MÉTODO DE EXPLOTACIÓN

CÁMARAS Y PILARES

MECÁNICA DE ROCAS

Profesor: Humberto Iván Pehovaz Alvarez

INDICE:

Resumen

Objetivos

Introducción

Historia

Principales clasificaciones geo mecánicas

Concepto

- Cámaras- Pilares

Requisitos geológicos

Geotécnica

- Orientación del pilar- Sistema de clasificación del pilar

Análisis de estabilidad

- Método de área atribuida- Método numérico

Métodos de falla de los pilares

Estabilidad del techo

Estabilidad del muro

Estudio de cuña

Subsidencia en cámaras y pilares

Apoyo de soporte

Variación de cámaras y pilares

Ventajas y desventajas del método por cámaras y pilares

Bibliografía

RESUMEN

El presente trabajo busca dar a conocer ciertos conceptos y puntos básicos que deben considerarse para el dimensionamiento geomecánico de excavaciones en estructuras rocosas subterráneas, que en nuestro caso de estudio será el diseño de cámaras y pilares los cuales son realizados para la extracción de mineral/desmonte bajo ciertos requisitos.

OBJETIVOS

Conocer:

• El concepto de cámaras y pilares

• Como se enfoca una explotación de cámaras y pilares en caso de roca dura

• Los criterios de diseño cuando las cámaras son

Horizontales

Inclinadas

De pisos escalonados

• Los criterios para el diseño de pilares

• Secuencia del diseño

INTRODUCCION

La elección de un método de explotación de minería asume un ligero conocimiento superficial de los mismos métodos. Así mismo, asume una breve compresión del control de tierra y manipulación del equipo de excavación y construcción.

En el procedimiento formal de diseño de una mina, la elección de los métodos de minería continúa luego de los estudios geológicos y geotécnicos. Es por ello que para las actividades mineras subterráneas, las presiones de la tierra suelen aumentar con la profundidad, también aumenta las necesidades de sostenimiento.

El control de la tierra requiere el conocimiento de la estructura (de apertura), materiales (Roca), y las cargas (presiones). Desde el punto de vista de explotación y sostenimiento, las cámaras y pilares son de interés primordial.

Por tal motivo en esta investigación se dará paso al estudio del método de explotación por medio de cámaras y pilares.

HISTORIA

Cámaras y pilar es uno de los métodos más antiguos mineros existentes, se remonta a más de 1000 años. En sus inicios, la planificación detallada era muy poco común y los operadores de minas dejaban pilares sólo cuando era necesario para estabilizar las aberturas, pero eran pilares al azar y asimétricas. La industria minera de hoy es más sistemática, las minas de cámaras y de pilar más actuales pasan por una planificación rigurosa antes del desarrollo.1

PRINCIPALES CLASIFICACIONES GEOMECANICAS2

Los sistemas de clasificación de la masa rocosa son esenciales para el diseño de excavaciones subterráneas y superficiales, cuya aplicación de dichos sistemas e investigaciones ha permitido conocer:

1 Cfr: Bullock, RL (1998)2 Cfr: Academia -Huber Huamán

1. El sostenimiento requerido de una excavación subterránea2. Los esfuerzos requeridos por la masa rocosa sobre el

sostenimiento3. Las dimensiones máximas de la excavación y los periodos que

puede estar esta sin sostenimiento.

Para la identificación de terrenos existen diversas clasificaciones geo mecánicas, estos son los principales.

- Clasificación de Terzaghi (1946)- Clasificación de Lauffer (1958)- Clasificación de Deere basada en RQD (1970)- Clasificación basada en el índice RSR (1972)- Clasificación de Bieniawski (1973-1979)- Clasificación de Q de Barton (1975)

El Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR) después de ciertas modificaciones a ciertos parámetros proporciono recomendaciones sobre las aberturas máximas permisibles para cada tipo de masa rocosa. Los parámetros a considerarse son:

a.- La resistencia a la compresión de roca intacta b.- El valor del RQDc.- El espaciamiento entre las discontinuidades d.- Condición de las discontinuidades e.- Condiciones hidrogeológicas

CAMARAS Y PILARES

Cámaras: Son aberturas que se construyen en forma múltiple y paralelamente, cuando se conectan con aberturas transversales se llegan a formar los pilares, los cuales servían como soporte natural en la explotación. Las cámaras deben hacerse tan anchas como la seguridad lo permita, lo cual está limitado por las características y propiedades de resistencia de la roca techo, la roca piso y de la misma roca donde se encuentra el recurso económico.

Pilares: Pueden ser de sección circular, cuadrado o rectángulo, formando galerías perpendiculares entre sí, también pueden formar muros o franjas que soportan los frentes de explotación.

REQUISITOS GEOLOGICOS

1. Geometría del Yacimiento

Aceptable Optimo

Potencia >1 m >3 m

Buzamiento <30° Horizontal

Tamaño Cualquiera Cualquiera

Regularidad

2. Aspectos Geotécnico Aceptable Optimo

Resistencia (Techo) >300 k/cm2 >500 k/cm2

Resistencia (Mena) s/profundidad >500 k/cm2

Fracturación (Techo) Baja Muy baja

Campo Tensional In-situ (Profundidad)

<1000 m <600 m

Comportamiento Tenso-Deformacional

Elástico Elástico

GEOTECNICA

Para el diseño de pilares a un tamaño donde deben ser capaces de estabilizar una abertura, tiene que realizarse un detallado estudio geológico, donde los pilares deben estar dimensionados para soportar las tensiones verticales naturales así como también las tensiones producidas por las excavaciones.

Orientación del pilar

Es importante determinar la orientación de las tensiones in situ, puesto que los pilares deben estar orientados en la dirección del máximo esfuerzo.

Sistema de clasificación del pilar

Evalúa las condiciones de los pilares existentes. Lo ideal es la calificación 3

ANALISIS DE LA ESTABILIDAD

Se estudiara el comportamiento geomecánico del terreno, en relación con la estabilidad de las cámaras y pilares, tanto a nivel global como local, así como los movimientos del terreno sobre la explotación t su posible repercusión en superficie (subsidencia).

Estabilidad de las cámaras y pilares

Se tiene que analizar el nivel de tensiones normales a que están sometidos los pilares, evaluándose sus coeficientes de seguridad a la rotura. Para ello se utiliza dos métodos de análisis, el primero de ellos es un método clásico conocido como “Método del área distribuida” y el segundo método utilizado trata de un “Modelo numérico Integral”.

Método del área atribuida

Este método nos indica que cada pilar debe soportar el peso del terreno que está por encima de él cuya sección viene determinada por la geometría del pilar y que alcanza desde la superficie del terreno hasta el pilar, así como también la mitad de carga de cada una de las cámaras que hay en cada cara del pilar.

3

Calculo del ancho del pilar

En base a los estudios se sabe que un aproximado de la anchura de los pilares, es del orden: 20% al 30% de la profundidad de explotación.

W= ARZKδ

−hδ °Zδ

−1

Donde:W = ancho del pilar Z = Distancia de la capa a la superficie (profundidad)h = Altura del pilar δ° = Densidad media de la roca o mineral a beneficiarδ = Densidad media de las rocas supra yacentesR = Carga de roturaK = Coeficiente de seguridad (supuesto 2,5)

3 Cfr: Consideraciones geomecanicas

4Fig. Tamaño de los pilares en explotación por cámaras y pilares (N.C.B)

4 Cfr: Hundimientos mineros: Métodos de calculo

Calculo de la tensión promedio actuando en el pilar:

Sp=Pe .H (W+B)(L+B)

W x L

Donde:

Sp =Tensión promedio actuando en el pilar

H =Profundidad bajo la superficie

B = Ancho de la cámara (m)

L = Longitud del pilar

Pe = Peso unitario roca subrayacente (MN/m3)

W = Ancho del pilar

La resistencia de un pilar está en función del:

a) Tamaño o volumen del pilar

b) Geometría del pilar

c) Propiedades de resistencia de la roca intacta

Calculo de la resistencia del pilar (Rp):

Para el cálculo de la resistencia del pilar se aplica la formulación general al uso, que permite la ext4apolacion de los ensayos de compresión sobre probetas las condiciones reales de la mina, también se usan las siguientes formulas:

Rp=Ri (0,778+0,222 Wh

) Overt y Duvall

Rp=Ri (0,64+0,36Wh

) Bieniawski

Donde:

Rp = Resistencia del pilar (MPa)

Ri = Resistencia de un pilar cúbico bajo dimensiones críticas

W = Ancho del pilar (m)

H = Altura del pilar (m)

Factor de suguridad

Es la relación entre la resistencia del pilar y la tensión promedio actuando sobre éste. Se recomienda un factor de seguridad mayor a 1,5.

FS=RpSp

La siguiente tabla muestra las reglas comunes para el factor de seguridad en el diseño del pilar según su etapa.

CONFIABILDAD

La confiabilidad del diseño se dará si se cumple la siguiente aproximación probabilística:

Sp = Resistencia de pilar

f = Factor de seguridad

σ p = Esfuerzo actuando sobre el pilar

Modelo matemático

P( Sp≤fσ p )

Basado en el conocido método de los Elementos de Contorno y Desplazamiento discontinuo, que permite el cálculo de la distribución normal en los pilares, así como de la distribución de las deformaciones tanto en los pilares como en los techos de las cámaras. Resuelven problemas en los que el comportamiento del macizo rocoso puede ser modelizado por medio de las ecuaciones diferenciales de la mecánica.

El uso de los métodos de Elementos de Contorno y Desplazamiento Discontinuo, exige asumir un comportamiento tenso-deformacional lineal del macizo rocoso, para similar excavaciones en rocas duras a profundidades moderadas. Este método nos da una definición más ajustada, valorándose más las diferencias geométricas de la explotación y la influencia de los pilares.

Programa:

BESOL/MS (Boundary Element Solutions/multiple Sam)5

Fig1 Distribución de tensiones normales sobre los pilares, desplazamiento vertical de techo y las convergencias del muro y techo. 6

5 BESOL/MS es un programa geotécnico de simulación de labores mineras en yacimientos tabulares, se basa en el método de modelización de Desplazamiento Discontinuo. Tiene aplicación en problemas tridimensionales y permite analizar casos de yacimientos multicapa. Calcula tensiones, deformaciones y desplazamientos alrededor de la excavación.6 Instituto Tecnológico Geo Minero de España

Una vez obtenido con el programa el reordenamiento del estado tensional del macizo rocoso, alrededor de los pilares así como del hueco de la excavación, se aplica para la obtención del factor de seguridad el criterio empírico de rotura de E. Hoek y E.T. Brown

σ 1=σ3+√mσc σ3+s σc2

σ_1 = Tensión principal mayorσ_3 = Tensión principal menorσ_c = Resistencia a la compresión simple de la roca matrizm,s = constantes empíricas que dependen de la roca

DISEÑO DE PILARES

Carga sobre pilares:

al realizar una explotación por cámaras se produce una re-distribución de esfuerzos. Estos esfuerzos tienden a ser mayores en las esquinas con la probabilidad de producirse fallas por exceso de cizalle

Carga vertical sobe el pirlar

- Carga litostatica

- Estimación del esfuerzo inducido

Area tributaria para:

Pilares cuadrados

σ z=λz

Pilares rectangulares

Pilares irregulares

Rip pillars

Tracción sobre el techo del caserón

El falimiento del techo del caserón será debido a los esfuerzos de tracción y no los esfuerzos de corte. Para ello se utiliza la Teoría de vigas, cuya formula se puede usar solo como aproximación inicial. Se debe asumir que los estratos se separan

7

Importancia de W/H

La esbeltez del pilar define el grado de confinamiento de este

Loa pilares con relaciones W/H menores a 4 se produce el fenómeno de relajación post falla

La tabla es fundamental para entender el estallido de roca en minería profunda

MODOS DE FALLA DE PILARES

7 Daas (1986). Curvas de esfuerzo deformación para testigos de pilares de carbón. Modelamiento de relajación post falla.

En el método de explotación por cámaras y pilares, estos soportes naturales pueden sufrir diferentes tipos de falla:

1. Falla estructuralmente controlada

2. Falla de esfuerzos inducidos, progresivos

3. Explosión de pilares

8

Estabilidad del techo inmediato

8 Cfr: Bdigital – Pilares_Roca_A_Castro (2015)

En los techos de las cavidades subterráneas y más aun en los terrenos sedimentarios con estratificaciones existen dos zonas, la parte superior e inferior que es denominada también “techo inmediato” debido a que es la más próxima a la excavación y por ello son más susceptibles al despegado de los estratos superiores porque en la formaciones sedimentarias los estratos planos y sus uniones son débiles.

La carga actuante en la parte inferior del techo es solo su peso propio, ya que luego des despegue del techo dejan de actuar las fuerzas litostaticas de los estratos superiores.

Se puede hallar la estabilidad del techo inmediato aplicando la teoría de vigas, con la siguiente fórmula que calcula el factor de seguridad a la rotura por flexión.9

F=2xTxtγx L2

Donde:

T = Resistencia a la tracción de la roca intacta

T = Potencia del techo

Γ = Peso específico del material

L = Longitud de la viga

En aquellos techos calculados para una larga duración es recomendable adoptar para el coeficiente se seguridad valores igual a 8 o superiores a este, pues no se sabe que fenómenos se pueden producir.

Estabilidad del muro

9 Fórmula propuesta por Ramirez Oyanguren (1991)

Cuan se realiza la explotación por cámaras y pilares existe probabilidades de crearse problemas en los muros, solo si estos no tienen la suficiente capacidad portante, llegando a fallar asimismo el sistema de soporte de los pilares. Los problemas a los cuales son susceptibles los muros son:

1. Descomprensión del terreno en el muro, se da cuando existe una descarga de las presiones en las zonas donde no se encuentra el pilar, es decir las zonas excavadas.

2. Existencia de zonas concentradas de cargas que son transmitidas por los pilares.

La capacidad portante de los muros, puede ser clasificado como un problema de cimentación estudiado por la Mecánica de Suelos, calculado con la siguiente formula de Brady y Brown (1985)

qb=12. γ . BN γ . Sγ+c .cot∅ .N qSq−cot∅

Nq=e−(π )t ang∅ . tang2 .( π

4+∅2

)

N γ=1,5 (N q−1 ) tang∅

Sγ=1−0,4 (BL)

Sq=1+sen∅ ( BL

)

Donde:

qb=Capacidad portantedelmuro (MPa)

γ=Peso especifico( t

m3 x10−2)

c=Cohesió n

∅=Angulode fricción

B/L = Dimensiones de la base del pilar (m) siendo B≤L

Roturas dependientes de la estructura. Estudio de cuñas

Si se trata del estudio de roturas de la estructura es importante tener en cuenta si existe presencia de cuñas para determinar la posibilidad de desplazamiento tanto de techo como también la cara de los pilares.La herramienta indicada para realizar un análisis estructural del macizo rocoso con alguna presencia de cuñas, es el programa UNWEDGE10.

Fig: Tipo de cuña formada por 3 discontinuidades en medio de la excavaciónSUBSIDENCIA EN CAMARAS Y PILARES

Los movimientos en la rocas ocasionados por cada una de las excavaciones, se super imponen dando lugar a una cubeta de hundimiento en la superficie. El área de extracción que en este método está constituido por las cámaras y los pilares, con el paso del tiempo se notara el hundimiento en el centro de la cubeta, el cual se dará cuando el área de extracción excede las dimensiones.

En cámaras y pilares, el desarrollo del hundimiento puede ser diferente en cada caso, debido a la gran variedad en los tamaños y profundidad de los pilares. Con el paso de los años los pilares pueden hundirse, ellos se verá influenciado por la magnitud del movimiento del espacio excavado disponible dentro del cual pueden quedar aplastados.

10 Universidad de Toronto (Canada). Es un programa geotectónico tridimensional que permite analizar la geometría y estabilidad de cuñas en excavaciones subterráneas. Se basa en que las cuñas están definidas por la intersección de tres discontinuidades, sometidas únicamente a su propia peso. Tener en cuenta que el programa da como resultado un coeficiente de seguridad menor.

Los hundimientos observados son alrededor de un 3%-20% de la potencia de la capa, y ellos van aumentando con la profundidad, pues existe una mayor compresión ejercida sobre los pilares.

Es importante mencionar que las labores mineras que realizan este método de explotación, el proceso de hundimiento puede NO completarse hasta periodos aprox de 100 años

11

Fig. Desarrollo de la curva de hundimiento en un punto de la superficie a medida que una excavación pasa por debajo y se aleja de él.

APOYOS DE SOPORTE

- Pernos de anclaje

- Barras de refuerzo

- Concreto lanzado

11 Cfr: Hundimientos mineros: Método de calculo (1986)

VARIACIONES DE CAMARAS Y PILARES

Existen cuatro variantes principales de cámaras y pilares, las cuales se diferencian por su aplicabilidad a distintos tipos de yacimientos

Clásico:

Es la variante de cámaras y pilares más genérico, aplicado a yacimientos regulares plano, con espesores considerables. Su desarrollo consiste en realizar grandes tajos y por lo general tiene una alta utilización, eficiencia, así como también su planificación suele ser relativamente simple.

-Tajos ya explotados sirven como vías de trasporte-Perforación con jumbo y carro-Carga y transporte con LHD

Cámaras y pilares – Post Pillar Mining

Es una variación de cámaras y pilares menos conocida que suele aplicarse a cuerpos mineralizados con inmersión de 20 ° a 55 ° con grandes medidas verticales. El mineral es extraído en una serie de rebanadas horizontales y la minería es avanzada hacia arriba desde lo profundo. Las cámaras debido al método ascendente fueron rellenadas para la formación de pisos de trabajo de trabajo que se utiliza para el siguiente nivel; este método va a requerir perforación horizontal y vertical.

Step

Esta variante de cámaras y pilares se encuentran en yacimientos de 15° a 30° grados, el espesor del cuerpo mineralizado es relativamente delgado de 2 a 5 cm. Tiene una cierta semejanza con la variante de cámaras y pilares “clásico”, también cuenta con rampas de transporte diseñadas en forma diagonal. La extracción tiene un avance hacia abajo con un cierto grado de inclinación.

-Galería de acceso orientada según la pendiente asequible a los equipos-Perforación con jumbo

-Carga de trasporte con LHD

Empinado

Esta variante se encentra en yacimientos de 15° a 30° con espesor limitado, en este método la inclinación del piso de trabajo coincide con la inclinación del yacimiento y por ello el equipo trackless no puede ser utilizado por lo que se le encuentra menos eficiente. Esta variante es menos mecanizada y necesita de jacklegs para la perforación, pues la pendiente es muy empinada.

VENTAJAS DEL METODO DE CAMARAS Y PILARES

- Buenas condiciones de trabajo

- Bajos costos de desarrollo

- Bajos costos de operación

- Fácil mantenimiento

- Altamente mecanizado

- Flexible ya que puede utilizar múltiples caras y ser selectivo con la

producción

DESVENTAJAS DEL METODO DE CAMARAS Y PILARES

- El techo puede requerir de equipos de alta elevación para una

inspección

- Altos costos de capital

- Recuperación baja

- Es difícil realizar cambios estructurales en mitad del proceso de

producción

- Preocupación por seguridad de trafico

CONSIDERACIONES GENERALES:

Algunos pilares deben ser capaces de proporcionar apoyo el tiempo suficiente para completar la extracción rebaje mientras otros pilares, situados en las zonas más críticas, deben ser diseñados para proporcionar apoyo a la duración de la vida de la mina.

En condiciones apropiadas de roca, pilares pueden ser diseñados para fallar gradualmente bajo estrecha vigilancia pero esto es muy dependiente de las condiciones de estrés.

A muy grandes profundidades bajo la superficie, en condiciones de roca dura, algunos pilares son capaces de absorber grandes cantidades de energía antes de la deformación y fallar violentamente (Estallido de rocas).

Busqueda del tamaño pilar que sea económicamente optimo, ya que al disminuir el tamaño del pilar aumentan las reservas pero también aumenta la necesidad de apoyo así como también cambia algunos aspectos de ventilación, lo que aumenta los costos.

BIBLIOGRAFIA

Bullock, RL (1998). Capítulo 1. Una clasificación del método camaras y pilares de la minería a tajo abierto. En metro métodos de minería manual.

Bullock, R. L. (2011). Room-and-Pillar Mining in Hard-Rock. In SME Mining Engineering Handbook (pp. 1-13).

Vergne, J. (2003). Hard Rock Miner's Handbook. 3. North Bay: McIntosh Engineering Limited.

Bdigital (2015). Cámaras y Pilares - Castro (http://www.bdigital.unal.edu.co/3483/1/PILARES_ROCA_A_CASTRO.pdf)

Instituto tecnologicoGeoMinero de España(1995).Caracterizacion de estructuras subterráneas/ Informe geotécnico y de subsidencias (http://info.igme.es/SidPDF%5C039000%5C311%5CInforme%20geotecnico%20y%20de%20subsidencia%5C39311_0008.pdf )

Diccionario Library mine (2015). Mining publications http://www.infomine.com/Dictionary/HardRockMiners/spanish/welcome_En.aspx?letter=R

BooksGoogle (2015). Hundimientos mineros: métodos de cálculo (1986)(https://books.google.com.pe/books?id=pTMeSR2UeCAC&pg=PA286&lpg=PA286&dq=subsidencia+en+camaras+y+pilares&source=bl&ots=1w-cr8Faw5&sig=f92RXiQ3cKKRholf3w76PzK-gtQ&hl=es&sa=X&ei=MdGNVbOTE8Tu-QGx05G4Aw&ved=0CC0Q6AEwAw#v=onepage&q=camaras%20y%20pilares&f=false)

Bitstream (1994). Dimensionamiento y sostenimiento de minas subterráneas de pizarra (http://ruc.udc.es/bitstream/2183/6170/1/CA-19-25.pdf )

UPME (2015). Guia ambiental de minería subterránea de carbón (http://www.upme.gov.co/guia_ambiental/carbon/gestion/guias/min_sub/contenid/analisis.htm)

http://www.academia.edu/6931408/Consideraciones_geomec%C3%A1nicas_en_dise%C3%B1o_de_c%C3%A1maras_de_cargu%C3%ADo_y_pilares

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