GEOMECANICA LATINA S.A.

Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavaciones

GEOMECÁNICA APLICADA EN EXCAVACIONES

SUBTERRÁNEAS

POR: Gaither De la Sota P.gaither@geomecanicalatina.comwww.geomecanicalatina.com

BREVE RESEÑA HISTÓRICA Mecánica de Rocas: Estudia el

comportamiento de los materiales cohesivos en procesos de esfuerzo y deformación.

Geomecánica: Es la extensión de la Mecánica de Rocas.

Mecánica de suelos: Estudia el comportamiento de los materiales no cohesivos.

Geotécnia: Es la extensión de la Mecánica de Suelos

APROXIMACIÓN TEÓRICA Y EMPÍRICA AL DISEÑO MINERO

Ley de Mecánica Clásica, que gobierna la relación entre los esfuerzos aplicados a las rocas y las deformaciones que sobre ellas se obtienen.

FUNDAMENTO TEORICO

= K * e

EL ESFUERZO EN ROCAS PROVOCA UNA

DEFORMACION

PROPORCIONAL AL COEFICIENTE

MODULO DE DETERIORO K

EN TALES ROCAS

LA VARIABLE “GEOMETRIA”

Efectos de esfuerzos sobre testigos de roca cilíndricos. Solo en la forma cilíndrica se da la deformación radial por hinchamiento.

INDICE EMPÍRICO

Formulación empírica para calificar la calidad de roca RQD, sugerida por Deere.

APROXIMACIÓN TEÓRICA Y EMPÍRICA AL DISEÑO DE EXCAVACIONES

SUBTERRÁNEAS Apoyada en ensayos de laboratorio,

la aproximación teórica define en fórmulas clásicas el criterio de ruptura y deformación.

Alternativamente la aprox. Empírica emplea los mismos ensayos de laboratorio para corregir estas formulaciones, generando criterios de ruptura experimentales.

APROXIMACIÓN TEÓRICA PARA CALIFICAR DEFORMACIÓN Y

RUPTURA

Apoyada en ensayos de laboratorio, la aproximación teórica define en fórmulas clásicas el criterio de ruptura y deformación.

FORMULACIÓN TEORICA Y EMPÍRICA PARA DEFORMACIÓN Y RUPTURA EN

ROCA. La carga de

compresión a confinamiento atmosférico, logra fracturar la roca por cizalle (corte). El gauge pegado en la muestra sirve para medir la deformación en rocas.

Típico ensayo de tracción indirecta, que es un ensayo de compresión. Al momento de ruptura se dice que se rompió por tracción, superando así una propiedad intrínseca de la roca.

RESISTENCIA DE LAS ROCAS AL EFECTO CIZALLE

Típico ensayo de corte directo.Las piezas de acero sometidas a carga vertical dejan libre un plano inclinado por donde se romperá la roca allí contenida

CRITERIO DE RUPTURA CLASICO Mohr-Coulomb

CRITERIO DE RUPTURA EN ROCA MEDIANTE ENSAYOS DE CONFINAMIENTO TOTAL

Figura que muestra el caso en que el simple desconfinamiento de una roca comprimida y en equilibrio termina por romper dicho material.

ENSAYOS BAJO ESTADO DE CONFINAMIENTO

Celda triaxial, que lleva en su interior un testigo de roca sumergido en aceite confinante.La carga vertical se proporciona mediante el pistón q’ transita por la tapa de este recipiente.

APROXIMACIÓN EMPIRICA A LA DEFORMACIÓN Y RUPTURA

La aprox. Empírica emplea los mismos ensayos de laboratorio de la aprox. teórica para corregir estas formulaciones, generando criterios de ruptura experimentales.

CRITERIO DE RUPTURA HOEK - BROWN

LAS INVESTIGACIONES DE LA APROXIMACIÓN TEÓRICA Y EMPÍRICA DA ORIGEN A:

INDICES DE CALIFICACIÓN DE CALIDAD DE ROCAS.

NECESIDAD DE APLICAR INSTRUMENTACIÓN GEOTÉCNICA EN EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS.

CONSTRUCCIÓN DE GRÁFICOS, CON PARÁMETROS INGENIERILES ÚTILES AL DISEÑO MINERO (SOSTENIMIENTO, DIMENSIONES DE EXCAVACIÓN, ETC.)

DESCRIPCION DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION

TE

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GL

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COMPRESIÓN UNIAXIALCOHESIÓN - FRICIÓNMÓDULO ELASTICIDADALTERACIÓNR.Q.D.N° DE FAMILIASESPACIAMIENTOCONTINUIDADRELLENOORIENTACIÓN,Rb Y BzCONDICIÓN DE AGUASSTAND UP TIMELITOLOGÍACARGA DE LA ROCAESFUERZOS INDUCIDOSVOLADURA

CLASIFICACIÓN

PARÁMETRO

INDICE

CORRELACION EMPÍRICA ENTRE (E) IN-SITU Y RMR

RAZON DE REDUCCIÓN PARA MODULO EN LABORATORIO (E1) Y EN TERRENO (Em) EN FUNCION DE RQD

-EL ASUNTO DE FALLAMIENTO DE ROCAS IN-SITU.- EL ASUNTO ESFUERZOS EN ROCA

EL ASUNTO ESFUERZOS EN ROCA

Hay relación directa entre el esfuerzo aplicado y la defomación obtenida, por la aplicación de dicho esfuerzo. Por razón inversa la orientación de los esfuerzos in-situ originará mas o menos deformación de los techos y paredes excavadas según sea la orientación que tengan dichas paredes y techos.

Lo anterior justifica ampliamente la necesidad de conocer la orientación y magnitud de los esfuerzos tectónicos en el yacimiento minero.

MAGNITUD Y ORIENTACIÓN DE ESFUERZOS TECTÓNICOS ALTERADOS EN EL ENTORNO DE UNA GALERÍA MINERA.

ESFUERZOS TECTÓNICOS

Una excavación subterránea, cambia y modifica las condiciones naturales de la roca, es decir los esfuerzos Naturales se distribuyen y redistribuyen produciéndose

fenómenos de deformación(expresados en convergencias, eventos sísmicos, desestabilizaciones

etc.)

Una forma de reconocer las condiciones de confinamiento in-situ, se refiere a establecer mediante

técnica del “Overcoring - BDG”, la magnitud y dirección de los esfuerzos existentes en el lugar.

MEDICIÓN DE ESFUERZOS IN-SITU

OBJETIVO PRINCIPAL : VALIDAR EL DINAMISMO EXISTENTE

EN LAS ROCAS CONTIGUAS A YACIMIENTOS MINEROS, MEDIANTE UNA EVALUACIÓN DE LOS CAMBIOS DE ESFUERZO ORIGINADAS POR LA ACTIVIDAD MINERA Y/O TECTÓNICA NATURAL EXISTENTE

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Obtener información cuantitativa y cualitativa del estado de esfuerzos tectónicos In Situ (Magnitudes y orientaciones de los tensores principales, intermedios, mínimos y secundarios de esfuerzos).

• Diseño de labores manteniendo el confinamiento en las excavaciones subterráneas, partiendo del conocimiento de las magnitudes y orientaciones de los esfuerzos tectónicos in situ.

Obtener una base de datos de las mediciones de esfuerzos In Situ en el Perú para construir un cuadro de comportamiento tectónico Andino y compararlos con los patrones generales del comportamiento tectónico global.

• Minimizar los problemas de eventos sísmicos y realizar con el input de la orientación y magnitud de esfuerzos, modelamientos más próximos a la solución real del modelo considerado.

DENTRO DE ESTE CONCEPTO EL ESTADO TENSIONAL QUEDA DEFINIDO DE LA SIGUIENTE MANERA:

v = x g x Z

h = ( / (1 – )) x v

DONDE :

v, h ESFUERZO GRAVITACIONAL y ESFUERZO HORIZONTAL RESPECTIVAMENTE.

DENSIDAD DE LA MASA ROCOSA

CONSTANTE DE POISSON g : ACELERACION DE LA GRAVEDAD Z : PROFUNDIDAD

ANTECEDENTES

Esfuerzo Vertical

Muestra los esfuerzos verticales medidos en diversas partes del mundo.

v = 0.027* zv = 0.027xz

K= Esfuerzo Horizontal medio / Esfuerzo Vertical

A pequeñas profundidades hay una cantidad considerable de dispersión, lo que indica que a menores profundidades los esfuerzos horizontales

son mayores que los esfuerzos verticales.

1500 / H+0.5

100 / H+0.3

PRINCIPALES TIPOS DE ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DE ESFUERZOS IN SITU

CATEGORÍA TIPO DE ENSAYO TIPO DE ROCA Ensayo adyacente a la superficie Gato Plano (Flat Jack) Elástica y Viscoelástica

de roca expuesta. 0 - 1 mt. Roseta Superficial Elástica Overcoring - Borehole Deformation Gage (BDG) de la U.S. Bureau of Elástica Mines

Ensayos de Perforaciones de Celda de Deformación Biaxial Elástica poca profundidad. 5 - 30 mt. Doorstopper

Celda de Deformación Triaxial Elástica (CSIRO, LNEC, CSIR)

Medidor Fotoelástico Elástica

Téc

nicas

de

Relaj

ación

Gato Curvado Elástica Ensayos realizados en

pozos a gran profundidad Fracturamiento Hidráulico Elástica y Viscoelástica sobre los 30 metros

OVERCORING - BDG

METODO DEL OVERCORING

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PERFORACIÓN PARA EL OVERCORING 6” Y 1.5”

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REGISTRO DE DATOS DE LA CAJA LECTORA, DURANTE LA SOBREPERFORACIÓN

DISPOSICIÓN DE UN TIPO DE PERFORACIÓN PARA OVERCORING(d)

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ALGUNOS RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DE LA ORIENTACIÓN DEL

ESTADO DE ESFUERZOS IN SITU

S3

S1

S2

E

EL ESTADO DEL ARTE POR SIMULACIÓN MATEMÁTICA

Una excavación Minera configura geometrías complejas, cuya solución en términos de distribución de esfuerzos y deformaciones no tiene solución exacta conocida.

Actualmente se recurre a softwares, para resolver por aproximación numérica, los esfuerzos y deformaciones en todo el continuo rocoso del yacimiento minero en estudio.