esto es relacionada con las propiedades de fricción de la roca. Idealmente, estas propiedades básicas deberían calcularse en el laboratorio, descrito por Hoek y Brown (1997) empero, en muchos casos, la información es requerida antes de que las prue ba s del laboratorio hayan sido completadas. Ra zó n para estimar es to s parámetr os reproducimos el cuadro N° 33. Notándose que est a actualizada de la versión (Marinos y Hoek, 2000). El comp onente más importante de Hoek - Brown, para deter minar la calidad del macizo rocoso es el proceso de reducir la dc del material y la constan te m i, calculados en el laboratorio, valores que serán as ign ado s en relación a los valores in-situ. Esto se calculará a través del Geological Strength Index - GSI. El GS ha sido desarrollado, como resultado de muchos añ os de de bates con geólogos, con quienes E. Hoek ha trabajado alrededor del mundo. La consideración ponderada ha sido dado al léxico preciso en cada caso y a los peso s relativos asign ad os a ca da combinación de las condiciones estructurales de la superficie y, para res pet ar las condiciones geológicas exi stente en la naturaleza.
101 Cuadr o N° 33
Estimación
GRADO
TERMINO
*
R6
Extremadamente
en
el campo de la resistencia Comp resiva Uniaxial de la roca intacta.
dC
Is
MPa
MPa
> 250
> 10
dura
R5
Muy dura
100 - 250
4 - 10
Es ti mac ió n d e l a r es is ten c ia en el C am p o
Ej em pl os
Solo s e pueden romper esquirlas de la
Basalto, Diabasa
muestra con el martillo de geólogo.
Gneiss, Granito,
Se necesitan muchos golpes con el mar
Chert. Anfibolita, Gneiss, Grabo.
tillo de geólogo para romper la muestra.
Granodiorita, Basalto.
R4
Dura
50 - 100
2- 4
Se necesita más de un golpe con el mar
Caliza, Mármol
tillo de geólogo para romper la muestra.
Esquisto, arenisca.
R3
R2
Media
Débil
25 - 50
5.0 - 25
1- 2
'k"k
No se puede rayar o desconchar con una
Concreto,
navaja, las muestras se pueden romper
Esquisto,
con un golpe firme con el martillo.
Siltstone.
Puede desconc harse con dificultad con
Yeso, Esquisto,
Una navaja, se pueden hacer marcas
Shale.
poca profundas golpeando fuertemente la roca con la punta del martillo.
R1
Muy débil
1.0 - 5.0
'k"k
Deleznable bajo golpes fuertes
con la
Parte puntiaguda del martillo de geólogo
Roca alterada, Shale.
puede desconcharse con una navaja. R0
Extremadamente
0.25 - 1
'k"k
Rayado por la uña del dedo pulgar.
Falla delgada
Débil
rígida.
* Grado adecuado por Brown (1981). ** La prueb a de carga puntual sobre rocas con una resistencia compresiva uniaxial debaj o de 25 MPa. es probable que los resultad os son ambiguos. 8 .7 .- P R O P I E D A D E S ROCOSO
F IS I C O - M E C A N I C A S
DEL
MACIZO
Para la determinación de las propiedades físico-mecánicas del macizo rocoso, se deben considerar los siguientes parámetros.
102
8.7.1.- Datos Iniciales: 8 .7 .1 .1 .- C L A S I F IC A C I O N E S G E O M E C A N I C A S : La Clasificación Geomecáni ca de Bieniawski - RMR (Rock Mass Rating). La Clasificación Ge omecánica de Barton - “Q” (Índice de Calidad Tunelera). 8 .7 .1 .2 .- E N S A Y O D E L A B O R A T O R I O : “dc” Resistencia Compresiva de la roca Intacta. 8 . 7 .1 .3 . - C A L C U L O D E C O N S T A N T E S : m, s ,A y B. 8.7.2.- Para determinar las con stantes (m, s, A y B), es nece sari o calcular mediante el cuadro del anexo referido a (relaciones aproximadas entre la calidad del macizo rocoso y las constantes empíricas), aplicando la formula estadíst ica de regresión exponencial Y = A. ? BX B _ nS(xLnY) - Sx* SLnY nS x 2- ( Sx)2 S L n Y - B *Sx. A _ e ( ----------------- ) n
Es necesario constantes.
considerar que el calculo, es para cad a uno de las
Basado en la experiencia, práctica y teórica Hoek and Brown, desarrollan por medio de un proceso de aproximaciones la relación empírica entre los esfuerzos principales que intervienen en el fenómeno del debilitamiento de la roca. sj_s3
m scs 3 + s s 2
Donde: s1 = Esfuerzo Principal mayor en el debilitamiento. s3 = Esfuerzo principal men or aplicado a la muestra. sc = Resistencia Compresiva de la roca inalterada. m y s son con stan tes que de pend en de las propiedades d e la roca y el
103
grado de su fracturación ante s de ser sometida a los esfuer zos s 1 y s 3. En función a este criterio de fallamiento de Hoek and Brown se determina las propiedades mec ánic as del macizo rocoso: - R e s is t e n c i a C o m p r e s iv a d e l
scmr _ sc
M a c iz o R o c o s o :
f s
- R e s i s t e n c i a a la T r a c c i ó n d e l M a c i z o R o c o s o :
s tm r _ s c T Siendo:
T = —(m - V m2 + 4 s) 2 - E s f u e r z o al C o r te d e l m a c i z o R o c o s o :
icmr = A s c
n
’ t
\ B
( — —- T )
—
Siendo: s n
= Esfuerzo de campo vertical máximo, donde est a ubicado la labor minera en estudio, se determina : s n = dh
Donde: d = h =
Peso especifico Aparente del terreno o roca de recubrimiento o suprayacente (Kn/m3). Altura de la roca suprayacente.
- M o d u l o d e D e f o r m a c i ó n “ In - s i tu ” , d e l M a c i zo R o c o s o :
Emr = 1.75 RMR - 85 Valida para valores de RMR superiores a 48, en GPa. - C o h e s i ó n y A n g u l o d e F r ic c i ó n d e l M a c i z o R o c o s o :
Los parámetros de Cohesión y Angulo de fricción del macizo Rocoso, se transcribe de la tabla de Clasificación Geomecánica de Bieniawski (Cohesión y 0i de Rock Mechani c's Desing in Mining And Tunneling By Z.T. Bieniawski 1984).
104
- Densidad de macizo Rocoso: Para determinar la densidad del macizo Rocoso, se aplica la siguiente formula matemática: ?mr = (RMR x 0.002 + 0.8) x Dr Donde: ?mr = Densidad del macizo Rocoso. Dr = Densidad de la roca intacta. Hoek and Brown (1988) sugirieron que estas constantes podrían ser estimadas a partir de la versión de 1976 de la Valoración del Macizo Rocoso (RMR) de Bieniawski, asumiendo condiciones completamente secas y orientaciones muy favorables de las discontinuidades. Mientras que este procedimiento es aceptable para macizos rocosos con valores de RMR de más de 25, este no es aplicable para macizos rocosos de mala calidad, dond e el valor mínimo que s e deter mina del RMR es de 18. A fin de superar esta limitación, se introduce un nuevo índice llamado Índice de resistencia Geológica (GSI). Los valores del GSI varia de sde cerca de 10, para macizos rocosos extr em ad am en te malas, ha st a 100, para la roca intacta. Las relaciones entre m/mi, s y a y el Índice de resistencia Geológica (GSI) son como siguen: Para GSI > 25 (Macizo Rocoso no disturbado) GSI - 100, m / m. = expá------------ ) ........................ Ec.
!
28
g s i - 100. s = expá------------ )
1
Ec. 2
a = 0.5 ........................................... Ec. 3 Para GSI < 25 (Macizo Rocoso no disturbado) S = 0 ..................................................Ec. 4 GSI ....................................Ec. a = 0.65 .........
200
5
En términos del criterio de falla de Mohr - C oulomb, se estima un conjunto
105
equivalente de parámetros de cohesión y fricción para valores Hoek and Brown dados, lo cual puede hacerse aplicando una solución por Balmer (1952), en el cual los esfuerzos normal y de corte son expresados en términos de los correspondientes esfuerzos normales como sigue: a n= a 3+
da 1/ da3+1
t = (a 1- a 3)^Jda1/ d a3
Ec. 6 Ec. 7
Pa ra GSI < 25 cuando a = 0.5: da
ma„
da,
2(a1- a 3)
Ec. 8
Para GSI < 25 cuando a = 0: da1 da ,
= 1+ am‘
Ec. 9
Una vez calculados un conjunto de valores ( sn, t) a partir de las ecuaciones 6 y 7, se puede calcular mediante análisis de regresión lineal, valores promedios de la Cohesión "C” y del ángulo de fricción "F , en la cual el mejor ajuste de la línea recta es calculado para el rango de pares ( s n, t). La resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso definida por una resistencia cohesiva "C” y un ángulo de fricción F esta dada: a cm
2cCosF 1- SenF
Ec. 10
8 .7 .3 .- U S O D E L A S C L A S IF IC A C IO N E S G E O M E C A N IC A S D E L MACIZO ROCOSO PARA LA ESTIMACIÓN DEL GSI Hoek and Brown(1980), propusieron utilizar para la estimación de las constantes del material: m y s, las clasificaciones geomecánicas de Bieniawski (1974) y de Barton (1974), sin embargo, hay un problema potencial en el uso de estos sistemas de clasificación geomecánica, de tomar en cuenta doblem ente algún factor. A fin de minimizar estos problemas potenciales, se ofrecen las siguientes guías para la selección de parámetr os cu ando se utilizan las clasificaciones geomecánicas del macizo rocoso como base para la estimación de los valores m y s del criterio de falla de Hoek and Brown.
106
8 . 7 .4 . - C L A S I F IC A C I O N DE 1976
G E O M E C A N IC A R M R D E B I E N I A W S K I
El articulo de Bieniawski de 1976 es la referencia básica para el presente análisis. En el cuadro N° 9, se muestra los parámetros que se consideran para determinar la calidad del macizo rocoso. Parte del cuadro N° 9 de Bieniawski de 1976, que define la Clasificación Geomecánica o valoración del macizo rocoso (RMR), los parámetros que se tomaran en cuenta para los cálculos estarán referidos a: -
resist encia Compresiva de la roca. RQD (Rock Quality designation). Espaciamiento de juntas. Condición de juntas.
Par a estimar el valor de utilizando la valoración del Macizo rocoso (RMR) de Bieniawski de 1976, se debe usar el cuadro N° 9, con los parámetros descritos anteriormente, asumiendo que el macizo rocoso esta completamente seco y al valor de la presencia de agua subterránea se le debe asignar una valoración de 10, También se deberá asumir que la orientación de juntas corresponde a una condición favorable y el valor de ajuste por orientación de juntas será (0). La valoración final, llamada RMR76, puede luego ser utilizada para estimar el valor de GSI. Para RMR76 > 18 GSI = RMR 76 .............................Ec. 11 Para RMR76 < 18 No se pu ed e utilizar la Clasificación Geom ecánica de Bieniawski de 1976 para estim ar GSI, en cambio se deb ería usa r el valor de Q de Barton, Lien y Lunde. 8 . 7 .5 . - C L A S I F IC A C I O N 1989
GE OM EC AN ICA
DE BIENIAW SKI DE
La clasificación geomecánica de Bieniawski de 1989, puede ser utilizada para estimar el valor GS de una man era similar a lo descrito para versión de 1976. en este caso, se asigna un valor de 15 a la valoración del agua subterránea y de nuevo se considera como cero (0) el ajuste por orientación de Ju nt as . Nótese que el valor mínimo que se puede obtener con la clasificación geomecánica de 1989 es 23 y que, en general, esta da un valor ligeramente más alto que la clasificación de 1976. la valorización final, llamada RMRs9, pu ed e ser utilizada para estimar el valor de GSI. Para RMRs9 > 23
107 GSI = RMR 89 - 5 .......................... Ec. 12 Para RMR89 < 23
No se puede utilizar la clasificación geom ec án ic a de Bieniawski de 1989 para estimar el valor GSI, en cambio se debería usar el valor de Q de Barton, Lien y Lunde. Valores de la constante m¡ para rocas in tactas p or grup os de roca Los valores entre paréntesis son estimados Tipo de Clase Grupo Textura Roca Grueso Mediano Fino Muy fino Conglom erado (22)
Clástica
Orgánica Sedimentaria
No Clástica Carbonatada
Brecha (20)
Química No foliada
Limonita 9
Lutita 4
Caliza Micrítica 8 Anhidrita 13 Cuarcita 24
M ag ma tita A nfib olita M ilo nita 30 31 6 Foliada * Gneis Esquisto Filita Pizarra 33 (10) (10) 9 Granito Riolita Obsidiana 33 (16) (19) Transparente Granodiorita Dacita (30) (17) Diorita Andesita Ignea (28) 19 Opaco Gabro Dolerita Basalto 27 (19) (17) Norita 22 Tipo extrusiva piroclásticé Aglomerado Brecha Tufo (20) (18) (15) (*) Estos valores son para especímen es rocosos intactos ensaya dos normal a la foliación. Los valores de mi serán significativamente diferentes si la falla ocurriera a lo largo de loa planos de foliación (Hoek, 1983). Metamórfica
L ig era men te foliad a
Mármol 9
Arenisca 19 .......... Grauvaca ......... (18) ..............Greda ............. 7 ............ Carbón ............ (8-21) Caliza Espa rítica (10) Yeso 16 Hornfels (19)
108
8 .7 .6 .- C L A S IF I C A C I O N G E O M E C A N IC A BARTON LIEN Y LUNDE
“ Q ” M O D I F IC A D A D E
Para estimar el valor de GSI utilizando esta clasificación geomecánica, se deben usar el RQD (Rock Quality Designation), el número del sistema de juntas (Jn), el número de la rugosidad de las Juntas (Jr) y el número de alteración de las Junta (Ja), exactamente como están definidas en los cuadros N° 18, N° 19, N° 20, N° 21, N° 22, N° 23, y N° 24, de Barton (1974). Para el factor de reducción por agua en juntas (Jw) y el factor de reducción por esfuerzo s (SRF), se debe utilizar un valor de 1 para am bos parámetros, lo que equivale a condiciones se ca s del macizo rocoso sometido a esf uerzos medios. De aquí para sustituir a partir de la ecuación N° 1, el Índice de calidad Tunelera modificada (Q') es calculada a partir de: ..............................Ec. 13 J
Ja
Este Valor de Q' puede ser utilizado para estimar el valor GSI a partir de: GSI = 9 LogeQ' + 44 ...................... Ec.
14
Estimación de las constantes m/mi, s, a, Modulo de Deformación "E” y la relación de Poisson " v ” par a el criterio de falla gener alizado de Hoek and Brown, ba sado en la estructura del macizo rocoso y en la condición de las superficies de discontinuidades. Es necesario observar que los valores del cuadro corresponden a un macizo rocoso no disturbado. (*) Criterio Generalizado de Hoek and Brown: — 1 = — 3 + —c ( m 3 — 3 / —a ) + S T
Donde: d’1= Esfuerzo efectivo principal máximo de falla. d’3 = Esfuerzo efectivo principal mínimo de falla. dc = Resistenc ia Compresiva uniaxial de las piez as de la roca intacta. m, s, y a, son las constantes de la composición, estructura y condiciones superficiales del macizo rocoso.
CAPÍTULO IX 9 .- A S P E C T O S D E L A M I N E R Í A P E R U A N A En este capitulo se presenta cuadros de las Propiedades físico-mecánicas de rocas y minerales, de minas subterráneas y superficiales representativas de nuestra minería peruana, considerando en algunos casos obras civiles de importancia, con la finalidad de correlacionar estas propiedades, para determinar rangos de resistencia y de calidad de roca existente en nuestro pais. 9 .1 .- M O D E L O G E O M E C A N Í C O Se realizo el acopio de información de campo, consistente en la aplicación del sistema de información geomecánica, mediante el levantamiento litológicoestructural, en labores mineras subterráneas existentes, ensayos in-situ de resistencia, acopio de muestras rocosas; estas informaciones de campo, fueron compl ementados con trabajos de investigación de laboratorio y gabinete, como los ensayos para la determinación de las propiedades físicas y mecánicas de las rocas involucradas con el área de evaluación; considerando los estándares del ISRM, en un total de 5 ensayo s por muestra y la revisión de la información geológica estructural. Para determinar la calidad del macizo rocoso mediante las clasificaciones g eome cánic as. Es necesario remarcar que en algunos casos se presentan promedios de estas propiedades físico-mecánicas y solamente resultados de los en sa yos de laboratorio. 9 . 2 .- M IN A R A U R A La Mina Raura se encuentra ubicada en el Departamento de Huanuco, Provincia de Lauricocha y Distrito de san miguel de cauri y es accesible a través de la carretera Lima-Huacho-Oyon-Raura y/o Lima-Rio Seco-OyonRaura de 303 Km., siendo su altitud, variable desde 4300 a 4800 m.s.n.m. Cuadro N° 34 Propiedades Fisicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
Densidad gr/cm3
P.a.
A bsorción
%
%
Skarn
32.67
3.33
3.99
1.22
Márm ol Skarn (*) Caliza
26.98 32.32 26.68
2.75 3.29 2.72
0.96 3.41 0.47
0.36 1.05 0.17
Mineral (**)
29.86
3.02
3.12
1.02
110
(*) Skarn Gra natitico (**) Mineral (Zn, Pb, Pirita) Cuadro N° 35 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dc
Constantes
ROCA
Kg/cm2
"E" Kg/cm2
Skarn Mármol Skarn (*)
508.31 492.10 651.87 522.70 360.17
Caliza Mineral (**)
1.43 0.91 1.40 0.89
x x x x
105 105 105 105
Elas ticas
m
?
m
0.15 0.18 0.35 0.22
Corte Directo "C" Kg/cm2
0.27
"Fi"
°
30.7
(*) Skarn Gran atitico (**) Mineral (Zn, Pb, Pirita) 9 . 3 .- M I N A Q U I R U V I L C A La Mina Quiruvilca, políticamente pertenece al Distrito de Quiruvilca, Provincia de Santiago de Chuco, Departamento de La Libertad. Geológicamente se encuentra en el Cuadrángulo de Santiago de Chuco y la parte Sur de cuadrángulo de Cajabamba. Su altitud varia entre los 3500 a 4050 m.s.n.m., su clima es de templado a frio cuyas variaciones de temperatura van en promedio de 3° a 13°C., el acceso a la mina se realiza por medio de una carretera afirmada desde Trujillo-ShoreyQuiruvilca de 131 Km. Cuadro N° 36 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
MUESTRA
Densid ad gr/cm 3
P.a. %
Abso rc ión %
P.E.a. KN/m3
M-1 M -2
2.67 2.61 2.65 2.69 2.65 2.52
2.00 5.40 7.80 7.00 2.70 1.00
0.80 2.10 3.00 2.60 1.00 1.00
25.98 25.53 25.76 26.30 26.00 24.73
A ndes ita
M -3 M -4 M -5
Min eral
M-6
111 Cuadro N° 37
Propiedades Mecánicas TIPO DE
MUESTRA
dt
Kg/cm2
Kg/cm2
"So" Kg/cm2
M-1 M-2
876.56 1318.52
81.63 130.55
153 246
46.5 49.8
1.65 x 105 2.03 x 105
M -3 M-4
883.75 398.05
38.71 123.37
80
42
1.22 x 105
M-5 M-6
1336.02 340.09
229
48.1
1.56 x 105
ROCA
Andes it a
Mineral
C om p r es i ón T ri ax ia l
Co n st an tes Elasticas
dc
"pi" °
"E" Kg/cm2 0.24
0.16
9.4.- MINA R AU L La Mina Raúl políticamente per te nec e al Distrito de Mala, Provincia de Lima, Departamento de Lima, Geológicamente se encuentra en el Cuadrángulo de Mala. En los cuadr ángulos Norte 1527 y Este 15288. Su altitud varia entre los 250 a 540 m.s.n.m., su clima es de cálido a templado cuyas variaciones de temperatura van en promedio de 15° a 22°C., el acceso a la mina se realiza por medio de la Panamericana Sur. Desde la Ciudad de Lima, capital del Perú. Cuadro N° 38 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
Densidad g r/cm 3
P.a. %
Andes ita Andes ita
28.55 28.04
2.91 2.85
0.87 0.61
Cuadro N° 39 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dc
dt
ROCA
Kg/cm2
Kg/cm2
Andes ita Andes ita
1704.7 2033.1
163.86 177.22
Compresión Triaxial "pi" ° "So" Kg/cm2 306.75 336.65
48 51
Corte Directo "pi" ° 31 - 34 31 - 33
112
9.5.- MINA ISCAYCRUZ La Mina Iscaycruz se ubica en el Distrito de Pachangara, Provincia de Oyon, Departamento de Lima, a una altitud de 4700 msnm. Inició sus operaciones en 1996, con la explotación subterránea de la mina Limpe centro. Actualmente tiene dos minas más en explotación: las minas Chupa (Subterránea) y Tinyag (Cielo Abierto) Cuadro N° 40 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
P.a.
Ab sorcio n
%
%
Caliza A renisca Cuarcita Pirita
25.00 25.38 25.91 42.77
4.62 0.93 2.04 3.24
1.81 0.36 0.78 0.74
Mineral-Zn
36.30
4.45
1.21
Cuadro N° 41 Propiedades Mecánicas TIPO DE
Co n stan tes Elásticas
dt
R
Kg/cm2
(Rebote)
ROCA
" E" Kg/cm2
Caliza Arenis ca Cuarcita
2.13 x 105 2.85 x 105 2.59 x 105
0.25 0.19 0.24
61.79 15.90 84.50
Pirita Mineral Zn
1.44 x 105 3.12 x 105
0.28 0.22
30.71 52.55
17.56
9.6.- MINA PIERINA La Mina Pierina, esta ubicado en el Distrito de Jangas, Provincia de Huaraz, departamento de Ancash, las coordenadas que indican su ubicación dentro de la zona de derechos superficiales son las siguientes: N 8948700 - 8956500 E 211300 - 2180 00 El acceso a la mina es por la carretera hacia el Callejón de Huaylash hasta el distrito de Jan gas, aproximadament e a 36 kms. de Huaraz.
113 Cuadro N° 42 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
Densidad gr/cm3
P.E.a. KN/m3
P.a.
Absorc ión
%
%
Cuarzo Alu nita Vuggy Silica A rgil ic a Steam Head
2.27
22.31
5.21
2.29
1.95 1.92
19.16 18.87
5.96 24.84
2.91 12.60
2.14
21.02
11.70
5.31
Puente: Labora torio de mecánica de rocas - UNI
Cuadro N° 43 Propiedades mecánicas TIPO DE
dc
dt
Co nstan tes
Elás tic as
Corte Directo “ F i” ° “ C” Kg/cm2
ROCA
Kg/cm2
Kg/cm2
“ E” Kg/cm2
Cuarzo Alu nit a Vuggy Silica
1138.30
95.10
2.021 x 105
0.25
1.00
31.94
738.70
87.10
1.206 x 105
0.28
0.7
28.98
Argili ca Steam
686.1 0
13.70
0.319 x 105
0.32
0.3
28.90
Head 250.60 23.20 0.702 x 105 Puente: Laboratorio de Mecánica de rocas - UNI
0.28
1.1
30.29
9 . 7 .- M IN A S A N N I C O L A S La Mina San Nicolás esta ubicado en la Provincia de Hualgayoc, Departamento de Cajamarca. Cuadro N° 44 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
Densidad gr/cm3
P.E.a. KN/m3
P.a. %
Absorción %
Caliza Min eral
2.67 3.21
26.21 31.56
1.58 4.71
0.59 1.46
114 Cuadr o N° 45 Propiedades Mecánicas TIPO DE
Constantes
ROCA
“ E” Kg/cm2
Caliza Mineral
1.04 x 105 2.13 x 105
Elás tic as
dc Kg/cm2
0.28 0.26
619.25 1409.87
9 .8 .- C E M E N T O S N O R T E P A C A S M A Y O Mina a cielo abierto, ubicado en el Departamento de la Libertad, Provincia de Pacasma yo, distrito de tembladera. Cuadro N° 46 Propiedades Fisicas TIPO DE ROCA
Densidad g r/c m 3
P.E.a. KN/m3
P.a. %
Absorción %
Caliza
2.65
26.01
0.99
0.37
Cua dro N° 47 Propiedades M ecánicas TIPO DE
Is
Constantes
ROCA
Kg/cm2
“E” Kg/cm2
Caliza
78.66
1.31 x 105
Elás tic as
dt Kg/cm2
0.16
68.48
9 . 9 .- T U N E L K O V I R E Obra civil ubicado en el Departamen to de Tacna. Cuadro N° 48 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
P.a. %
Absorció n %
Granodiorita
24.11
6.96
2.83
115 Cuadro N° 49 Propi edades Mecánic as TIPO DE
Is
dc
Constantes Elás tic as
dt
Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2 " E" Kg/cm2
ROCA Granodio rita
79.40
885.89
84.53
0.76 x 105
Corte
Directo " C" Kg/cm2 " F i " °
0.27
0.80
35.10
9 . 10 .- T U N E L D E C A R H U A Q U E R O Obra civil ubicado en el Departamento de Cajamarca. Cuadro N° 50 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
P.a.
Absorció n
%
%
Granodiorita
20.34
5.24
1.89
Cuadro N° 51 Propiedades M ecánicas TIPO DE
dc
Constantes
ROCA
Kg/cm2
"E" Kg/cm2
Granodiorita
563.74
0.65 x 105
Elás tic as
dt Kg/cm2
0.13
56.4
9 . 11 .- O L E O D U C T O N O R P E R U A N O Muestras procedentes, del tramo del Km 548, del Oleoducto Nor Peruano, que recorre los en los Departamentos de Piura, Cajamarca y Amazonas, Cuadro N° 52 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2
Caliza Lutita
579.69 169.10
Corte
Directo “ F i” ° “C” Kg/cm2 0.60 0.12
32.20 21.95
116
9.12.- IRRIGACIÓN DE LUNAHUANA Este proyecto es un canal de irrigación ubicado en Lunahuana, en la Provincia de Chincha , Departamento de Ica. Cuadro N° 53 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2
Corte Directo “ F r” °
Andes it a Granito
2759.81 2548.43
32 26
9 . 13 .- P R O Y E C T O C H A V IM O C H I C El proyecto de Irrigación de Chavimochic comprende tres etapas: Primera Etapa : compren de de sd e la captación (bocatom a) Valle del Chao hasta el valle de Virú. Segunda Etapa: comprende desde el Valle de Virú hasta el Valle de Moche. Tercera Etapa : de sd e el Valle de Moche hast a el valle de Chicama. Las obras de la primera etapa contractualmente se han dividido a su vez en dos tramos o paquetes, El paquete "A” y el paquete "B”. Cuadro N° 54 Propiedades Fisicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
Densidad g r/cm 3
P.a. %
Absorción %
Grano diorita
26.00
2.65
0.72
0.27
Cuadro N° 55 Propiedades Mecánicas Constantes E last.
TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2
" E" Kg/cm2
Granodiorita
812.20
0.75x105
Corte Directo " C" Kg/cm2
0.15
2.00
"Fi" 47
o
dt
Is
Kg/cm2
Kg/cm2
84.30
89.20
117
9.14.- MINA COLQUIJIRCA El Yacimiento Minero de Colquijirca se encuentra ubicado en el pueblo del mismo nombre, Distrito de Tinyahuarco, provincia y departamento de Pasco, a una elevación de 4,200 a 4,400 msnm. En línea recta esta a 8 Km. Al sur de la Ciudad de Cerro de Pasco y a 175 Km. A NE de la Ciudad de Lima. Cuadro N° 56 Propiedades Mecánicas Muestra
Tipo de Roca
M -1
Caliza fuertemente silicificada con hematita, pirita y galena. Caliza margosa color verde con venillas de calcita. Dolomita, venillas de cuarzo. Marga calcárea grisáceo. Caliza moderadamente limonitizada con calcita.
M -2 M -3 M -4 M -5 M -6 M -7 M -8
Caliza con calcita, fracturada. Caliza gris con chert. Marga arcillosa grisáceo.
Is Kg/cm 86.00 3.86 44.43 2.99 17.54 4.92 60.54 3.08
9 .1 5 .- M I N A C A S A P A L C A La Mina Casapalca, se encuentra en el Distrito de Chicla, provincia de Huarochiri, Departamento de Lima, localizada en la zona central, flanco occidental de la Cordillera de los Andes, a una altitud de 4200 msnm. Y a una distancia de 122 Km. de la Ciudad de Lima, sobre la carretera Central del Per . Cuadro N° 57 Propiedades Fisicas TIPO DE ROCA
P.E:a. KN/m3
Den sidad gr/c m 3
P.a. %
Absorción %
Dacita Porfiritica Brecha Con glom erado
26.36 26.57 26.31
2.69 2.70 2.68
3.94 1.15 1.23
1.47 0.42 0.46
118 Cuadro N° 58 Propiedades Mecánic as
Constantes El ás t i cas
TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2
"E" Kg/cm2
Dacita Porfiritica
118.89
1.412x105
0.23
2.11
55
8.46
Brecha
135.65
1.380x105
0.26
1.97
56
10.12
Cong lom erado
191.74
2.113x105
0.29
2.94
57
8.95
m
?
Corte Directo
m
"C" Kg/cm2
dt
"pi"
0
Kg/cm2
9.16.- MINA SAN VICENTE La Mina San Vicente, cuya razón social es San Ignacio de Morococha, se encuentra ubicado en el Valle de Chanchamayo, Provincia de la Merced, Distrito de Vitoc, Departamento de Junín. Accesible desde la Ciudad de Lima por la vía que une con la Ciudad de Tarma. Cuadro N° 59 Propiedades Físicas TIPO DE
P.E:a.
Den sidad
P.a.
Absorción
ROCA
KN/m3
gr/cm3
%
%
Dolomita
25.90
2.64
0.60
0.22
Cuadro N° 60 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2
Dolomita
618.84
9 .1 7 .- M IN A H U A N Z A L A La Mina Huanzala, se encuentra ubicada en el Distrito de Huallanca, Provincia de Dos de Mayo, Departamento de Huanuco, su comunicación con la red vial nacional es de la siguiente forma: Lima - Pativilca ................................................ 203 Km. (asfaltado). Pativilca - Desvío C onoco cha ..................... 140 Km. (asfaltado). Desvío Conococha - Mina Huanzala .......... 65 Km. (asfaltado).
119 Cuadro N° 61 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA
P.E.a. KN/m3
Den sidad gr/cm3
P.a. %
Absorción %
Caliza Negra Min eral
26.20 40.22
2.67 4.10
4.72 2.45
1.76 0.60
Cuadro N° 62 Propiedades M ecánicas TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2
Caliza Negra Min eral
1654.84 2135.98
9.18.- HIDROELECTRICA MACHUPICHU Hidroeléctrica ubicada en la Provincia de Quillabamba, Departamento del Cuzco. Cuadro N° 63 Propiedades Mecánicas TIPO DE ROCA
dc Kg/cm2
Granito Filita
1116.02 469.15
9 .1 9 .- P R E S A L A G U N I L L A S La Presa Lagunillas, se encuentra ubicado en el Departamento de Puno, el Proyecto Especial REHATI - INAF, estuvo a cargo del Ministerio de Agricultura. Cuadro N° 64 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dc
Con stantes
ROCA
Kg/cm2
" E" Kg/cm2
A ndes it a
614.31
2.17x 105
Elás tic as
Corte Directo " C" Kg/cm2
0.21
1.096
"Fi" 32.36
°
120
9.20.- MINA SAN MIGUEL La Mina San Miguel se encuentra ubicado, en la Provincia de Cerro de Pasco, en el Departamento de Pasco. Caracterizada por ser pequeña minería. Cuadro N° 65 Propiedades Mecánicas TIPO DE
dt
Constantes
ROCA
Kg/cm2
"E" Kg/cm2
Caliza
109.95
2.81x105
E l á s tic as
m
?
Corte Directo
m
"Pi"
"C" Kg/cm2
0.15
0.80
0
31.50
9 . 21 .- M IN A J U A N I T A La Mina Juanita, de la ex razón social Perubar S.A., hoy perteneciente al centro tecnológico Minero - CETEMIN, s e encue ntra ubicado en la zon a de Corcona, del Distrito de Santa cruz de Cocachacra, Provincia de Huarochiri, departamento de Lima, a una elevación promedio de 1250 msnm., a la altura del Km. 49 de la carretera central. Cu adro N° 66 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA A n d es itas
P.E:a. KN/m 3 26.48
Den sidad g r/cm 3 2.73
P.a. % 0.49
Absorción % 0.18
Mineral m asivo Mineral Disem inado
39.54 29.61
4.03 2.92
0.58 0.72
0.15 0.25
Do leritas y Po rfidos
26.93
2.74
0.52
0.18
Cuadro N° 67 Propiedades Mecánicas Constantes Elásticas
TIPO DE
dc
ROCA A n d es itas
Kg/cm2 1320.6
"E" Kg/cm2 4.60x105
Mineral Masivo Mineral Dis em in ado
404.1 719.0
1.66x105 2.21x105
0.48 0.40
0.9
49
60.3 103.4
Doleritas y Porfidos
1778.3
6.53x105
0.35
2.23
57
115.2
m
?
m
0.35
Corte Directo "C" Kg/cm2 2.20
"Pi" 0 54
dt Kg/cm2 140.5
121
9.22.- MINA CERRO DE PASCO El Yacimiento de Cerro de Pasco, perteneciente a la Compañía Minera Volcan S.A., esta situado en la Provincia de Cerro de Pasco y Departamento de Pasco, en los Distritos de Simón Bolívar, Chaupimarca y Yanacancha, con una altitud Promedio de 4340 msnm. La mina esta ubicada sobre el flanco Occidental de la Cordillera central del Perú, en la zona 18 con Coordenadas UTM: E 3623530 N 8818845 El acceso de Lima a Cerro de Pasco es a través de la Carretera Central que se conecta con la Oroya. Existiendo también una ruta conexa a través de Canta aproxim adamente de 410 Km., hast a Cerro de Pasco. Cuadro N° 68 Propiedades Físicas TIPO DE ROCA A g lo m er ad o
P.E.a. KN/m3 24.57
Dens idad gr/cm2 2.50
P.a. % 5.47
A bsorción % 2.18
Volcánico Caliza
26.13
2.66
2.39
0.90
Cuadro N° 69 Propiedades mecánicas TIPO DE
dc
ROCA A g lo m er ad o Volcánico Caliza
Kg/cm2 599.75 1611.44
En el Cuadro N° 70 y Cuadro N° 71, se presenta las propiedades písicoMecánicas del Macizo rocoso de las Minas de Raura y de la Mina el Gigante de la División Norte de la Compañía Minera Marsa, considerando cada uno de los datos iniciales de campo y gabinete: - Ubicación de la muestra rocosa y/o mineral. - Tipo de roca y/o mineral. - Indice de Calidad Tunelera ‘Q”. - El RMR de Bieniawski. - La Resistencia Compresiva de la roca intacta. - Las constantes m, s, A y B. Para luego con estos parámetros cuantificar las Propiedades pisico-Mecánicas del Macizo Rocoso.
CONCLUSIONES 1.- La ejecución de los ens ayo s se realizó sobre probeta s extraídas de muestras rocosas, en algunos ca sos de minerales; considerando los estándares del ISRM (Society International For Rock Mechanic's). 2.- En el cuadro adjunto se pr esent a resultados promedios de las Propi edades Físicas de las Rocas más representativas de las Minas del Perú; como también de Obras Civiles de mayor relevancia, tomando en cuenta la ubicación geográfica de es ta s minas y obras civiles, est os resultados promedios son consecuenci a de una serie de ensa yos por muestra, no se ha considerado resultado de menor de 5 ensa yos por muestra de roca, para un mejor análisis y representatividad; En el caso especifico de las muestras de Mineral de la Minas Raura, Quiruvilca, Iscaycruz, San Nicolás, Huanzala, Juanita, varia en función a sus componentes del masivo, siendo sus rangos: Muestra M in er al
Densid ad P.E.a. P.a. KN/m3 gr/cm3 % 2.52 - 4.10 24.73 - 40.22 0.58 - 4.71
Absorción % 0.15 - 1.46
PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS TIPO DE
Densidad
P.E.a.
P.a.
A bsorción
ROCA A glo m er ad o Vo lcán ico Andesit a Arenis ca
gr/cm3 2.66 2.75 2.59
KN/m3 26.13 26.83 25.38
% 2.39 1.85 0.93
% 0.90 0.97 0.36
Argili ca
1.92
18.87
24.84
12.60
Brecha
2.70
26.57
1.15
0.42
Caliza
2.66
26.07
2.46
0.93
Co ng lo m erado
2.68
26.31
1.23
0.46
Cuarcita
2.64
25.91
2.04
0.78
Cuarzo Alunita
2.27
22.31
5.21
2.29
Dacita
2.69
26.36
3.94
1.47
Doleritas y Porfidos
2.74
26.93
0.52
0.18
Dolom ita
2.64
25.90
0.60
0.22
Granodiorita Márm ol
2.39 2.75
23.48 26.98
4.31 0.96
1.66 0.36
Pirita Skarn
4.35 3.31
42.77 32.50
4.45 3.70
1.25 1.14
Steam head
2.14
21.02
11.70
5.31
Vuggi Silica
1.95
19.16
5.96
2.91
3.- En el cuadro adjunto se pr esent a resultados promedios de las Propi edades Mecánicas de las Rocas más representativas de las Minas del Perú; como también de Obras Civiles de mayor relevancia, tomando en cuenta la ubicación geográfica de es ta s minas y obras civiles, est os resultados promedios son consecuenci a de una serie de ensa yos por muestra, no se ha considerado resultado de menor de 5 e nsa yos por muestra de roca, para un mejor análisis y representatividad; En el caso especifico de las muestras de Mineral de la Minas Raura, Quiruvilca, Iscaycruz, Sa n Nicolás, Huanzala, y Juanita, varia en función a sus componentes del masivo, siendo sus rangos de: Muestra
dc
dt
Kg/cm2
Kg/cm2
Constantes Elásticas
Corte Directo
" E" Kg/cm2
" C" Kg/cm2
"Pi" 0
0.9
49
Mineral 340.09 - 2135.98 52.55 - 60.3 1.66 -3.12x105 0.22 - 0.48
PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ROCAS TIPO DE ROCA
dc
dt
Is
Con stant es Elásticas
Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2 "E" Kg/cm2
m
?
m
Corte Directo "C" Kg/cm2
"Pi" 0
1.65
37.88
A glom er ad o Vo lc án ico 599.75 Andes it a
1505.24 134.87
Arenis ca
2.797 x 105
0.25
15.90
2.850 x 105
0.19
Arg il ic a
686.10
13.70
0.319 x 105
0.32
0.30
28.90
Brecha
135.65
10.12
1.380 x 105
0.26
1.97
56
Caliza
1102.06
1.636 x 105
0.21
0.80
31.50
Conglomerado
191.74
8.95
2.113 x 105
0.29
2.94
57
84.50
2.590 x 105
0.24
Cuarzo Alunita
1138.30 95.10
2.021 x 105
0.25
1.00
31.94
Dacita Pofiritica
118.89
1.412 x 105
0.23
2.11
55
Doleritas y Porfidos
1778.30 115.20
6.530 x 105
0.35
2.23
57
Dolomita Filita
618.84 469.15
Granito
1832.23
Granodiorita
753.94
Cuarcita
75.97
8.46 44.43
26 75.08
0.720 x 105
0.18
1.40
41.05
0.910 x 105
0.18
1.440 x 105
0.28
1.420 x 105
0.25
0.27
30.70
3.04
Marga Arcillos a Mármol
84.30
492.10 30.71
Pirita Skarn
580.09
Steam head
250.60
23.20
0.702 x 105
0.28
1.1
30.29
Vuggi Silica
738.70
87.10
1.206 x 105
0.28
0.7
28.98
4.- En el cuadro adjunto se presenta la Clasificación de la resistencia de la Roca Inalterada de Acuerdo a Deere and Miller (Fuente: E. Hoek / E.T. Brown.), es ta clasificación se calcula en función a la Resistencia Compresiva de la Roca, En el caso especifico de las muestras de Mineral de las Minas: Raura, Quiruvilca, Iscaycruz, San Nicolás, Huanzala y Juanita, varia en función a su s componentes del masivo, siendo sus rangos que va desde la Resistencia Baja hasta Resistencia Alta. CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS DE ACUERDO A DEERE AND MILLER TIPO DE
dc
ROCA
Kg/cm2 1505.24
DESCRIPCION
Caliza
1102.06
R esistencia Alta R esistencia Alta
Cuarzo Alunita
1138.30
R esistencia Alta
Doleritas y Porfidos
1778.30
R esistencia Alta
Granito
1832.23
Resistencia Alta
Andes it a
A glo m er ad o Vo lc án ico
599.75
Resistencia Media
Arg il ic a
686.10
Resistencia Media
Dolomita
618.84
Resistencia Media
Granodiorita
753.94
Resistencia Media
Skarn
580.09
Resistencia Media
Vuggi Silica
738.70
Resistencia Media
Filita Mármol Steam head Brecha
469.15 492.10 250.60 135.65
Resistencia Resistencia Resistencia Resistencia
Conglomerado
191.74
Resistencia Muy Baja
Dacita Pofiritica
118.89
Resistencia Muy baja
Baja Baja Baja Muy Baja
5.- En el cuadro adjunto s e pre senta la clasificación de las rocas de acuerdo a su Modulo Relativo, la cual se determina en función al Modulo tangencial al 50% de la Resistenci a Compresiva de la roca, (Fuente: E. Hoek/ E.T. Brown.), siguiendo los criterios de Deer e and Miller. En el ca so especifico de las muest ras de Mineral de las Minas Raura, Quiruvilca, Iscaycruz, San Nicolás, Huanzala y Juanita, varia en función a sus componente s del masivo, siendo sus rangos que va desde: Muestra
Clase
Descripción
Mineral
M-H
Modulo Relativo Medio - Elevado
MODULO RELATIVO DE LAS ROCAS TIPO DE
DESCRIPCION
CL ASE
ROCA Andesit a Caliza
Modulo Relativo Alto Modulo Relativo Alto
H H
Cuarzo Alunita
Modulo Relativo Alto
H
Doleritas y Porfidos
Modulo Relativo Alto
H
Granito
H
A glom er ad o Vo lc án ic o
Modulo Relativo Alto Modulo Relativo Medio
M
Argili ca
Modulo Relativo Medio
M
Dolomita
Modulo Relativo Medio
M
Granodiorita
Modulo Relativo Medio
M
Skarn
Modulo Relativo Medio
M
Vuggi Silica
Modulo Relativo Medio
M
Filita Mármol Steam head Brecha Conglomerado
Modulo Modulo Modulo Modulo Modulo
M M L L L
Dacita Pofiritic a
Modulo Relativo Bajo
Relativo Relativo Relativo Relativo Relativo
Medio Medio Bajo Bajo Bajo
L
6.- En el cuadro adjunto se pre sen ta la clasificación de las rocas de acuerdo a su Modulo de Deformación, la cual se determina en función al modulo tangencial inicial Ei, (Fuente: Farmer), calculado mediante la expresión matemática siguiente: Ei = 350 x dc (Kg/cm2) En el cas o especifico de las m uest ras de Mineral de las Minas Raura, Quiruvilca, Iscaycruz, San Nicolás, Huanzala y Juanita, varia en función a sus comp onente s del masivo, siendo sus rangos que va desde:
Muestra Mineral
Descripción
No Elástica - Cuasi Elástica
Clase
NE - QE
MODULO DE DEFORMACIÓN
TIPO DE ROCA
DESCRIPCION
CLASE
Doleritas y Porfidos Granito
Cuasi Elástica Cuasi Elástica
QE QE
Andes it a
Semi Elástica
SE
A g lo m er ad o Vo lcán ic o
No Elástica
NE
A rgili ca Brecha
No Elástica No Elástica
NE NE
Caliza
No Elástica
NE
Conglomerado
No Elástica
NE
Cuarzo Alunita Dacita Pofiritica
No Elástica No Elástica
NE NE
Dolomita
No Elástica
NE
Filita
Skarn Steam head
No No No No No
Elástica Elástica Elástica Elástica Elástica
NE NE NE NE NE
Vuggi Silica
No Elástica
NE
Granodiorita Mármol
7.- En función a los par ámetr os del Modulo de Deformación y/o Elasticidad y la Relación de Po isson de la roca, se puede calcular: los parámetros de la Constan te de Lamé “ l ”, el Modulo de Rigidez “G” y el Modulo de Bulk - Incompresibilidad o Expansión “K”, para se r aplicado dichos Par ámetros en el diseño de proyectos de ingeniería con la aplicación de la Mecánica de Rocas. 8.- En función a los par ámetro s de la Resistencia Compresiva y la Resistencia a la Tracción Indirecta de la roca se puede calcular el Indice de Volabilidad de la roca, con la finalidad de analizar la calidad de la fragmentación de la roca de spu és de la voladura, teniendo en consideración su ratio. 9.- Las propiedades Físico-Mecánicas de las rocas y de algunos minerales determinados en el Laboratorio d e Mecánica d e rocas se ejecutar on en condiciones normales tanto de humedad y temperatura, para el presente trabajo técnico; conllevando un mejor análisis; no se han tomado en cuenta muestras rocosas y minerales, en condiciones húmedas y secas. 10.- Es necesario para un mejor entendimiento del comportamiento de las rocas, en función a su Resistencia y Calidad, coadyuvado por la determinación de sus Propi edades Físico-Mecánicas, considerando
además el tipo de roca, tamaño de grano, textura, estructura, condición de fractura, relleno de fracturas, rugosidad de las discontinuidades, la Meteorización e intemperismo, en general, con la finalidad de ten er datos reales de campo, realizar investigaciones integrales sobre est e evento, consider ando los estan dar es del ISRM, para su posterior aplicación en el diseños de labores mineras subterráneas y superficiales, asi como tambien en obras civiles. 11.- La Calidad del Macizo Rocoso, se determina mediante la aplicación de las Clasificaciones Geomecánicas: como la Clasificación de Bieniawski "RMR” (Rock Mass Rating) cuyo objetivo, en función a la calidad del macizo rocoso, es determinar aproxi madamente cuanto tiempo pu ed e una excavación su bter rá ne a autosoportarse; la Corrección realizada por Laubscher and Taylor a la Clasificación de Bieniawski nos diagnóstica, el tipo de sostenimiento que requiere una excavación subterránea en función al recalculo de los datos originales, la Clasificación de Barton ”Q”(Indice de Calidad Tunelera) en función a los seis parámetros (RQD, Jn, Jr, Ja, Jw, SRP) y a la Dimensión Equivalente "De”, nos determina el tipo de Sostenimiento a se r utilizado, la Clasificación "SMR” (Slope Mass Rating), es un método de determinación de los factores de ajuste adec uad os para aplicar la clasificación RMR de Bieniawski a los taludes, El GSI (Strength Geological Index). de Paul Marinos, y Evert Hoek en este escrito pres enta una revisión de la estimación de propiedades de resistencia del macizo rocoso a través de su aplicación. 12.- Las Propiedades Físico-Mecánicas del macizo rocoso, se determina mediante las Clasificaciones Geomecánicas de Bieniawski "RMR” y de Barton "Q”, Resistencia Compresiva "dc” de la roca Intacta y el calculo de las con sta ntes m, s, A y B, coadyuvado por las relaciones aproximadas entre la calidad del macizo rocoso y las constantes empíricas, y en función al criterio de fallamiento de Hoek and Brown; en el presente trabajo en el Cuadro N° 70 y Cuadro N° 7 1, se presen ta las propiedades físico- mecánicas del macizo rocoso de las minas de Raura y de la mina el Gigante de la División Norte de la Compañía Minera Marsa, dond e se puede notar que los parámetros cuantificados de resistencia del macizo rocoso, pueden se r aplicados de sde el punto de la Mecánica de rocas, para el análisis de estabilidad global, que constituye la parte final de la modelización de la operación minera. 13.- En relación al comportamiento de la Labor Minera, s e debe ten er en cuenta el Sistema de Control Instrumental (monitoreo) de los componentes estructurales rocos os, hoy en día han llegado a constituirse en una parte integrante de las operac ione s mineras, para la detección de signos de inestabilidad potencial y el control de los problemas de inestabilidad, antes, durante y después de la construcción de dicha labor minera, con la finalidad de garantizar la
seguridad, verificación de la validez de los modelos conceptuales; propiedades del macizo rocoso. usa dos en los cálculos para el diseño; y, para el control d e la implementación del tratamiento para remediar y/o mitigar el ecosist em a impactado. 14.- El Dr. E. Schmidt, ideó el ensayo respectivo de rebote, empleando el Martillo Schmidt de dureza, un proceso no destructivo de la roca, que puede estimar la Resistencia Compresiva, considerando los estándares del ISRM; durante la voladura s e producen vibraciones a través del macizo rocoso, est as vibraciones son dete ctad as mediante el registro de las ondas: longitudinal, vertical y transversal, el registro de est as on das nos permite predecir el efecto que producirán al efect uarse la voladura, según Langerford la Velocidad de Onda de be ser V< 2”/seg., para que no afecte la operación minera, es ta s ondas pueden ser medidas por el sismógrafo y/o blaster, la instalación de Piezómetros nos permiten analizar las formaciones geológicas, zo nas de fallas y zonas productoras de agua (Nivel Freático), así como también nos permite medir la columna de agua, los piezómetros construidos hasta la fecha y previstos a futuro, puede considerarse como instalaciones "profundas” ( es decir, mayor es de 50 metros). se ha utilizado la circulación invertida, la perforación de roto - percusión para pozo de sondeo; el Sistem a de Control Instrumental subterráneo, actualmente el método más adecuado y útil para el control de las deform aciones 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 respec to a otros y viceversa, para est e tipo d mediciones se utiliza el Extensometro de Cinta, el Extensometro de varillas mecánico de 6 posiciones, la Barra Telescó pica Extensometrica e Inclinómetro. 15.- Los trabajos relacionados a los objetivos y alcan ces planteado s han sido cumplidos en su totalidad según el cronogram a pre-establecido, las interpretaciones y evaluaciones de los resultados de los ensay os ejecutad os sobre muest ras roco sas y minerales; son provenientes de las minas y obras civiles representativas de nuestro país; esp er and o además que el presen te trabajo técnico sea el inicio de muchas investigaciones referidas a la Determinación de las Propied ades Físico-Mecánicas d e las Rocas y Monitoreo de la Masa Rocosa de minas y obra s civiles; para ser aplicado en el diseño de construcción de labores mineras Subterráneas y Superficiales; y, obras civiles de gran envergadura, mediante la Ciencia de la Mecánica de Rocas, así como también relevando lo más importante se dio el primer pa so.
RECOMENDACIONES 1.- Es recomend able que al realizarse la recolección de muest ras rocosa s y de mineral; en el campo, de las operaciones mineras y/o de la construcción de la obra Civil, se tomen en el cuenta las consideraciones técnicas, como ubicación de la muestra, estado de la muestra (secasaturada), si fuera posible la posición de acuerdo a los estratos (Rumbo y Buzamiento). 2.- En la preparación de probetas rocosas y/o minerales para ser en say ad as se d ebe considerar: - Todas las probet as deb en conservar el paralelismo, en caso contrario se debe refrentar las bases. - Las probetas a ser prepar adas para los ensa yos de determinación de Propiedades Físicas, solo es necesario tener en cuenta su peso de acuerdo al estándar del ISRM, porque el volumen se puede calcular por el principio de Arquímedes. - Es necesario refrentar las ba ses de la Probeta para el caso de los ensayos de compresión simple y/o uniaxial; y, para el ensayo de compresión triaxial, razón que cuando se aplica la carga-fuerza (Kg-f) esta sea uniformente repartida en la superficie u área de la base de la probeta, y que los resultados del en sa yo sean representativos. - Al momento de preparar las mues tras ro cosa s y mineral es necesa rio tener muy en cuenta la dirección de las discontinuidades, para que cuando se ejecuten los ensayos, se describa en las observaciones. - Es recomendable tener en cuenta la planificación de los ensay os a ejecutarse en función a la cantidad de muestras rocosas y minerales, para preparar las probetas nec es ar ias a en sa yar se , considerando adem ás la relación de esbelte para cada ensayo. - Es recomendable en lo posible realizar los cortes de las probetas en relación a la esbeltez, para evitar las correcciones aplicadas para el calculo del parámet ro a cuantificarse. 3.- En la ejecución de los ensayo s sobr e las probetas rocosas y/o minerales se d ebe considerar: -
Es reco mend able ant es de iniciar el ensayo tomar las medidas del diámetro y largo de la probeta sus características como: tamaño de grano, discontinuidad si hubiera, y otras peculiaridades relevantes de la probeta. - Es recomendable tener present e la relación de esbelte z de la probeta, antes de iniciarse el ensayo, para que los resultados sean representativos.
4.- Es recomendable cuando se realiza la determinación de las propiedades físicas, al determinarse el peso seco y saturado controlar el tiempo de sequedad en la mufla y la saturación en el agua destilada para que los resultados obtenidos sean más realistas. 5.-
Es recomendable seguir los procedimientos para cada ensayo, con la finalidad de obtener un ensayo representativo, considerando la utilización correcta del equipo y/o máquina de ensayo.
6.- Es recomendable realizar como mínimo cinco ensay os de acue rdo a los estándares del ISRM, para obtener mayor cantidad de datos y realizar correlaciones y realizar un diagnostico preciso. 7.- Es recomendable, hoy en día que la información es más accesible; es necesario al momento de ejecutarse los ensayos sobre las probetas de rocas y/ minerales , con ocer la razón social que solicita el servicio de ensayos, la procedencia de la muestra, su ubicación, tipo de roca y otros aspectos relevantes para que se pueda realizar las correlaciones respectivas y realizar mejores análisis, e incrementar los es tánd ar es de las propiedades Físico-Mecánicas de las rocas en nuestro país, del pres ente trabajo técnico. 8.- Es recomendable en lo relacionado al monitoreo sub terrá neo, bas ado en la medición de las deformaciones (desplazamientos) de los diferentes componentes estructurales de la mina, principalmente en las labores de desarrollo y preparación como: pilares, cruceros y rampas, establecer el método más adecuado y útil para el control de las deformaciones, así como también las mediciones de convergencia controlando los cambios del contorno de la excavación en el tiempo por efectos del proceso de concentración o relajación de los esfuerz os inducidos por el minado. 9.- Es recomendable en lo relacionado al monitoreo superficial. ba sa do en las mediciones de subsidencia, de los componentes estructurales de la mina, principalmente en las labores de desarrollo, preparación y explotación, como: rampas, bancos, establecer el método más adecuado y útil para el control de la deformaciones, mediante la aplicación de sistemas de control computarizados, considerando la ubicación precisa de los sensores y transmisores de los equipos de control. 10.- Es recomendable, para diseñar un sistema de Control instrumental, en una operación minera y/u obra civil, considerar los equipos más adecuados para dicho control, la instalación precisa de ca da uno de los elementos que constituyen los equipos de control, para que los resultados pueden ser representativos, y en función a su evaluación mitigar y/o prevenir cualquier ocurrencia en la operación minera.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1.- Ramírez Oyanguren P.,. de la Cuadra Irizar l., Lían Huerta R., Grigalbo Obeso E. “MECANICA DE ROCAS APLICADA A LA MINERIA METALICA SUBTERRÁNEA”, Madrid, España, 1984. METHOD FOR THE CUANTITATIVE 2.- I.S.R.M. “ SUGGESTED DESCRIPTION OF DISCONTINUITES IN ROCK MASSES”. J, Rock Mech. Min, Scie. Geomech, Abstr, Vol. 15, U.S.A., 1984 3.- Hoek E. And Brown, ET. “EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS EN ROCA” México, traducido de la primera edición. 1980. 4.- Obert L., And Duvall W. “ROCKS MECHANICS AND DESIGN OF
STRUCTURES IN ROCK” John York, London Sydney, 1967.
Wiley And
Sons Ing., New
5.- Gamero Sanpedro, Fernando. “LA MECANICA DE ROCAS EN LA MINERIA”., IBERGESA, España, 1977. 6.- Brady, B.H.G, Brown, E.T “ROCK MECHANICS FOR UNDERGROUND MINING”, London, England, 1983. 7.- Farmer, Ian William. “ENGINEERING PROPERTIES OF ROCKS”, E. F.N. Spon Limited Great Britain, 1968. 8.- S tagg- Zienkiewicz, “ MECANICA DE ROCAS PRACTICA”, Editorial - Blume, España, 1970.
EN LA INGENIERIA
9.- David Córdova Rojas, “CURSO MECANICA DE ROCAS”, Universidad Nacional de Ingeniería - UNI, Lima , Perú - 2001. 10.- Instituto Tecnológico Geominero de Espa ña “MANUAL DE PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS”, Ríos Rosas, 23, 28003, Madrid. 11.- George H. Davis, “STRUCTURAL GEOLOGY OF ROCKS AND REGIONS” The University of Arizona, Canada, 1984. 12.- INFORMES TÉCNICOS DE MINAS PERUANAS: * * * * *
SOSTENIMIENTO MINA SAN VICENTE PRUEBAS DE ARRANQUE DE PERNOS MINA MILPO ESTALLIDO DE ROCAS MINA CASAPALCA MECANICA DE ROCAS MINA QUIRUVILCA CONTROL DE SUBSIDENCIA PERUBAR S.A.
* EVALUACIÓN DE SOSTENIMIENTO MINA HUANZALA * AVANCE EN LA EXPLOTACIÓN MINA JUANITA * MODELO GEOMECÁNICO ANTAMINA S.A. * PROPIEDADES MECANICAS MINA PIERINA * CONTROL DE LA ESTABILIDAD MINA JUANITA I, II * INSTALACION DE PIEZOMETROS - MINERA BARRICK MISQUICHILCA 13.- MANUALES DE OPERACIÓN * MAQUINA CORTADORA DE DISCO DIAMANTINO * MAQUINA DE CORTE DIRECTO * SONDA SACATESTIGOS * MAQUINA DE COMPRESIÓN DE ROCAS * MAQUINA DE CARGA PUNTUAL * MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOS * EXTENSOMETRO DE CINTA * BARRA TELESCOPICA EXTENSOMETRICA * INCLINÓMETRO * ESTACION TOTAL 14- REVISTAS ESPECIALIZADAS * TECNITERRAE * ROCAS Y MINERALES * TUNELLING
ANEXOS
CUADRO DE ALTERACIONES FRECUENTES Núm ero 1 2
Mineral Cuarzo ortosa
3
Plagioclasa Sódica Plagioclasa Cálcica Biotita
4 5 6
Muscovita
7
Hornblenda
Alteració n No se altera Hidrotermal y Meteorización Hidrotermal y Meteorización Hidrotermal y Meteorización Hidrotermal y Meteorización Hidrotermal y Meteorización Hidrotermal y Meteorización
Denom inación
Caolín Sericita Caolín Sericita Epidota Calcita Clorita Hematita - Magnetita Sericita
Caolinización Sericilización Caolinización Sericilización
Oxidos Sericilización
Actinolita - Clorita Epidota - Calcita Anfibolita Hiperstena (Orto px) Tremolita
Hidrotermal y Meteorización 9 Anfiboles Hidrotermal y Tremolita - Actinolita Uralita Meteorización Hornblenda Fuente: Ing° Luis Maldonado Zorrilla, Compañía Minera Ares S.A.C., "Agentes Inestibilizadores de rocas que afectan la explotación de yacimientos mineros"- XXVI Convención Minera- 2003. 8
Piroxenos
Producto
CLASIFICACIÓN DE ROCA INALTERADA DE DEERE AND MILLER DESCRIPCION
Resistencia muy baja Resistencia Baja Resistencia Media Resistencia Alta Resistencia muy Alta
Res istenc ia Com presiva "dC" Kg/cm 2
MPa
10 - 250 250 - 500
1 - 25 25 - 50
500 - 1000 1000 - 2000
50 - 100 100 - 200
> 2000
>200
Fuente: E. Hoek / E.T. Brow
MODULO RELATIVO DE LAS ROCAS Clase Descripción Modulo Relativo H Modulo Relativo Elevado > 500 M Modulo relativo medio 200 - 500 L Modulo relativo Bajo < 200 Fuente : E. Hoek / E.T. Brown.
MODULOS DE DEFORMACION DE LAS ROCAS Cl as e Des c r i p c i ó n Cu as i - E l á s t ic a QE SE S e m i - E l á s ti c a NE No - E lá s tic a Fuente : Farmer.
" E" (K g /c m 2) 6 - 11 x 1 0 5 4 - 6 x 105 < 4 x 105
CONSTANTE DE LAME: La constante de lamé se calcula mediante la formula matemática: l
= —
---------
(i +v )(i )(i - 2V)
MODULO DE RIGIDEZ : El Modulo de rigidez se calcula mediante la formula matemática: G
=
E 2(1 + V )
MODULO DE BU LK - INCOMPRESIBILIDAD INCOMPRESIBILIDAD O EXP EXPASI ASION ON El Modulo de Bulk o incompresibilidad o de expansión se calcula mediante la formula formula matemática: K =
E
3(1 - 2V 2V))
INDICE DE VOLABILIDAD (HINO 1959) El indice de volabilidad se calcula mediante la formula matemática: T S c l v = ---S t
S A C O R E D S O P I T S O L E D N O I C A C I F I S A L C
1 8 9 1 M R S I 4 7 9 1 N A M R A E D : e t n e u F
üiij j (¡ |3 pjíd ‘iu !ed üiijj |3p pnySuo]
N O T R A B
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1ES Hi lil íh Í fcí.wá, fcí.wá, •** a © rf Ü wf tft 8 ’-*í m m m m “ h ffii f¡m $s W a a-i Sí s¿ S * C; # v :v €J '5 3 1 €J a 1 S 0: % '§:$ | f 4fljljfc-¿#s¡' íII; t?' •M- iitíii t t*****.3 ¿iÍSi.g« ^ r¿ l —fr J1'm*53 *53.£&w:. ,0. M- q,r¿:Q k :Q ‘ É "$tiS $ r : ÍJ •m4^í P 4^ ..$ 8$ # if 11 1I % '#*3¿í :«ít&*Í0a ü m M M *"-r¿ %% 'fN# N#
L E E T N A I D E M O T N E I
M A Z R O F E R E D O Ñ E S I D L E A R A P O R D A U C
' M m *c^í: ‘P .t«se*ív•' fV i■¿yS^ w . < »c i N ;f, f, 1VV f s e p s g0 iPi?’ IB -v Ó m 1 1 *fS # sf 6 f l •s•f?á#í¿8? ñ< y ;f 1&* 15. í?Vi &■ p | ó * f e 5 S fí: s 0' ;|j fe ó || ítí ítí í£ I) I I /«? B af
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RESUMEN DE CUADROS PARA ANÁLISIS Cuadro N° 72 PROPIEDADES FÍSICAS DE LA CALIZA MINA
Densid ad gr/cm3 2.72
P.E.a. KN/m3 26.88
P.a. % 0.47
Absorción % 0.17
Iscaycruz San Nicolás Cementos Norte Pacasmayo Huanzala Cerro de Pasco
2.59 2.67 2.65
25.00 26.21 26.01
4.62 1.58 0.99
1.81 0.59 0.37
2.67 2.66
26.20 26.13
4.72 2.39
1.76 0.90
Raura
Cuadro N° 73 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA CALIZA
Is Kg/cm2
dc
Constantes
Kg/cm2 " E" Kg/cm2
522.70
Raura Iscaycruz
619.25
San Nicolas Cemento Norte
78.66
Pacasmayo Colquijirca
73.27
Elastic as
Corte Directo " C" Kg/cm2
0.89 x 105
0.22
2.13 x 105
0.25
1.04 x 105
0.28
1.31 x 105
0.16
2.81x105
0.15
"Pj"
dt
0
Kg/cm2
61.79 68.48
1654.84
Huanzala San Miguel
0.80
1611.44
Cerro de Pasco
Cuadro N° 74 PROPIEDADES FÍSICAS DE LA ANDESITA MINA
Dens idad gr/cm3 Quiruvilca 2.65 Raúl 2.88 Juanita 2.73
P.E.a. KN/m3 25.72 28.30 26.48
P.a. % 4.32 0.74 0.49
Absorc ió n % 1.75
0.18
31.50
109.95
Cuadro N° 75 PROPIEDADES MECANICAS DE LA ANDESITA
Mina Obra Civil Juanita
Compresión Triaxial Constantes Elásticas "Pj" 0 "E" Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2 "So" Kg/cm2 962.58 93.57 177 46.6 1.62x105 0.20 dc
Raúl 1868.90 170.54 Lunahuana 2759.81 Lag u nillas Juanita
Corte
dt
321.7
49.5
614.31 1320.60 140.50
" P j" 0
Directo "C" Kg/cm2
31 - 34 32 2.17x105
0.21
32.36
1.096
4.60x105
0.35
54
2.200
Cuadro N° 76 PROPIEDADES FÍSICAS DE LA GRANODIORITA OBRA CIVIL
Densid ad
Túnel Kovire Tú nel Carhuaquero Ch av im o c hic
gr/cm3 2.46 2.07 2.65
P.E.a. KN/m3 24.11 20.34 26.00
P.a.
Absorc ión
% 6.96 5.24 0.72
% 2.83 1.89 0.27
Cuadro N° 77 PROPIEDADES MECANICAS DE LA GRANODIORITA OBRA
Is
CIVIL
Kg/cm2
Túnel Kovire Túnel Carhuaquero Chavim och ic
79.40 89.20
dc
dt
Co nstantes Elás tic as
Kg/cm2 Kg/cm2 " E" Kg/cm2 885.89 563.74 812.20
84.53 56.40 84.30
0.76 x 105 0.65 x 105 0.75 x 105
Corte " C" Kg/cm2
0.27 0.13 0.15
Directo "Pj" 0
0.80
35.10
2.00
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C A P A C ID A D D E A N C L A J E D E L O S P ER NO S DE R O C A
Por: Ing° Luis Torres Yupanqui* En el Planeamiento de minado, para la explotación racional de un yacimiento o depósito minero, subterráneo o superficial, están consideradas como operaciones y/o fases mineras unitarias: La perforación, voladura, limpieza, sostenimiento, carguio, entre otras, cada una de estas operaciones mineras unitarias en este caso el Sostenimiento; cuyo objetivo es el restablecimiento del equilibrio del macizo rocoso, mediante el refuerzo, soporte , revestimiento, relleno, grouting, con la finalidad de garantizar la estabilidad de la labor minera; está basado en criterios de teorización e investigaciones de campo, que consideran parámetros como: La Clasificación Geomecánica del Macizo Rocoso, diseño del sistema y/o elemento de sostenimiento; para una mayor producción y productividad, con seguridad para el personal, equipos , maquinarias e infraestructura de la operación minera. El Sostenimiento de labores mineras subterráneas y superficiales mediante el refuerzo considera la aplicación de los pernos de roca (Rock Bolt), que son clasificados de acuerdo a su tipo de anclaje: Anclaje Puntual: Pernos mariposa Anclaje Repartido Químico: Perno cementado Perno con resina Mecánico: Split Set Swelllex. Anclaje Combinado: Pernos Kiruna Para la aplicación de los pernos de roca en el diseño del sostenimiento; como elemento de refuerzo, de una labor minera subterránea y superficial, uno de los aspectos ha considerarse, es su capacidad de anclaje. La capacidad de anclaje de un perno de roca; de anclaje puntual, repartido y combinado, se determina mediante el ensayo de tracción (P ull Test), empleando la maquina de arranque de pernos (Rock Bolt Tester). MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOS La máquina de arranque de pernos permite determinar la capacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje puntual, repartido y combinado), instalado en un determinado macizo rocoso, mediante el ensayo del “ Pull Test” , esta capacidad de anclaje de un perno de roca, es determinado considerando aspectos importantes como: Longitud del perno. Diámetro del taladro. * Ing° Especialista en Instrumentación de campo - Mecánica de Rocas.
Tiempo de instalación. Calidad del macizo rocoso. Además permite controlar su comportamiento del perno de roca, como sistema de sostenimiento de labores mineras subterráneas y superficiales. durante y después de su instalación. La máquina de arranque de pernos, como se aprecia en la Foto N° 1, consta de tres partes: UNIDAD DE PRESIÓN Esta unidad de presión esta constituida por las siguientes componentes: - Gata central. - Bomba Hidráulica. - Manguera de transmisión de presión. UNIDAD DE LECTURA DE MEDICIONES Esta unidad de lectura de mediciones esta constituida por las siguientes componentes: - Reloj de lectura de presión. - Calibrador. - Soporte Universal. ACCESORIOS - Cabeza de jalado. - Tornillo de jalado. - Tuercas. - Perno de ojillo. - Espaciadores. - Arandelas. - Sujetador de punto cero. - Manija (manipulador de ajuste). - Puente de cabeza. - Abrazadera grande. - Guía Metálica de perforación. - Llaves hexagonales.
Foto N° 1
CAPACIDAD DE ANCLAJE DE PERNOS DE ROCA EN MINAS PERUANAS
Compañía
Ubicación
Cia Minera Milpo Piq. Picasso Tajeo Cia Minera San San Vicente Ignacio de Nv. 1870 Morococha
Características del perno Material Longitud Diámetro
Capacidad de anclaje
Fe/cemento Fe con resina Split set
7 pies 7 pies 7 pies
3/4" - 1 " 1.4 Ton/pie lineal ancl. Rep. 3/4" - 1 " 1.0 Ton/pie lineal ancl. Rep. 40.5 mm. 0.8 Ton/pie lineal ancl. Rep.
Split Set Split Set Split Set Fe/cemento
7 pies 5 pies 3 pies 7 pies
40.5 mm. 40.5 mm. 40.5 mm. 1" 3/4"
0.84 Ton/pie lineal 0.93 Ton/pie lineal 1.08 Ton/pie lineal 2.00 Ton/pie lineal
ancl.Rep. ancl.Rep. ancl.Rep. ancl.Rep.
Corp. Minera Nor Perú S.A.
Quiruvilca
Mariposa
6 pies
PERUBAR S.A.
Juanita
Split Set Fe con resina Fe con resina
7 pies 2.8 m. 3.5 m.
40.0 mm. 0.90 Ton/pie lineal ancl.Rep. 1" 0.90 Ton/pie lineal ancl.Rep. 1" 0.96 Ton/pie lineal ancl.Rep.
Split Set Split Set
7 pies 5 pies
40.5 mm. 0.8 Ton/pie lineal ancl. Rep. 40.5 mm. 0.79 Ton/pie lineal ancl.Rep.
Fe/cemento
7 pies
Centromin Peru San Cristobal Casapalca Cia Minera Santa Luisa
Huanzala
3/4"
2.0 Ton de anclaje puntual.
1.40 Ton/pie lineal ancl.Rep.
Las capacidades de Anclaje de los pernos son el promedio de una tanda de ensayos considerando, por ejemplo: * En el caso de un Split Set en función a la longitud del perno (3, 5 y 7 pies) se puede demostrar que varia su capacidad de anclaje, a su diámetro de taladro, a menor diámetro de taladro mayor adherencia, a su tiempo de instalació , a mayor tiempo de instalación menor deformación y calidad del macizo rocoso. * En el caso de un perno de Fierro Corrugado (perno cementado), su capacidad de anclaje, estará determinado en función al tipo de relleno del taladro; con lechada de cemento, mortero; diámetro del fierro corrugado, tiempo de instalación y calidad del macizo rocoso. * En el caso de un perno de Fierro Corrugado (perno con resina), su capacidad de anclaje, estará determinado en función al número de cartuchos de resina introducidos en el taladro, diámetro del fierro corrugado, tiempo de instalación y calidad del macizo rocoso. * En el caso de un Perno Mariposa, su capacidad de anclaje, estará determinado por la longitud y diámetro de la varilla insertada a la mariposa, el número de aletas y dientes de la mariposa y la calidad del macizo rocoso. * Es necesario considerar la importancia de la Placa de Apoyo, al momento de su instalación; debe estar en contacto con la superficie de la roca, puesto que existe diversas formas de placas,
