UNIVERSIDAD CONTINENTAL
INGENIERÍA MINAS
INFORME N° 4
SOSTENIMIENTO CON ROCA IN SITU “PILARES” Y CÁLCULO DE RESISTENCIA DE UN PILAR CURSO: SERVICIOS AUXSILIARES MINEROS DOCENTE: ING. ANÍBAL NEMESIO MALLQUI TAPIA ESTUDIANTE: LUNA OROSCO, RICHARD
HUANCAYO – PERU 2017 - II
INTRODUCCION
La minería es sin duda una de las actividades de más alto riesgo que el hombre realiza. Las estadísticas indican que la causa más frecuente de los accidentes en interior mina es por caída de rocas. Según estadísticas de los 62 accidentes fatales ocurridos en el año 2007, aproximadamente el 23% de éstos (14 fatalidades) fue por desprendimiento de rocas. Si a esta lista le añadimos el 13% de accidentes originados por derrumbes, deslizamientos, soplado de mineral o escombros, la segunda causa de muerte es minería, es más de 36% de fatalidades relacionadas con la inestabilidad de las rocas.
Hoy en día la geomecánica juega un papel muy importante en la industria minera, en lo que es la estabilidad de la masa rocosa, esto por las aberturas que existen en las minas como consecuencia de las operaciones mineras. La geomecánica es una herramienta muy valiosa que permite entre otras cosas: Establecer dimensiones adecuadas de las labores mineras, establecer la dirección general de avance del minado a través del cuerpo mineralizado, especificar el sostenimiento adecuado, asegurar el rendimiento adecuado de la masa rocosa involucrada con las operaciones, etc.
A continuación de dará a conocer sobre el sostenimiento con roca in situ o fragmentada.
SOSTENIMIENTO CON ROCA IN SITU Sostenimiento. -También denominado Entibación (fortificación), es el conjunto de procedimientos que permiten contener artificialmente y sin mayores alteraciones, los vacíos creados por las actividades mineras, durante el tiempo que sea necesario. Para los efectos, se utilizan diferentes tipos de estructuras que trabajan como soporte o como refuerzo del autosostenimiento. Los tipos de sostenimiento con roca in situ o fragmentada son: pilares, vigas, puentes, pircas, etc.
CARACTERISTICAS GENERALES: •
Las rocas presentes en el seno de la corteza terrestre se hallan en estado de tenso equilibrio debido a la presión ejercida sobre cada partícula de roca por las masas circundantes a ésta. Debido a la ausencia de espacios libres en el interior del macizo, las rocas no pueden desplazarse, flexionarse, ni cambiar de forma.
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Al excavarse una labor en un macizo rocoso, las rocas circundantes tienden a pasar a un estado de equilibrio nuevo, sufriendo deformaciones; estas tensiones o fuerzas engendradas en el macizo rocoso reciben el nombre de presión de la roca.
SOSTENIMIENTO CON ROCA IN SITU: PILARES RESUMEN: El buen diseño de pilares es de gran importancia para brindar sostenimiento de bajo costo y alta seguridad por largos periodos en la explotación minera subterránea. Es por lo tanto fundamental conocer las variables que influencian el comportamiento de los pilares subterráneos. Este estudio analiza las posibles variables que inciden en la resistencia y en la generación de esfuerzos de los pilares subterráneos en modelos de dos dimensiones. El material utilizado para pruebas de laboratorio consta de placas transparentes birrefringentes sensibles a esfuerzos de compresión, tensión y corte. Ante la acción de esfuerzos, la placa genera bordes o franjas que representan niveles calibrados de esfuerzo. A mayor número de bordes mayor nivel de concentración de esfuerzo. Se calcula el grado de importancia de cada posible variable por correlación multilineal desarrollando el modelo para el diseño del pilar. La información requerida se obtiene por experimentación mediante pruebas de laboratorio simulando la excavación con el uso del polariscopio. A la información generada se aplica regresión y correlación múltiple para medir el comportamiento de la variable dependiente (resistencia o esfuerzo del pilar), en función de las variables independientes y de las interrelaciones entre variables independientes y la variable dependiente. Se obtuvo dos modelos analíticos que pueden aplicarse en el dimensionamiento de pilares para sostenimiento minero subterráneo.
Consiste en lo esencial en excavar lo más posible el cuerpo mineralizado dejando pilares que permiten sostener el techo de material estéril. Las dimensiones de los caserones y de los pilares depende de la mayor o menor competencia de la roca sobrepuesta (estabilidad del techo) y también de la roca mineralizada (estabilidad de los pilares), como asimismo del espesor del manto y de las presiones existentes). Por lo general los pilares se distribuyen en una disposición o arreglo lo más regular posible, y puede tener una sección circular, cuadrada, o rectangular semejando un muro. Los caserones abiertos tienen forma rectangular o cuadrada.
Se abren múltiples tajeos o cámaras, dejando zonas intactas para que actúen como pilares para sostener la carga vertical.
Los pilares actúan como soporte del techo, con el fin de mantener la estabilidad. Se diseñan los pilares y los caserones con el fin de maximizar la recuperación del mineral. La recuperación de los pilares se puede realizar de varias maneras: Recuperación con hundimiento controlado del techo. Recuperación de Pilares en forma alternada.
Recuperación parcial de pilares.
En algunos casos, no se planea con mucha precisión la ubicación de los pilares, pero el operador de mina simplemente por la experiencia va dejando los pilares donde sea necesario, y los ubica en zonas de menor valor de mineral o zona esteril.
DISEÑO DE PILARES
El objetivo es maximizar la recuperación de la unidad básica de explotación a través de un diseño seguro y viable. El diseño de pilares debe obedecer a un análisis de las cargas o solicitaciones y la resistencia del macizo rocoso.
EL FACTOR DE SEGURIDAD EN EL DISEÑO:
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El 100% de los pilares diseñados con un FS mayor 1.6 se ha mantenido estable Esta relación corresponde a la experiencia de 1 mina, cada operación debería tener sus propios estándares
Retro-análisis de pilares de minas de carbón Sudafricanas, Salamon y Munro (1967)
CARGA SOBRE EL PILAR
Se produce re distribución de esfuerzos al realizar minería de la cámara de producción Los esfuerzos tienden a ser mayores en las esquinas produciendo fallas por exceso de cizalle
CARGA VERTICAL SOBRE EL PILAR
Z: ALTURA DE LA SOBRECARGA
RESISTENCIA DE PILARES:
Wo : ANCHO DE LA CAMARA Wp : ANCHO DEL PILAR Z : ALTURA DE LA SOBRECARGA V : CAMPO DE ESFUERZOS ACTUANDO SOBRE EL PILAR.
C : RESISTENCIA DEL PILAR.
Un estudio del comportamiento de los pilares comprende las siguientes etapas:
Determinar la Carga Vertical que soporta. Calcular la resistencia del pilar, efectuando pruebas de laboratorio (resistencia a la compresión de probetas cúbicas de roca en estudio) Analizar las reacciones del techo y piso ante el trabajo de contención del pilar:
Para una misma altura de pilares, el de mayor sección será más resistente que otro de menor sección.
Para una misma sección del pilar, el más bajo será más resistente que otro de mayor altura.
El radio de separación entre pilares va de 20 a 30 pies.
La luz máxima de la cámara entre pilares, se generalmente el doble del ancho medio de los pilares.
Riesgos asociados a métodos de explotación por cámaras y pilares El método de explotación “Room and Pillar” (o Cámaras y Pilares) consiste, como su nombre lo indica, en la explotación de caserones separados por pilares de sostenimiento del techo. Este método es aplicado ampliamente, y en los últimos años se ha desarrollado bastante debido a su bajo costo. En sus inicios, este método se realizaba en forma irregular, de modo que sus dimensiones y distribución se decidían sobre la marcha de la explotación, dejando un rastro de pilares obedeciendo solamente a las características presentadas por el yacimiento, como, por ejemplo, zonas de más baja ley, diques estériles, etc. En este método, la recuperación de los pilares puede ser parcial o total. En este último caso, va acompañada del hundimiento controlado del techo, que puede realizarse junto con la explotación o al final de la vida del yacimiento.
Control de riesgos asociados Para reducir y eliminar los riesgos asociados a este método de explotación, se recomienda seguir las siguientes medidas:
Techo y mineral deben ser firmes. Los pilares se dejan en la roca mineralizada. Si el techo es quebradizo, obliga a dejar un pilar de techo en mineral. Piso firme permite que pilares delgados no se hundan. Galerías pilotos (frontones) permiten un circuito de ventilación más inmediato. Control del techo: Condiciona el diseño del pilar. Para la recuperación de pilares y el techo, se requiere hundimiento controlado del techo mediante perforación radial y explosivos. Control del área y los accesos al sector del hundimiento y sobre la forma como se produce el desprendimiento de la losa del techo. Al unir dos galerías en el mismo eje a diferentes alturas se desquincha el piso de la galería superior. Distintas cotas generan el riesgo de caídas durante la operación de perforación y tronadura. En el vaciado de piques con cargadores o camiones, las galerías deben tener topes para impedir que el equipo caiga a su interior. Hoy en día, dadas las condiciones de mecanización y los adelantos obtenidos en las técnicas de reconocimiento, el método se planifica con anterioridad a la explotación propiamente tal, llevándose los caserones con una distribución regular como al igual que el trazado de los pilares.
CÁLCULO DE RESISTENCIA DE UN PILAR Sp (resistencia que las partes de un cuerpo que se halla en dicho estado se oponen a su disgregación), utilizando la siguiente fórmula (exposición de García Pérez y otros. UNDAC Minas): Sp = f * g * H *
(w + B)(L + B) w∗L
;kPa
f = Densidad de la roca desde la labor hasta superficie; generalmente, 2.5 g = Aceleración de la gravedad; 9.81 m/s2 H = Profundidad del área mineralizada; m w = Ancho del pilar; m B = Ancho de la cámara; m L = Longitud (altura) del pilar; m
Ejemplo: Se tiene los siguientes datos de una labor explotada por Cámaras y Pilares: Densidad de la roca, 2,5 Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 Profundidad del área mineralizada, 150 m Ancho del pilar, 6.5 m Ancho de la cámara, 14.0 m Longitud (altura) del pilar, 18.0 m
Determinar la resistencia del pilar en lb/pulg2: Sp = 2.5 * 9.81 * 150 *
(6.5 + 14.0)(18.0 + 14.0) 6.5∗ 18.0
Sp = 20626.154 kPa Sp = 20626154 Pa Sp = 20626154 * 0.000145 = 2990.79 lb/pug2
Determinar la Carga Vertical que soporta (peso de la roca suprayacente): (Factor de seguridad:6) Carga Vertical = 1 lb/pulg2 * H * Factor de seguridad (1-14) = 1 lb/pulg2 * 150 * 6 = 900 lb/pulg2 Significa que la resistencia del pilar es mayor al peso de la roca que soporta, es decir soportará el techo sin mayor dificultad (es seguro el trabajo).
CONCLUSIONES Existen diversas fórmulas empíricas en la literatura que permiten realizar la estimación de la resistencia de pilares, dichas fórmulas entregan valores bastante distintos para un mismo diseño, por lo que se estudia cuál de ellas es más confiable a partir de un estudio de su desempeño. Se observa que las fórmulas propuestas por Sjoberg (1992) y González (2006) son las que presentan mejores resultados para la base de datos de pilares recolectada, presentando esta última mayor consistencia para las distintas calidades de roca. Sin embargo estas fórmulas no son capaces de realizar buenas estimaciones a escala de laboratorio. Por otro lado, se concluye que el largo del pilar si presenta un efecto en la resistencia de este, evidenciando un aumento del desempeño de la gran mayoría de las fórmulas al incorporarlo. Se comprobó que la mejor metodología para realizar esto es la fórmula propuesta por Esterhuizen (2010).
La fórmula puede ser utilizada para cualquier pilar de roca in-situ que presente una calidad expresada en RMR mayor a 50, una razón de W/H del pilar entre 0.5 y 3, pero el ancho puede ir desde valores tan pequeños como los utilizados en laboratorio a tan grandes como 50 metros.
En cuanto a las profundidades, la mayoría de los pilares se encuentran por bajo los 350 metros, sin embargo, una alta cantidad de pilares se encuentran en el rango de profundidad cercana a los 600 metros, por lo que utilizar la fórmula a profundidades menores, sería lo apropiado.
Finalmente, es necesario señalar que la metodología empleada para medir el desempeño de las fórmulas para el diseño de pilares presenta limitaciones debido a que es un método para evaluar desempeños cuando se tienen dos clases y no tres, por lo que se tiene que dividir el análisis en casos de estudio de dos categorías. Para realizar esto se debe agrupar dos clases en 1. En consecuencia, se tiene que esta metodología penaliza de igual manera equivocarse en una categoría o en dos, es decir, pesa lo mismo equivocarse en clasificar el pilar como fallado cuando es estable a clasificarlo como inestable y viceversa.
