Prueba PLT

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Universidad Nacional Mayor De San Mayor

Grupo De Estudio De Mecánica De Rocas

“Año del Buen Servicio al Ciudadano”

ESCUELA ACADEMICA DE MINAS

correo: [email protected]

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USO DE ENSAYO DE CARGA PUNTUAL PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA COMPRESIVA UNIAXIAL DEL CARBÓN ROCA DE LA MEDIDA John Rusnak, Director de Geología Grupo Peabody St. Louis, MO Christopher Mark, Mecánica de Rocas Jefe del Proyecto Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional Pittsburgh, PA ABSTRACTO El ensayo de carga puntual se utiliza para determinar el índice de resistencia de la roca en la práctica geotécnica. El aparato de ensayo de carga puntual y el procedimiento permite que la prueba sea económica ya se hecha de la matriz o hecha de una parte de la roca o si estas son muestras en un campo o laboratorio. A fin de poder estimar la fuerza de compresión uniaxial, el índice de resistencia hallados, se utilizarán como factores de conversión. Estos factores se han propuesto Por varios investigadores y dependen del tipo de roca. Este estudio incluyó el extenso marco de carga y la prueba de carga puntual del carbón que mide las rocas en seis estados. Más de 10.000 resultados se utilizaron de las pruebas individuales, de 908 unidades de roca distintas en el estudio. Las litologías rocosas se clasificaron en general en Categorías y los factores de conversión se determinaron para cada categoría. Esto permite que se hagan datos de la resistencia de la roca intacta, disponibles a través de pruebas de carga puntual para el análisis geotécnico numérico y sistemas empíricos de clasificación de masas rocosas como la calificación de techo de mina de carbón (CMRR - Coal Mine Roof Rating).

INTRODUCCIÓN La prueba de carga puntual (PLT) es un procedimiento de mecánica de roca aceptada y utilizado para el cálculo de índice de resistencia de roca. Este índice puede usarse para estimar otros parámetros de resistencia de roca. El objetivo de este trabajo es presentar el análisis de datos utilizados para correlacionar el índice de prueba de carga puntual (Is 50) con la resistencia de compresión uniaxial (UCS), y proponer el adecuado (Is 50) para el UCS para diferentes factores de conversión para las diferentes rocas de carbón. La resistencia de roca determinada por el PLT, son resistencia de carga que ellos estiman, son una indicación de resistencia de roca intacta y no necesariamente la resistencia del macizo rocoso o la masa rocosa. ESCUELA ACADEMICA DE MINAS


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LA PRUEBA DE RESISTENCIA DE COMPRENSION UNIAXIAL La UCS es sin duda la propiedad geotécnica que es más a menudo citado en la práctica de ingeniería de la roca. Es ampliamente entendido como un índice aproximado que da una primera aproximación de la gama de cuestiones que es probable encontrar en una variedad de problemas de ingeniería incluyendo soporte de techo, diseño de pilar y técnica de excavación (Hoek, 1977). Para la mayoría de problemas de diseño de minas de carbón, una aproximación razonable de la UCS es suficiente. Esto se debe en parte a la alta variabilidad de mediciones UCS. Además, las pruebas son caras, principalmente debido a la necesidad de preparar cuidadosamente los especímenes y asegurarse de que sus extremos son perfectamente paralelos.

LA PRUEBA DE CARGA PUNTUAL El PLT es una alternativa atractiva para el UCS porque puede proporcionar datos similares a un costo más bajo. El PLT ha sido utilizado en análisis geotécnico durante más de treinta años (ISRM,1985). El PLT implica la compresión de una muestra de roca entre placas cónicas de acero hasta que ocurre el fallo. Los aparatos para esta prueba consisten en un bastidor rígido, dos puntos de carga, un cilindro activado hidráulicamente con manómetro y un dispositivo para medir la distancia entre la carga de puntos. El manómetro debe ser del tipo en el que se pueda registrar la presión de falla. Un estado de la carga puntual debe tener un dispositivo técnico para la prueba con sofisticada lectura de presión de la instrumentación se muestra en la Figura 1.

Figure 1. The Point Load Tester. ESCUELA ACADEMICA DE MINAS


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La Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM, 1985) ha establecido los procedimientos básicos para el ensayo y cálculo del índice de resistencia de carga puntual. Hay tres tipos básicos de pruebas de carga puntual: axial, diametral y de bloque o terrón. Las pruebas axial y diametral se realizan en el núcleo de muestras de roca. En la prueba axial, la probeta se carga paralelo al eje longitudinal del núcleo, y esta prueba es más comparable a una prueba de UCS. La prueba de carga puntual permite la determinación del Índice de resistencia de carga puntual no corregido (Is). Debe corregirse al diámetro equivalente estándar (De) de 50 mm. Si el núcleo de 50 mm de diámetro (como el núcleo NX), la corrección no es necesario. El procedimiento para la corrección de tamaño pueden obtenerse gráfica o matemáticamente como se indica en los procedimientos ISRM. El valor para el Is50 (en psi) es determinada por la siguiente ecuación. Is50 = P / De2

……………………………………………………. (1)

P = Falla Carga en lbf (presión x área del pistón). De = Diámetro del núcleo equivalente (pulg). Como señaló Hoek (1977), la mecánica del PLT realmente hace que la roca falle por tensión o corte. La precisión del PLT en la predicción de la UCS, por lo tanto, depende de la relación entre la UCS y la resistencia de la tensión. Para las rocas más frágiles, el ratio es de aproximadamente 10. Para las piedras de barro blandas y las arcillas, sin embargo, la relación puede estar más cerca de 5. Esto implica que el PLT los resultados podrían tener que interpretarse de manera diferente para las más rocas débiles. Los primeros estudios (Bieniawski, 1975, Broch y Franklin, 1972) se realizaron en rocas duras y fuertes, y se encontró que la relación entre UCS y la fuerza de carga puntual podría expresarse como: UCS = (K) * Is50 = 24* Is50 …………………………………….....(2) Donde K es el "factor de conversión". Estudios posteriores se encontró que K = 24 no era tan universal como se esperaba, y que en su lugar parecía haber una amplia gama de factores de conversión. La Tabla 1 resume los resultados publicados obtenidos rocas sedimentarias. La mayoría de las estimaciones sitúan la conversión en un rango entre 16 y 24, con valores aún más bajos para algunos shales y mudstones.



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En los estudios que comparan el PLT con el UCS, generalmente se supone que la prueba UCS es la norma standard. En realidad, sin embargo, las pru ebas UCS proporcionan una estimación de la "verdadera" UCS de la roca. La precisión de la estimación depende de la naturaleza de dispersión en los resultados de la prueba UCS (indicado por la desviación standard (SD)) y el número de ensayos realizados (n). Esta relación es capturada por el concepto de la "Intervalo Con fianza” (CI). Para los datos distribuidos normalmente, el IC del 95%. La media se expresa como:

Tabla 1. Comparaciones publicadas entre la carga puntual y las pruebas de fuerza de compresión uniaxial para la roca sedimentaria.

NG = No se da en la referencia En general, la variabilidad en la relación PLT-UCS puede se puede atribuir a tres fuentes: 1. Inexactitud en la estimación de la UCS real obtenida de Pruebas UCS. 2. Inexactitud en la estimación del verdadero PLT obtenido de Pruebas PLT. 3. Diferencias reales entre las dos pruebas.



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Muchos de los estudios resumidos en la Tabla 1 compararon una Conjunto de pruebas de carga puntual a una única prueba UCS. Con tal Experimental, gran parte de la dispersión en los resultados podría Realmente imputables a la inexactitud de las pruebas UCS.

PEABODY DATOS DE MECANICA DE ROCAS Peabody estableció una prueba de mecánica de rocas en la casa Instalación en el otoño de 1986. Esta instalación se encuentra en Freeburg, ILLINOIS. Se compró una gama completa de equipos para realizar pruebas Incluyendo la fuerza de compresión uniaxial, la tensión indirecta Fuerza, índice de carga puntual, resistencia a la compresión triaxial, flexión Fuerza, resistencia al cizallamiento directo, fluencia a largo plazo, tornillo de techo Capacidad de anclaje, durabilidad del sedimento, velocidad ultrasónica, Tensión de hinchamiento y límites de Atterberg. La carga puntual diametral (DPL, por sus siglas en inglés) no se inició hasta 1996, Interés en la utilización de la calificación de techo de mina de carbón (CMRR). Se siguen los procedimientos ASTM y ISRM para todas las rocas Pruebas mecánicas. Esta prueba se ha realizado principalmente en muestras de núcleo Obtenido de la perforación de exploración para proporcionar datos para la mina Planificación y diseño. La instalación de Freeburg fue finalmente vendida A los Laboratorios Standard en 1991 que continúan operando. La mayoría de los datos analizados en este Pruebas realizadas en Freeburg. Después de 1997, todas las pruebas de Virginia Occidental Han sido llevado a cabo en las pruebas de Commerical Instalación en Beckley, WV. Actualmente, la base de datos contiene Resultados de las pruebas mecánicas de 914 taladros de los estados de WV, IL, KY, IN, CO y OH. La mayor parte del núcleo era de tamaño NX Con unos 75 mm de diámetro. Un mapa que muestra la Distribución de la perforación se muestra a continuación (figura 2).



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Figura 2. Ubicación de los taladros de los cuales Se obtuvieron las muestras.

LA BASE DE DATOS UCS Y PLT – ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA La metodología utilizada en la selección de muestras de las pruebas fueron las siguientes: 1. Dentro de cada agujero, se identificaron unidades de roca donde la secuencia de las pruebas se había realizado con una idéntica descripción geológica y sin brechas importantes en la elevación. 2. Las unidades de roca con al menos 3 resultados de UCS y 3 PLT fueron seleccionados para su inclusión en la base de datos. 3. La media UCS, la media de Is50, las desviaciones estándar, y el CI95 se calcularon para cada unidad de roca. Las muestras también se clasificaron en tipo de roca basado en la descripción geológica. Estos tipos de rocas corresponden a los números de clasificación Ferm. Ferm y Weisenfluh (1981) desarrolló un sistema de clasificación numérica para medir los tipos de roca de carbón utilizando fotografías en color de núcleo de roca en una guía de índice. Se ha aceptado ampliamente como un medio para la roca una consistente identificación y para su uso en bases de datos informáticas de perforación información. Las categorías de tipos de rocas y su ESCUELA ACADEMICA DE MINAS


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clasificación numérica de la Ferm utilizados en este análisis de datos son los siguientes:

De las 36.000 pruebas originales, más de 10.000 de 908 unidades de roca fueron retenidas para el análisis. La distribución de los Unidades y valores representativos se presentan en la Tabla 2. El Mediana de las medias es reportada, en vez de la media de las medias, para reducir la influencia de los valores atípicos. Todas las estadísticas se realizó el análisis con SPSS versión 10. La Figura 3 compara la UCS determinada para diferentes tipos de roca en diferentes regiones. Una observación llamativa es que las rocas del Medio Oeste (IN, IL y KY occidental) son significativamente Más débiles que sus homólogos de WV (hecho confirmado por ANOVA). La Figura 4a muestra el rango de desviaciones estándar para las pruebas de UCS, expresado como una fracción de la media de UCS. Las desviaciones estándar son mayores para las calizas (limestones ) y la esquistos (shales) de SD (Desviación Estándar )aproximadamente el 35% de la media. El estándar medio de las desviaciones de los sedimentos y areniscas representan alrededor del 19% de la media. La Tabla 2 también informa de la mediana es Is50 y SD de Is50. Expresado como un porcentaje de la media, el estándar medio de desviación de los rangos es de Is50 a partir del 20% de piedra arenisca al 35% para esquisto. Como lo confirma la figura 4b, la variabilidad del PLT es similar al de la prueba UCS, como se ha informado en otra parte (ISRM, 1985).



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N - Número de pruebas. UCS - Fuerza de compresión no confinada (psi). SD - Desviación estándar (psi) Is50 – Índice de carga puntual.



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Figure 4a. Histograms of standard deviations, Uniaxial Compressive Strength.



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Los valores Is50 obtenidos que se encuentran de este estudio se comparan con los datos reportados por Molinda y Mark (1996) en el cuadro 3. Los d atos de Molinda y Mark se obtuvieron de EE.UU. e incluye un alto porcentaje de pruebas de WV sur. La tabla 3 incluye medios de la media es Is50 valores para hacer que el resultados comparable. Se puede ver que los dos estudios encontraron Resultados similares.

RESUMEN DEL ANÁLISIS DE LA REGRESIÓN Una regresión lineal entre la media de Is50 y la media de los valores de UCS determinados para las 908 unidades produjo la siguiente ecuación: UCS = 1970 + 17,6 * Is50 .......................................................... (4) El coeficiente de correlación (r 2) obtenido por la ecuación 4 es 0,68, lo cual no es malo para la mecánica de rocas. La regresión de la ecuación simplemente usa los pares de medios, sin tener en cuenta la Desviaciones Estándar asociadas. Por lo tanto, la ecuación para r 2 para la prueba 4 implica que la prueba de carga puntual explique los dos tercios de la Variabilidad en la UCS, con un tercio atribuible a los tres Posibles fuentes de dispersión enumeradas anteriormente. )

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La ecuación 4 contiene una intercepción, sin embargo, a diferencia de la Tradicional en la relación UCS-PLT (ecuación 3). Desafortunadamente, el r 2 obtenido a partir de una regresión cero en el origen no es comparable con el estándar r 2. Por lo tanto, una medida diferente de la validez del resultado. Para este estudio, la medida de validez se definió como el porcentaje de la media de valores de Is50 que caen dentro del IC del 95% de la UCS ESCUELA ACADEMICA DE MINAS


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correspondientes. Además,

el porcentaje de la media de valores de Is50 da entre 10 y 20 MPa (1.500 y 3.000 psi) de los IC 95% de la UCS m edia también se calcularon. La ecuación de regresión de intersección con cero obtenida de todo el conjunto de datos es: UCS = 21,0 * Is50

.............................................. (5)

Con esta ecuación, el 50,4% de los valores de UCS previstos caen dentro del IC del 95% de la UCS medida. Sólo el 8,5% de Los valores previstos están más de 20 MPa lejos del 95% CI (figura 5). Para la ecuación 4, la ecuación de regresión con una Interceptación, el 49,0% de los valores previstos estaban dentro del 95% CI y 7.6% estaban a más de 20 MPa de distancia. Parece que en la ecuación de intersección cero es tan precisa como la norma de la ecuación de regresión que incluye una intercepción.

Figura 5. Histograma mostrando la diferencia entre UCS predicha por el PLT usando la ecuación 5, y la confianza del 95% Intervalo de la UCS medida. La barra cero incluye todos los casos que cayeron con el IC del 95%. La Tabla 4 muestra los factores de conversión (K) obtenidos de Análisis de regresión de cero-intersección sobre varios subconjuntos de los datos. Casi todos los valores de K se encuentran entre 20 y 22, independientemente de tipo ESCUELA ACADEMICA DE MINAS


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rocoso o de origen geográfico. Las Figuras 6a-6e muestran la ecuación de regresión (ecuación 5) trazada en los diferentes datos Subconjuntos Tabla 4. Factores de conversión (K) obtenidos de Análisis de regresión de intersección cero.

Finalmente, la relación entre la resistencia de la roca y K fue explorado. Hubo una ligera tendencia a la relación UCS / Is50 ¿Es la relación K para disminuir de rocas con bajos UCS? La mediana de K para el Conjunto de datos fue 22,7, pero que disminuyó a 16,9 para el subconjunto de rocas cuya UCS era menor de 20 MPa (3.000 psi). Desafortunadamente, una tendencia similar no fue evidente en los datos del PLT, lo que los esfuerzos para ajustar K para rocas bajas es de Is50, no mejoraron en general exactitud. i

DISCUSSION

Varios factores son relevantes para comparar este estudio con los anteriores. En primer lugar, el presente estudio Número de pruebas, casi 10 veces más que la siguiente estudiar. También incluye una amplia variedad de tipos de rocas de varias regiones mineras, y aborda explícitamente la variabilidad asociada con las pruebas UCS. Una desventaja del estudio fue que el número de pruebas PLT promedia alrededor de 5 por unidad. Por lo tanto, no fue posible seguir el ISRM (1985) sugirió un método para determinar el valor medio, que implica la supresión de las dos más altas y dos bajas es Is50 valores de un conjunto de al menos 10 pruebas. Finalmente, debe ser observó que en estas pruebas el contenido medio de humedad variaba desde 0,79% para la pizarra hasta 0,49% para la arenisca. Vallejo Et al. (1989) encontraron que los valores de K eran mayores cuando las muestras se saturaron.



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Figura 6a. Regresión entre la fuerza de compresión uniaxial y el índice de carga puntual. Todos los tipos de roca (una selección al azar de 40% de los puntos de datos).

Figure6b.Regression between uniaxial compressive strength and point load index. Shale (esquisto).



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Figura 6c. Regresión entre la fuerza de compresión uniaxial y el índice de carga puntual. Siltstone.

Figura 6d. Regresión entre la fuerza de compresión uniaxial y el índice de carga puntual. Sandstone.



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Figura 6e. Regresión entre la fuerza de compresión uniaxial y el índice de carga puntual. Limestone (caliza). Los factores de conversión (K) determinados en este estudio en el medio de la gama de los estudios reportados en la tabla 1. Son algo mayores que los factores K actualmente utilizados en El CMRR (Mark y Molinda, 1996). Estos valores, 12,5 para Pizarras y 17,4 para areniscas, fueron originalmente propuestos por Vallejo et al. (1989). Muchas de las muestras que Vallejo probó provenían de las mismas formaciones geológicas incluidas estudiar. Sin embargo, Vallejo probó muestras en muestras de núcleo usadas aquí, y comparó los resultados Pruebas UCS simples con suites de pruebas PLT. Al igual que otros investigadores, Vallejo et al. (1989) Concluyó que K debería ser menor para los esquistos que para Areniscas, Aunque el estudio actual encontró algunas pruebas de que K era menor para las rocas más débiles (no sólo para los esquistos), era Difícil de identificar las rocas de las mediciones PLT solo. Por lo tanto, el uso de diferentes valores de K puede no estar justificado Para pruebas axiales de PLT. Sin embargo, las pruebas diametrales dan a menudo es de Valores que son mucho más bajos que los de las pruebas axiales. 50

La conversión de los resultados de las pruebas diametrales utilizando el mismo valor K Probablemente sea inexacto. También es innecesario, porque las pruebas diametrales se utilizan como medida indirecta de la ropa de cama La cohesión del plano, no la fuerza de la roca (Mark y Molinda, 1996). Es probablemente más sensato informe es de pruebas diametrales directamente. 50



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CONCLUSIÓN El PLT es un método eficiente para determinar la Resistencia a la roca int acta a partir de muestras de núcleos(testigos) de perforación. Se ha convertido en una prueba aceptada en evaluaciones geotécnicas. Este estudio encontró que un factor de conversión K = 21 trabajado Así para una variedad de tipos de roca y regiones geográficas. La variabilidad del PLT, medida por la desviación estándar, no era mayor que la de la prueba UCS. Hay algunos indican que K disminuye para rocas de menor resistencia, pero la tendencia no fue muy pronunciada. Geología e ingeniería El juicio debe ser utilizado cuando se convierten los resultados PLT a UCS. Debe recordarse que ambas pruebas sólo pueden utilizarse para estimar la resistencia de la roca intacta y no el rock resistencia del macizo. La prueba de carga puntual proporciona una utilización completa de los datos que pueden obtenerse de los programas de perforación de exploración a la roca intacta La información de resistencia puede ser adquirida para su uso en sistemas geotécnicos. Trabajo de evaluación y diseño a través de modelos numéricos y sistemas de clasificación de masas rocosas. El costeo de las pruebas de carga puntual son mínimas en comparación con la exploración general de gastos. La prueba de carga puntual del núcleo(testigo) de roca de techo y suelo de carbón; las costuras que deben ser extraídas por métodos subterráneos deben ser procedimientos estándar en cualquier programa de exploración.

EXPRESIONES DE GRATITUD Los autores desean agradecer a Peabody Group por permiso Para utilizar los datos y presentar este documento. Las conclusiones Contenidos aquí son únicamente los de los autores y no los de Grupo Peabody. Además, los autores desean agradecer a Colin Henkes, Geólogo de Peabody Group, quien supervisa Perforación de exploración y programas de pruebas en Virginia Occidental, y Angela Abruzzino, asistente estadística en NIOSH en Pittsburgh, Quien ayudó a preparar la base de datos.

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