GEOMECNICA APLICADA

GEOMECNICA APLICADA

AO DE LA DIVERSIFICACION PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIONCURSOGEOMECNICA APLICADA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE INGENIERIA DE MINASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINASDOCENTE ING. RAUL BADAJOZ LOAYZA INTEGRANTES ALVAREZ OBLEA ERICKA PAOLA LUY SAAVEDRA CRISTIAN RODRIGUEZ HUAYAMA YULEISI CAROLINA SIANCAS ROMERO KAREN LISBET URQUISO PISFIL RONALD ERICK

GEOMECNICA APLICADA A MINA SUBTERRNEA

DEDICATORIAEl presente trabajo esta dedicado a nuestros padres por su esfuerzo y dedicacin. Asimismo a travs del presente brindamos un agradecimiento al docente del curso, por su trabajo y ayuda constante.

INDICE

CAPTULO I: JUSTIFICACION Y OBJETIVOS71.1.JUSTIFICACION DEL ESTUDIO71.2.OBJETIVOS81.2.1.OBJETIVO GENERAL81.2.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS8CAPITULO II: ASPECTOS GENERALES92.1.DEFINICIONES92.1.1.GEOMECANICA APLICADA92.1.2.MACIZO ROCOSO92.1.3.MECANICA DE ROCAS102.1.4.ROCA INTACTA102.1.5.DISCONTINUIDAD102.1.6.FALLAS10CAPITULO III: MARCO TERICO113.1.INTRODUCCION113.2.CARACTERSTICAS DE LA ROCA123.3.DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA14CAPTULO IV: CARACTERIZACION DE LA MASA ROCOSA164.1.ASPECTOS GENERALES164.2.CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA174.2.1.Condiciones geomecnicas174.3.CLASIFICACION GEOMECANICA184.3.1.El criterio RMR de Bieniawski (1989)194.3.2.El ndice de Resistencia Geolgica GSI de Hoek y Marinos (2000)214.3.3.RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION) DESIGNACIN DE LA CALIDAD DE ROCA234.4.ZONIFICACIN GEOMECNICA DE LAS LABORES MINERAS24CAPITULO V: GEOMECANICA EN EL MINADO SUBTERRANEO275.1.MECNICA DE ROCAS Y GEOMECNICA275.2.GEOMECNICA SEGURIDAD ECONOMA275.3.CONSIDERACIONES DEL DISEO DE EXCAVACIONES MINERAS SUBTERRNEAS28CAPITULO VI: GEOMECANICA PARA LA PREVENCION DE CAIDA DE ROCA306.1.CAIDA DE ROCAS306.1.1.Influencia de la litologa, intemperizacin y alteracin316.2.INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA DE LA MASA ROCOSA336.2.1.Excavaciones en roca masiva336.2.2.Excavaciones en roca fracturada346.2.2.1.Cuas biplanares356.2.2.2.Cuas tetrahedrales356.2.2.3.Bloques tabulares o lajas366.2.2.4.Bloques irregulares366.2.3.Excavaciones en roca intensamente fracturada y dbil376.2.4.Excavaciones en roca estratificada376.2.5.Excavaciones con presencia de fallas y zonas de corte396.3.INFLUENCIA DE LOS ESFUERZOS406.3.1.Condiciones de esfuerzos in-situ406.3.2.Esfuerzos en roca masiva o levemente fracturada426.3.3.Esfuerzos en roca fracturada436.3.4.Esfuerzos en roca intensamente fracturada o dbil446.3.5.Esfuerzos en roca estratificada446.3.6.Esfuerzos en presencia de fallas y zonas de corte456.3.7.Esfuerzos en rocas expansivas466.4.INFLUENCIA DEL AGUA SUBTERRANEA466.4.1.Condiciones de presencia del agua subterrnea466.5.INFLUENCIA DE LA FORMA, TAMAO Y ORIENTACIN DE LAS EXCAVACIONES496.5.1.Forma de la excavacin496.5.2.Tamao de la excavacin516.5.3.Orientaciones de las excavaciones526.5.3.1.Esquema y secuencia de avance del minado566.5.3.2.El caso de excavaciones adyacentes596.5.3.3.Minado hacia estructuras principales596.5.3.4.Minado hacia rocas de diferente calidad616.5.3.5.Secuencia de avance, tiempo de exposicin de las aberturas y velocidad de minado62CAPITULO VII: INFLUENCIA DE LA PERFORACION Y VOLADURA EN LA MASA ROCOSA64CAPITULO VIII: INFLUENCIA DE LOS ESTANDARES DE SOSTENIMIENTO66CAPITULO IX: INSTRUMENTOS Y EQUIPOS PARA EL CONTROL DEL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO69CAPITULO X: CONCLUSIONES70

INTRODUCCIONLa geomecnica aplicada en la actividad minera es de vital importancia, ya que implica la determinacin de los parmetros de resistencia y deformacin del macizo rocoso.El estudio de los procesos que ocurren en el macizo rocoso durante la explotacin de los minerales posee una gran importancia, ya que ello permite, entre otras cosas mejores condiciones de seguridad del trabajo, aumentar su productividad y por ende, la efectividad econmica y la disminucin del impacto.Los macizos rocosos se diferencian entre s por las condiciones de yacencia, su composicin (qumica y mineralgica), estructura, fuerza de cohesin entre sus partes componentes, existencia de defectos estructurales y otros factores.Segn su constitucin los macizos rocosos pueden ser continuos, discontinuos y combinados.Para cada una de estas formas de comportamiento del macizo se pueden mencionar diferentes tipos; y stos, desde nuestro punto de vista, resulta til la divisin teniendo en cuenta sus caractersticas geo - estructurales en: macizos homogneos, estratificados, de bloque, muy agrietados y mixtos.El estado en que se encuentran las rocas depende de la relacin entre sus propiedades intrnsecas (densidad, humedad, resistencia, energa interna, conductividad trmica y otras) y las condiciones externas (magnitud y carcter de las cargas determinadas por el campo tensional, temperatura, tiempo, etc.). En dependencia de estas condiciones el macizo rocoso puede encontrarse en diferentes estados: slido, plstico y viscoso fluido.De tal forma, el macizo rocoso puede tener las formas ms variadas de estructura: desde homogneo casi istropo, pasando por formas ms complejas (estratificado, agrietado, con fallas y dislocaciones geolgicas, etc.), hasta un macizo muy triturado que se comporta como un medio discreto.

CAPTULO I: JUSTIFICACION Y OBJETIVOS

1.1. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO

El presente trabajo pretende proporcionar los diferentes parmetros de la caracterizacin de la masa rocosa permitiendo as conocer los aspectos geomecnicos en una mina subterrnea a fin de poder establecer el mtodo de explotacin y sostenimiento adecuado.Cuando se disean labores mineras subterrneas para propsitos de explotacin de un yacimiento minero, se ponen de manifiesto una serie de condicionantes y problemas que se relacionan con el comportamiento mecnico del macizo rocoso que deben de tomarse en cuenta a fin de hacer ms racional dicha actividad minera.Como complemento del trabajo realizado se expone como ejemplo la geomecnica de una mina subterrnea. Para descripcin del ejemplo se ha considerado a la unidad minera Esperanza De Caraveli y asimismo tambin se expone la geomecnica acerca de Cobriza.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Determinar la clasificacin geomecnica para minera subterrnea y con ello proponer los respectivos parmetros de mtodos de explotacin, sostenimiento, perforacin y voladura, y seguridad minera.

1.2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Realizar la caracterizacin del macizo rocoso y determinar la clasificacin geomecnica de una mina subterrnea.

Conocer el sostenimiento adecuado de acuerdo a las caractersticas geomecnicas de una mina subterrnea.

Aprender a seleccionar el mtodo de explotacin subterrnea adecuado segn las condiciones geomecnicas del macizo rocoso.

Indicar la influencia de las discontinuidades del macizo rocoso en la perforacin y voladura.

CAPITULO II: ASPECTOS GENERALES

Todas las rocas en la naturaleza presentan algn tipo de discontinuidad, microfisuras y macrofisuras, que influyen de manera decisiva en las propiedades fsicas y mecnicas de las rocas y, consecuentemente en los resultados de las voladuras.Las superficies de discontinuidad pueden ser de distintos tipos: planos de estratificacin, planos de laminacin y foliacin primaria, planos de esquistosidad y pizarrosidad, fracturas y juntas.Las discontinuidades pueden ser cerradas, abiertas o rellenas, y por ello con diferentes grado de transmisin de la energa del explosivo. 2.1. DEFINICIONES

2.1.1. GEOMECANICA APLICADADisciplina que estudia la respuesta del macizo del macizo rocoso a situaciones externas, teniendo como base a la geologa del macizo rocoso (geologa estructural, petrologa, hidrogeologa, geofsica, mecnica de suelos).2.1.2. MACIZO ROCOSO Conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. Presenta carcter heterogneo, comportamiento discontinuo y normalmente anisotropico, consecuencia de la naturaleza, frecuencia y orientacin de los planos de discontinuidad, que condicionan su comportamiento geomecnico e hidrulico.2.1.3. MECANICA DE ROCASCiencia terica que estudia el comportamiento mecnico de los materiales rocosos y de su respuesta ante la accin de fuerzas aplicadas en su entorno fsico.2.1.4. ROCA INTACTAMaterial rocoso sin discontinuidades, o bloques de roca entre discontinuidades. (Se caracteriza por su densidad, deformabilidad y resistencia; por su localizacin geogrfica; y por su litologa, ya sea esta nica o variada).2.1.5. DISCONTINUIDADCualquier rompimiento o perdida de continuidad de una roca (genera comportamiento no continuo de la matriz rocosa, y normalmente anisotropico), se clasifican en fallas, diaclasas y fracturas.2.1.6. FALLASEs una discontinuidad que se forma por fracturas en las rocas superficiales de la tierra (hasta unos 200 km de profundidad), cuando las fuerzas tectnicas superan las resistencias de las rocas. La zona de ruptura tiene una superficie generalmente bien definida denominada plano de falla y su formacin va acompaada de un deslizamiento de las rocas tangenciales a este plano.

CAPITULO III: MARCO TERICO

3.1. INTRODUCCION

Dependiendo de sus caractersticas y condiciones, la masa rocosa puede variar de una mina a otra, como tambin de rea en rea dentro de una misma mina.Con el paso del tiempo crecen las labores mineras y el minado se realiza a mayores profundidades, desarrollndose as diferentes problemas de inestabilidad en la roca.A fin de organizar y mantener una adecuada estrategia de control de la estabilidad de la roca en las labores mineras, el personal de una mina debe estar familiarizado con las caractersticas y condiciones de la masa rocosa propias de su mina. En tal sentido, este manual va a ayudar al personal a hacer del ambiente subterrneo un lugar de trabajo ms seguro.Cuando el personal de la mina sea capaz de conocer la roca, va a estar con mejor capacidad de identificar los peligros potenciales que podran causar accidentes.Conocer la roca tambin permitir tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podr establecer la direccin en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamao de las mismas, el tiempo de exposicin abierta de la excavacin, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que ste debe ser instalado.

Figura 1.1. Diagrama que muestra la transicin desde roca intacta hasta el macizo rocoso muy fracturado.3.2. CARACTERSTICAS DE LA ROCALa roca es un conjunto de sustancias minerales que formando masas, constituye gran parte de la corteza terrestre. Segn su origen, las rocas pueden ser gneas, sedimentarias y metamrficas.La roca difiere de la mayora de otros materiales utilizados en la ingeniera. sta tiene discontinuidades (fracturas) de diferentes tipos, que hacen que su estructura sea discontinua. Adems, debido a los procesos geolgicos que la han afectado entre el tiempo de su formacin y la condicin en la cual la encontramos en la actualidad, presenta heterogeneidades y propiedades variables. Todas estas caractersticas requieren ser evaluadas en forma permanente durante el laboreo minero.Primero es necesario distinguir lo que es el material rocoso o denominado tambin roca intacta y lo que es la masa rocosa o tambin denominada macizo rocoso.Roca intacta:Es el bloque ubicado entre las discontinuidades y podra ser representada por una muestra de mano o trozo de testigo que se utiliza para ensayos de laboratorio.

Figura 1.2 Roca IntactaMasa rocosaEs el medio in-situ que contiene diferentes tipos de discontinuidades como diaclasas, estratos, fallas y otros rasgos estructurales.

Figura 1.3 Masa Rocosa3.3. DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSALos principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son: Planos de estratificacin: Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.

Figura: 1.4: Planos de estratificacin

Fallas: Son fracturas que han tenido desplazamiento. stas son estructuras menores que se presentan en reas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina.

Figura: 1.5: Fallas

Zonas de corte: son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

Figura: 1.6: Zonas de corte

Diaclasas: tambin denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que ms comnmente se presentan en la masa rocosa.

Figura: 1.7: Diaclasas

Planos de foliacin o esquistosidad: Se forman entre las capas de las rocas metamrficas dando la apariencia de hojas o lminas.

Figura: 1.8: Planos de foliacin o esquistosidad

Contactos litolgicos: Que comnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

Figura: 1.9: Contactos litolgicos

Venillas: Son rellenos de las fracturas con otros materiales.

CAPTULO IV: CARACTERIZACION DE LA MASA ROCOSA

4.1. ASPECTOS GENERALES

Para conocer la masa rocosa, hay necesidad de observar en el techo y las paredes de las labores mineras, las diferentes propiedades de las discontinuidades, para lo cual se debe primero lavar el techo y las paredes. A partir de estas observaciones se podrn sacar conclusiones sobre las condiciones geomecnicas de la masa rocosa.Debido a la variacin de las caractersticas de la masa rocosa, el supervisor deber realizar en forma permanente una evaluacin de las condiciones geomecnicas, conforme avanzan las labores, tanto en desarrollo como en explotacin.En situaciones especiales, el supervisor deber realizar un mapeo sistemtico de las discontinuidades, denominado mapeo geomecnico, utilizando mtodos como el registro lineal, para lo cual debe extender una cinta mtrica en la pared rocosa e ir registrando todos los datos referidos a las propiedades de las discontinuidades, teniendo cuidado de no incluir en ellos las fracturas producidas por la voladura.Los datos se irn registrando en formatos elaborados para este fin, luego sern procesados y presentados en los planos de las labores mineras.

4.2. CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA

De acuerdo a cmo se presenten las caractersticas de la masa rocosa, sta tendr un determinado comportamiento al ser excavada. Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa ser competente y presentar condiciones favorables cuando sea excavada. Si la roca intacta es dbil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades desfavorables, la masa rocosa ser incompetente y presentar condiciones desfavorables cuando sea excavada. Habr situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca tendr condiciones regulares cuando sea excavada.

4.2.1. Condiciones geomecnicas Cuando se quiere conocer cmo se comportar la masa rocosa, sta debe ser clasificada en forma conjunta tomando en cuenta todas sus caractersticas. As, si juntamos las guas de clasificacin antes indicadas, considerando la resistencia de la roca, las caractersticas del fracturamiento y las condiciones de las paredes de las discontinuidades, la masa rocosa puede clasificarse en cinco categoras: Masa rocosa Muy Buena: Condiciones geomecnicas muy favorables para el minado. Masa rocosa Buena: Condiciones geomecnicas favorables para el minado. Masa rocosa Regular: Condiciones geomecnicas regulares para el minado. Masa rocosa Mala: Condiciones geomecnicas desfavorables para el minado. Masa rocosa Muy Mala: Condiciones geomecnicas muy desfavorables para el minado.Si se tiene definida la condicin de la masa rocosa para cada zona de la mina, se conocer como se comportar sta durante el minado, pero es necesario adems, conocer otros aspectos o factores adicionales que podran modificar su comportamiento al ser excavada. Estos otros factores estn referidos a lo siguiente: A la presencia de agua. A la presencia de los esfuerzos o tambin denominados presiones de la roca o del terreno. A la presencia de fallas principales.La presencia de estos factores en la masa rocosa, por lo general tienen un efecto adverso sobre su comportamiento. 4.3. CLASIFICACION GEOMECANICAPara definir las condiciones de la masa rocosa de una manera sistemtica, hoy en da existen criterios de clasificacin geomecnica ampliamente difundidos en todo el mundo, como los desarrollados por Barton y colaboradores (1974), Laubscher (1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y otros.Presentamos aqu los criterios RMR (Valoracin de la Masa Rocosa) de Bieniawski (1989) y GSI (ndice de Resistencia Geolgica) de Hoek y Marinos (2000), los mismos que se determinan utilizando los datos de los mapeos geomecnicos efectuados en las paredes de las labores mineras.Q (Tunnel Quality Index) ndice de la calidad del tnel, Barton Los tres sistemas ms conocidos para La Clasificacin Geomecnica de la Roca son los siguientes: RQD (Rock Quality Designation) Designacin de la calidad de roca, Deere et al, 1967). RMR (Rock Mass Rating) Clasificacin de la masa rocosa, Bieniawski (1973, 1989). et al (1974).4.3.1. El criterio RMR de Bieniawski (1989)Para el estudio de este criterio se toman en cuenta cinco parmetros:1. La resistencia compresiva (Rc) de la roca intacta, que puede ser determinada con golpes de picota o con otros procedimientos como los ensayos de laboratorio. 2. El RQD (Rock Quality Designation), que puede ser determinado utilizando los testigos de las perforaciones diamantinas. El RQD es el porcentaje de trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la longitud total del taladro.3. El espaciamiento de las discontinuidades.4. La condicin de las discontinuidades, referidas en este caso a la persistencia, apertura, rugosidad, relleno y meteorizacin.5. La presencia de agua.

CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI (1989)

Para cada parmetro se han establecido rangos de valores y para cada rango una valoracin.I Muy buena 81-100: Sin sostenimiento, Pernos puntuales L = 1.4 + (0.18 x W)II Buena 61-80: Puntuales L = 1.4 + (0.18 x W)III Normal 41--60: Pernos Esp. 1.5, L = 1.8 + (0.18 x W), Shotcrete 50mmIV Malo 21-40: Shotcrete 100mm, Pernos Esp. 1m, L = 2 + (0.18 x W)V Muy malo < 20: Arcos, Shotcrete 150mm, Pernos Esp. 1m, L = 3 + (0.18 x W)4.3.2. El ndice de Resistencia Geolgica GSI de Hoek y Marinos (2000)El ndice de Resistencia Geolgica GSI considera dos parmetros: la condicin de la estructura de la masa rocosa y la condicin superficial de la misma. Se han considerado cinco categoras de masa rocosa para esta clasificacin y compatibilizar con el criterio de RMR de Bieniawski.

La estructura de la masa rocosa considera el grado de fracturamiento o la cantidad de fracturas (discontinuidades) por metro lineal, segn esto, las cinco categoras consideradas se definen as: Masiva o Levemente Fracturada (LF)Moderadamente Fracturada (F)Muy Fracturada (MF)Intensamente Fracturada (IF)Triturada o brechada (T)La condicin superficial de la masa rocosa involucra a la resistencia de la roca intacta y a las propiedades de las discontinuidades: resistencia, apertura, rugosidad, relleno y la meteorizacin o alteracin. Segn esto, las cinco categoras consideradas se definen as:Masa rocosa Muy Buena (MB) Masa rocosa Buena (B) Masa rocosa Regular (R) Masa rocosa Mala (M) Masa rocosa Muy Mala (MM)

4.3.3. RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION) DESIGNACIN DE LA CALIDAD DE ROCAPorcentajeCalidad

0 - 25 %Muy Malo

25 50 %Malo

50 75 %Regular

75 90 %Bueno

90 100 %Muy Bueno

Proceso que utiliza la calidad de las muestras de perforacin (sondajes) diamantina (Deere et al, 1967) para determinar la calidad de la roca masiva in situ. Normalmente muestras de 54,7 mm x 1,5 m, resultando en un porcentaje como el siguiente:

4.4. ZONIFICACIN GEOMECNICA DE LAS LABORES MINERASCualquiera que sea el criterio de clasificacin que se adopte en una mina, los valores de calidad de la masa rocosa debern plotearse en los planos de las labores mineras. En estos planos sern delimitadas las zonas de similar calidad, as tendremos un plano de zonificacin geomecnica de las diferentes labores mineras, como se muestra en el ejemplo. Es recomendable tambin que en las paredes de las labores mineras se marque con pintura la calidad de la roca, segn cdigos que se adopten para cada tipo de roca.

En cada zona geomecnica se deber estandarizar las diferentes variables mineras, por ejemplo: La direccin de avance de la excavacin. El ancho y altura de la excavacin. El tiempo de exposicin abierta de la excavacin. El tipo de sostenimiento. El tiempo en el cual se debe instalar el sostenimiento y El tipo de voladura (breasting o realce), etc.

CAPITULO V: GEOMECANICA EN EL MINADO SUBTERRANEO5.1. MECNICA DE ROCAS Y GEOMECNICADesde que esta es una disciplina distinta y coherente, su aplicacin prctica efectiva demanda su integracin filosfica con otras reas que tratan con la respuesta mecnica de todos los materiales geolgicos, todo esto en conjunto es lo que se denomina la Geomecnica. Luego, la mecnica de rocas vendr acompaada principalmente por la geologa estructural, la hidrogeologa y la geofsica; juntos conforman la base conceptual y verdadera, a partir de la cual se puede desarrollar procedimientos para la prediccin y control del comportamiento de estructuras rocosas. Se debe tener presente que a pesar de tener algunos principios bsicos comunes, existe marcada diferencia entre la mecnica de rocas y la mecnica de suelos, por lo que estas deben ser consideradas como disciplinas complementarias ms que mutuamente inclusivas.5.2. GEOMECNICA SEGURIDAD ECONOMAEn la industria minera, la geomecnica tradicionalmente ha sido considerada como un asunto ligado primordialmente a la seguridad. Actualmente, adems de la seguridad, hay un reconocimiento creciente sobre su impacto en los aspectos econmicos de las operaciones mineras. Por estas razones esta habiendo importantes progresos en integrar esta herramienta tecnolgica dentro del proceso cotidiano de toma de decisiones en la operacin minera. La geomecnica ligada a la seguridad, significa reducir el nmero y frecuencia de cadas de rocas, y as evitar o minimizar los daos al personal y a los equipos. Este es un tema sumamente importante en el Per por las estadsticas de accidente fatales ocurridos en las minas, lo cual ha motivado en la ltima dcada que todos los organismos vinculados con la minera lleven a cabo acciones para combatir estas fatalidades. El impacto de la geomecnica sobre los aspectos econmicos, podemos cuantificarlo con los siguientes ejemplos: Reduccin en los costos de rehabilitacin de reas inestables. Ahorro potencial por la no interrupcin de la produccin a causa de los problemas de inestabilidad. Ganancia en la produccin por la dedicacin del personal a esta tarea en lugar de dedicarse a la rehabilitacin de reas inestables. Mayor recuperacin del mineral por adecuados diseos geomecnicos. Reduccin de costos por el minado masivo de grandes aberturas. Ahorro en el consumo de cemento de los rellenos cementado.

5.3. CONSIDERACIONES DEL DISEO DE EXCAVACIONES MINERAS SUBTERRNEASLa aplicacin de la geomecnica al minado subterrneo est basada en premisas simples y quizs evidentes. Postula, que a la masa rocosa puede atribursele un conjunto de propiedades mecnicas que pueden ser cuantificadas por procedimientos adecuados. Asevera que los procesos de minado generan una estructura rocosa cuyo rendimiento puede determinarse mediante la aplicacin de la mecnica clsica. Propone que la capacidad para predecir y controlar el rendimiento mecnico de la roca circundante puede mejorar o asegurar el rendimiento econmico de la mina, aspectos estos que pueden ser traducidos en la prctica de ciertos parmetros como la eficiencia en la recuperacin del mineral, productividad minera o rentabilidad econmica directa. De una manera simplista, la extraccin de minerales por mtodos de minado subterrneo involucra la generacin de un conjunto de excavaciones, de diferentes formas, tamaos y orientaciones, y que a su vez estas cumplen funciones especficas en el proceso productivo.

EXCAVACIONES

ORIENTACIONESTAMAOSFORMA

FUNCIONES ESPECIFICAS

ABERTURAS DE ACCESOS Y SERVICIOS A TAJEOSABERTURAS DE ACCESOSY SERVICIOS PERMANENTESTAJEOS

VIDA CONDICIONADA A LA EXTRACCION ACTIVA DEL MINERAL VIDA LIMITADA A LA DURACION DEL MINADO (TEMPORALES): CRUCEROS DE ACCESOCHIMENEAS DE ACCESOECHADEROS DE MINERALVENTANAS DE CARGUIOVIDA COMPARABLE O SUPERIOR A LA VIDA DE LA MINA: GALERIAS DE NIVELRAMPASPIQUESDUCTOS DE VENTILACION

CAPITULO VI: GEOMECANICA PARA LA PREVENCION DE CAIDA DE ROCA6.1. CAIDA DE ROCASLa cada de rocas constituye uno de los mayores riesgos en el minado subterrneo. Por esta razn, para que las operaciones mineras sean seguras, es esencial que el personal de la mina identifique los problemas de inestabilidad de la masa rocosa, que pueden conducir a la falla potencial de la misma. De esta manera se podrn adoptar medidas adecuadas para prevenir los accidentes ocasionados por la cada de rocas.Los factores que influyen en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones subterrneas, que son de particular inters en trminos de la operacin minera da a da, son: la litologa, intemperizacin y alteracin, la estructura de la masa rocosa, los esfuerzos, el agua subterrnea, la forma, el tamao y orientacin de las excavaciones, el esquema y secuencia de avance del minado, la voladura, el tiempo de exposicin abierta de la excavacin y los estndares de sostenimiento. Antes de realizar una excavacin, la masa rocosa se encuentra en equilibrio, sin embargo, cuando la excavacin se ha creado, sta rompe las condiciones de equilibrio pre-existentes, la cual crea perturbaciones en la masa rocosa que es necesario controlar. Cuando estas perturbaciones son adversas, pueden resultar en inestabilidades de la masa rocosa como fracturamientos y aflojamientos de la roca, deslizamientos a travs de superficies de discontinuidad, deflexiones excesivas del techo, convergencia o cierre de los contornos de la excavacin o de las cajas de una labor en veta, astillamientos, lajamientos, reventazones y estallidos de rocas. La identificacin de las inestabilidades de la masa rocosa, debe ser llevada a cabo en forma continua durante el desarrollo de la mina a medida que avance el minado, en base a la informacin geomecnica que se tenga disponible y las inspecciones de rutina de la masa rocosa de las aberturas mineras.6.1.1. Influencia de la litologa, intemperizacin y alteracinEl tipo de roca influye en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones, por ejemplo, las margas, tufos y tobas volcnicas de textura granular o brechoide, caracterizadas por su baja densidad y alta porosidad, son rocas que absorben rpidamente la humedad y se deterioran, pudiendo llegar paulatinamente al fallamiento si es que no se adoptan medidas de control de la estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones.Las condiciones inestables de estos tipos de roca, se incrementan en condiciones de mayor presencia de agua (goteos y flujos), presencia de agua cida y materiales rocosos carbonatados, presencia de altos esfuerzos y cuando se ubican entre capas de roca de mejor calidad, por ejemplo, brechas tufceas entre lavas andesticas o margas entre calizas.Particularmente en la roca estratificada, se presentan horizontes de rocas de mala calidad como lutitas, margas, calizas carbonosas, calizas porosas u otras rocas que contienen arcillas. Estos materiales constituyen estratos dbiles, principalmente en presencia de agua, que pueden influir adversamente en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones.Por otro lado, las rocas intemperizadas y alteradas tambin pueden influir en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa. Las rocas superficiales intemperizadas, cuyo rasgo principal es la presencia de xidos de fierro debido a la oxidacin y el contenido de arcillas por la descomposicin de los feldespatos u otros minerales, son rocas deterioradas y propensas a causar inestabilidades al ser excavadas. sta es la razn por lo que en la mayora de los casos las bocaminas requieren ser sostenidas. Las rocas alteradas tienen caractersticas ms complejas. Las alteraciones hidrotermales son muy relevantes en el minado, desde que estn asociadas con la formacin y tipo de los yacimientos minerales. Las caractersticas de la alteracin influyen en forma adversa o en forma favorable a las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones. Como ejemplo se explica en la siguiente imagen el zoneamiento simplificado de una estructura mineralizada en un ambiente de alteracin hidrotermal en vetas:

Los nmeros indican lo siguiente:1. Zona de alteracin silcea o cuarzo sericita, asociada con la mineralizacin de la veta, en donde ocurren rocas de calidad regular.2. Zona de alteracin arglica, avanzada o intermedia, correspondiente a las cajas inmediatas, donde ocurren rocas de mala calidad y propensas al fallamiento. 3. Zona de alteracin propiltica potsica, asociada a la periferie de las cajas, en donde la roca mejora su calidad, sin embargo, las fracturas presentan minerales de clorita formando superficies lisas.4. Zona de roca estril no afectada por la alteracin, en donde ocurren condiciones geomecnicas caractersticas de los macizos rocosos.Adems del zoneamiento de la alteracin local (en la veta), algunos yacimientos presentan un zoneamiento hidrotermal regional, mostrando las diferentes zonas de alteracin, condiciones geomecnicas que la caracterizan y que influyen en la estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones. Tambin es importante anotar que algunas rocas presentan en su composicin mineralgica, materiales de caractersticas expansivas como la anhidrita (sulfato de calcio) y la montmorillonita (tipo de arcilla), la primera relacionada con las calizas y la segunda con tufos volcnicos o rocas como las fillitas.

6.2. INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA DE LA MASA ROCOSALa influencia de la estructura de la masa rocosa puede ser simplificada considerando los siguientes tipos generales de excavaciones: En roca masiva o levemente fracturada En roca fracturada En roca intensamente fracturada y dbil En roca estratificada En roca con presencia de fallas y zonas de corte

6.2.1. Excavaciones en roca masivaLas rocas masivas se caracterizan por presentar pocas discontinuidades, con baja persistencia y ampliamente espaciadas, generalmente son rocas de buena calidad que estn asociadas a cuerpos mineralizados polimetlicos en rocas volcnicas, particularmente cuando stas han sufrido procesos de silicificacin hidrotemal. Ignorando por ahora la influencia de los esfuerzos, estos tipos de rocas ofrecen aberturas rocosas estables sin necesidad de sostenimiento artificial, solo requieren de un buen desatado o sostenimiento localizado.

6.2.2. Excavaciones en roca fracturadaLa roca fracturada se caracteriza por presentar familias de discontinuidades conformadas principalmente por diaclasas, por lo que se les denomina tambin roca diaclasada, que se presentan en la mayora de los depsitos mineralizados del pas (vetas y cuerpos). Las diaclasas y otros tipos de discontinuidades constituyen planos de debilidad. Luego, el factor clave que determina la estabilidad de la excavacin es la interseccin de las discontinuidades, que conforman piezas o bloques de roca intacta de diferentes formas y tamaos, definidas por las superficies de las diaclasas y la superficie de la excavacin. Desde que las piezas o bloques rocosos se encuentran en la periferie de la excavacin, stos pueden ser liberados desde el techo y las paredes de la excavacin y pueden caer o deslizarse debido a las cargas gravitacionales. Para que una excavacin sea estable, los bloques de roca deben ser capaces de interactuar o de hacer presin uno contra el otro, cuando esto ocurre, la excavacin tiende a autosostenerse. Alguna irregularidad en el contorno de la excavacin es la clave indicadora para un problema potencial de inestabilidad, donde las piezas de roca no van a tener la capacidad de interactuar y por lo tanto de permanecer en su lugar. Cuando se descubre una irregularidad basndose en el sonido de la roca, esto indica que se est aflojando cerca de la superficie y que se puede reconocer y evaluar un peligro potencial.Las discontinuidades o planos de debilidad pueden intersectarse formando varias combinaciones. Segn esto, las fallas comnmente vistas en el minado subterrneo son: las cuas biplanares, las cuas tetrahedrales, los bloques tabulares o lajas y los bloques irregulares. Desde luego, no solo las diaclasas pueden intervenir para generar estos modos de falla de la roca, sino que la combinacin puede ser con cualquier otro tipo de discontinuidades como fallas, zonas de corte, estratos, etc.

6.2.2.1. Cuas biplanaresEl modo ms simple de falla est formado por la interseccin de dos diaclasas o sistemas de diaclasas, en general dos discontinuidades o sistemas de discontinuidades, cuyo rumbo es paralelo o subparalelo al eje de la excavacin. En este caso, en el techo o en las paredes se forma una cua biplanar o prisma rocoso, que podra desprenderse desde el techo o deslizarse desde las paredes inesperadamente.6.2.2.2. Cuas tetrahedralesEs otro modo de falla que considera la interseccin de tres diaclasas o sistemas de diaclasas, en general tres discontinuidades o sistemas de discontinuidades, para formar una cua tetrahedral que podra caer o deslizarse por peso propio, ya sea desde el techo o desde las paredes de la excavacin.

6.2.2.3. Bloques tabulares o lajasstos se forman cuando la roca presenta un sistema principal de discontinuidades que sea aproximadamente paralelo al techo o a las paredes de la excavacin y adems existan otros sistemas que liberen el bloque. Esta forma de inestabilidad de la masa rocosa, es observada en rocas volcnicas e intrusivas de yacimientos de oro filoneano y tambin en yacimientos polimetlicos tipo vetas, en donde el principal sistema de discontinuidades forma las denominadas falsas cajas, paralelas a las cajas y que pueden separarse o despegarse y caer hacia el vaco minado.

6.2.2.4. Bloques irregularesEn este caso, la roca de los contornos de la excavacin est formada como un edificio de bloques que se autosostienen. Los bloques liberados por las intersecciones de las diaclasas presentan formas complejas. La falla puede ocurrir por cada o deslizamiento de los bloques debido al efecto de la gravedad.

6.2.3. Excavaciones en roca intensamente fracturada y dbilLa roca intensamente fracturada presenta muchos sistemas de diaclasas y otras fracturas, las cuales crean pequeas piezas o fragmentos rocosos, constituyendo por lo general masas rocosas de mala calidad, que son comunes en los depsitos mineralizados del pas. La falla del terreno en este caso ocurre por el deslizamiento y cada de estas pequeas piezas y fragmentos rocosos o por el desmoronamiento de los mismos desde las superficies de la excavacin. La falla del terreno progresivamente puede ir agrandando la excavacin y eventualmente llevarla al colapso si no se adoptan medidas oportunas de sostenimiento artificial.

6.2.4. Excavaciones en roca estratificadaMuchos depsitos mineralizados del pas estn emplazados en roca sedimentaria, en la cual el rasgo estructural ms importante son los estratos. Las principales caractersticas de los planos de estratificacin son su geometra planar y su alta persistencia, las cuales hacen que estos planos constituyan debilidades de la masa rocosa, es decir planos con baja resistencia.Cuando los estratos tienen bajo buzamiento (< 20), generalmente el techo y piso de los tajeos concuerdan con los estratos y los mtodos de minado que se utilizan involucran el ingreso del personal dentro del vaco minado, por lo que es importante asegurar la estabilidad de la excavacin, principalmente del techo de la labor. Los problemas que pueden generarse en estos casos, tienen relacin con la separacin o despegue de los bloques tabulares del techo inmediato y su cargado y deflexin hacia el vaco minado por efecto de la gravedad.

Cuando los estratos tienen buzamiento de moderado a empinado, stos se constituyen en la caja piso y techo de la labor o tajeo. Principalmente en la caja techo, los estratos se constituyen en falsas cajas, formando bloques tabulares que pueden separarse o despegarse de la caja techo inmediata por el efecto de la gravedad y caer hacia el vaco minado.

6.2.5. Excavaciones con presencia de fallas y zonas de cortePrincipalmente las fallas geolgicas y las zonas de corte, son rasgos estructurales prominentes de la masa rocosa, que tienen una gran influencia sobre las condiciones de estabilidad de las labores mineras subterrneas. Las fallas geolgicas y las zonas de corte representan estructuras donde ya hubo movimientos antes del minado, estos movimientos podran volver a ocurrir por la operacin del minado.Generalmente hablando, las fallas y las zonas de corte estn relacionadas a terrenos dbiles que pueden estar muy fracturados y la falla misma puede contener arcilla dbil o panizo. Las zonas de influencia de las fallas y de las zonas de corte pueden ser de varios metros de ancho, pudiendo influenciar significativamente en la estabilidad de la mina, particularmente en el caso de las operaciones en tajeos.

6.3. INFLUENCIA DE LOS ESFUERZOS6.3.1. Condiciones de esfuerzos in-situ En cualquier excavacin subterrnea que se desee realizar, el macizo rocoso estar sometido a un estado de esfuerzos in-situ previo a la realizacin de la excavacin. El estado de esfuerzos una vez realizada la excavacin, ser el resultado del estado de esfuerzos inicial (in-situ) ms el estado de esfuerzos inducidos por la excavacin o el minado. Por ello, los esfuerzos in-situ constituyen unos de los factores importantes que condicionan las estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones subterrneas. Los esfuerzos in-situ dependen de una serie de factores como la topografa de la superficie, la erosin, los esfuerzos tectnicos residuales, el efecto de las discontinuidades y otros. Para determinar la orientacin y la magnitud de los esfuerzos in-situ, lo ms recomendable es realizar mediciones in-situ. Para ello hay varias tcnicas de medicin como: el de liberacin de esfuerzos (ejemplo la tcnica del overcoring utilizando celdas triaxiales CSIRO tipo Hollow Inclusin); el de restauracin de esfuerzos (ejemplo la tcnica del gato plano - Flat Jack); y otros (ejemplo el hidrofracturamiento). Cuando no se disponga de informacin de esfuerzos in-situ a partir de mediciones in-situ, estos pueden ser estimados utilizando el criterio de Sheorey (1994). La utilizacin de este criterio proporciona los esfuerzos in- situ vertical y horizontal. Tambin se puede recurrir a los elementos estructurales de la zona y a la tectnica local; mediante el mapeo detallado de las fallas se puede determinar la direccin de los esfuerzos principales en un momento determinado de la historia geolgica del lugar. Esta informacin debe ser utilizada con sumo cuidado para las condiciones actuales.Cuando el minado procede a poca profundidad respecto de la superficie, la estabilidad de las excavaciones est condicionada principalmente por la influencia de la estructura de la roca, tal como se ha descrito en el acpite anterior. A medida que la profundidad del minado aumenta (mayor encampane), en general los esfuerzos naturales en toda la masa rocosa tambin van incrementndose, debido principalmente al peso de la roca sobreyacente o denominada tambin carga litosttica. Cuando se apertura una labor minera en esta masa rocosa, se rompe el campo de esfuerzos naturales y se induce un nuevo estado de esfuerzos en la roca circundante a la excavacin. Conforme avanza el minado, los esfuerzos inducidos pueden concentrarse en ciertos lugares de las excavaciones, en otros pueden disiparse. Particularmente en las reas de concentracin de esfuerzos, stos pueden exceder la resistencia de la roca, generando problemas de inestabilidad en la masa rocosa de las excavaciones, significando problemas potenciales de cada de rocas.En trminos de la estabilidad de las labores mineras, la influencia de los esfuerzos en la masa rocosa puede ser simplificada considerando a los siguientes tipos generales de terrenos: Esfuerzos en roca masiva o levemente fracturada Esfuerzos en roca fracturada Esfuerzos en roca intensamente fracturada y dbil Esfuerzos en roca estratificada Esfuerzos en presencia de fallas y zonas de corte Esfuerzos en roca expansiva.

Esfuerzos antes de la excavacin

Esfuerzos inducidos alrededor de una excavacin simpleEsfuerzos inducidos alrededor de excavaciones mltiples6.3.2. Esfuerzos en roca masiva o levemente fracturadaDependiendo de la intensidad de los esfuerzos, en este caso pueden ocurrir descostramientos, astillamientos, lajamientos, reventazones y hasta estallido de rocas. Estos tipos de falla son tpicos particularmente en rocas duras pero frgiles. En el pas se observan estos fenmenos en rocas volcnicas, intrusivas y sedimentarias (calizas) asociadas a yacimientos polimetlicos y aurferos, en donde el minado se viene llevando a cabo entre profundidades de 500 a 1300 m, que es la mxima profundidad que han alcanzado algunas minas.

Roca masiva o levemente fracturada sometida a altos esfuerzos, en donde pueden ocurrir astillamientos, lajamientos, reventazones y hasta estallidos de rocas.

Cuando una roca est fallando, genera ruidos (chasquidos y golpes), principalmente en el frente de avance. Cuando se escuchan ruidos de la roca en un rea de la mina que normalmente es silenciosa, el rea debe ser rastreada. Algunas excavaciones son muy ruidosas porque la roca est continuamente relajndose. Tambin es importante considerar cuando estas reas se convierten en reas silenciosas, por que esto implicara un potencial fallamiento de la roca, debido a que se encontrara relajada y aflojada, constituyendo riesgo inminente de cada de rocas.6.3.3. Esfuerzos en roca fracturadaEn condiciones de altos esfuerzos, la falla de la roca ocurre de manera similar a lo indicado para rocas masivas o levemente fracturadas, como resultado de deslizamientos sobre las superficies de discontinuidades y tambin por trituracin de los bloques rocosos. Asimismo, en el pas ocurren estos fenmenos en rocas volcnicas, intrusivas y sedimentarias (calizas) asociadas a yacimientos polimetlicos y aurferos, en donde el minado se lleva a cabo entre profundidades de 500 a 1300 m.

Roca fracturada en donde los altos esfuerzos producen fallas por deslizamientos a travs de las discontinuidades y por trituracin de los boques rocosos

Una masa rocosa fracturada sujeta a esfuerzos tensionales, sufrir un relajamiento de esfuerzos, siendo ms propensa al colapso. Para mantener estable este tipo de masas rocosas, se deber buscar mediante la instalacin del sostenimiento, un estado de esfuerzo compresional en la periferia de la excavacin. 6.3.4. Esfuerzos en roca intensamente fracturada o dbilEn este caso, en condiciones de altos esfuerzos, ocurren fallas de tipo dctil o plstica, en donde la masa rocosa circundante a una labor minera falla por deslizamiento a travs de las superficies de las discontinuidades y por trituracin de las piezas rocosas. En rocas dbiles, los esfuerzos producen altas deformaciones en los contornos de la excavacin, con levantamiento del piso.

Tajeo en vetaLabor de avance

Roca severamente fracturada o dbil en donde ocurren fallas por deslizamientos a travs de las discontinuidades y por trituracin de las piezas rocosas, producindose altas deformaciones en los contornos de la excavacin.

6.3.5. Esfuerzos en roca estratificadaEn rocas estratificadas, plegadas o laminadas, pueden ocurrir procesos de rotura frgil como el mostrado en la figura.La separacin o despegue del techo o caja techo inmediatos, su cargado y deflexin hacia el vaco minado ya no solo ocurre por efecto de la gravedad, sino que son acentuados por la accin de los esfuerzos. En condiciones de altos esfuerzos tambin puede ocurrir el levantamiento del piso de la excavacin, problema relacionado principalmente al mtodo de minado de cmaras y pilares.

Deslizamientos y separacin de la roca en la periferia de la excavacin, en ambientes de altos esfuerzos

6.3.6. Esfuerzos en presencia de fallas y zonas de corteEn zonas de fallas geolgicas o zonas de corte presentes en la excavacin, los esfuerzos hacen que la roca sea ms propensa a soltarse o aflojarse.Como estos rasgos estructurales generalmente son continuos, persisten sobre dimensiones que exceden a la excavacin, siendo necesario examinar tambin la posibilidad y consecuencias del deslizamiento bajo la accin de los esfuerzos.

6.3.7. Esfuerzos en rocas expansivasEste tipo de rocas en presencia de agua presentan caractersticas de hinchamiento por la actividad de expansin qumica. El hinchamiento de la roca genera presiones que pueden llevarla al colapso o daar los sistemas de sostenimiento. El problema de hinchamiento de la roca, puede ocurrir a cualquier profundidad del minado.

Daos al sostenimiento por presiones de rocas expansivas.

6.4. INFLUENCIA DEL AGUA SUBTERRANEA6.4.1. Condiciones de presencia del agua subterrnea La presencia del agua subterrnea dentro de la masa rocosa en general tiene efectos adversos en la operacin de una mina subterrnea. La presin del agua reduce la resistencia al corte de las discontinuidades; el contenido de humedad incrementa el peso unitario de la roca, acelera la intemperizacin de las rocas dbiles, produce la expansin de las rocas expansivas y aumenta la deformabilidad de la masa rocosa; los flujos de agua lavan el relleno de las discontinuidades y obligan a implementar sistemas de drenaje. De todos estos efectos de la presencia de agua subterrnea dentro del macizo rocoso, el ms importante es la presin del agua, la cual reduce las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones. Por ello es importante que a travs de investigaciones hidrogeolgicas se determinen las caractersticas de presencia del agua subterrnea dentro de la masa rocosa del yacimiento. En rocas masivas o levemente fracturadas, la presencia del agua no tiene influencia significativa.En rocas fracturadas o estratificadas, la influencia del agua en las fisuras es un aspecto importante a considerar. Cuando en las fisuras hay presencia de agua, sta ejerce presin y acta como lubricante, adems puede lavar el relleno dbil de las fracturas, complicando la situacin de la excavacin.

El agua puede lubricar las familias de discontinuidades y permitir que las piezas de rocas se muevanEn rocas intensamente fracturadas, la presencia del agua acelera el proceso de aflojamiento, especialmente en ambientes de altos esfuerzos donde el aflojamiento de la roca ser muy rpido.La observacin de cambios en la humedad, en el techo y paredes de la excavacin, ayuda en el reconocimiento de posibles fallas de la roca, como resultado de las variaciones de los esfuerzos. Si el agua empieza a filtrarse a travs de la roca dentro de un rea que es normalmente seca, es un signo de que la roca est pasando por cambios de esfuerzos, estos cambios harn que las fracturas se abran o se extiendan, empezando a manifestarse la humedad. Similarmente, si un rea normalmente con presencia de agua empieza a secarse, tambin deber tomarse como una indicacin de que la roca est ganando esfuerzos.

La presencia de agua en las fallas geolgicas y zonas de corte, influye significativamente en la estabilidad de la masa rocosa de una excavacin.

La presencia de agua en la roca intemperizada y dbil, puede acelerar el aflojamiento y actuar como lubricante para producir deslizamientos. En ambientes de altos esfuerzos, la situacin de la estabilidad de la masa rocosa se complica. Finalmente, en las rocas expansivas, el agua es el detonador del hinchamiento de las mismas, con la consecuente generacin de altas presiones y deformaciones que pueden llevarla a la falla o daar los sistemas de sostenimiento. Es importante considerar que la presencia de agua cida daa a los sistemas de sostenimiento, produciendo corrosin a los elementos de fierro, acero y deterioro del concreto. Con el tiempo, los elementos de sostenimiento perdern su efectividad, creando situaciones de peligro de cada de rocas. Otro aspecto a ser considerado como peligro de cada de rocas, es la influencia del agua del relleno hidrulico sobre las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones. Si no se implementan sistemas adecuados de drenaje del agua de relleno, las filtraciones debilitarn a la masa rocosa del entorno, particularmente a las rocas dbiles, hacindolas propensas al aflojamiento.6.5. INFLUENCIA DE LA FORMA, TAMAO Y ORIENTACIN DE LAS EXCAVACIONES6.5.1. Forma de la excavacinLa forma que adopte el contorno de una excavacin, tendr influencia favorable o desfavorable en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de dicha excavacin. En general, las formas esquinadas representan condiciones desfavorables para la estabilidad, mientras que el efecto arco favorece a la estabilidad.

Forma favorable de una excavacinForma desfavorable de una excavacin

En rocas masivas y frgiles, la estabilidad es gobernada por la forma del contorno de la excavacin. Formas rectangulares, pueden exhibir altas concentraciones de esfuerzos en las esquinas que pueden resultar en la falla. Un techo plano puede exhibir concentraciones de esfuerzos de traccin y tambin resultar en una falla. El arqueo de los techos de los tajeos, sin embargo, elimina los esfuerzos crticos y ofrece una abertura estable sin peligro de falla.En rocas diaclasadas, el mximo tamao de las cuas depende del tamao y la geometra del tajeo o de la galera. Cuas y bloques de gran tamao pueden caer a lo largo de la abertura de la excavacin, resultando en el agrandamiento de la seccin.

Agrandamiento de la seccin de la excavacin por inestabilidades de cuas y bloques.Una solucin a esto es la forma de la excavacin para acomodarse a los rasgos estructurales dominantes de la masa rocosa. Aunque las excavaciones no tendran una esttica apropiada, pero seran ms estables, de lo contrario se tendra que utilizar el sostenimiento. En las siguientes figuras se muestran algunos casos, aplicables a labores de avance y tajeos, estos ltimos particularmente importantes en los mtodos de minado por shrinkage, como tambin en corte y relleno, donde se podr controlar adecuadamente las condiciones de estabilidad de la corona y cajas.Formas de excavaciones en funcin de los planos geolgicos estructurales.

6.5.2. Tamao de la excavacinEl tamao de una excavacin tiene que ser compatible con las condiciones geomecnicas de la masa rocosa. Cuando las condiciones geomecnicas no lo permiten y se intenta hacer crecer el tamao de la excavacin, se genera un peligro potencial, si es que no se adoptan medidas de control de la estabilidad de la masa rocosa.Cuando el tamao de la excavacin crece, los techos, paredes o cajas estn expuestos a mayores rasgos estructurales de la masa rocosa. Luego, los bloques y cuas que se autosostenan cuando la excavacin era pequea, ahora tienen menos autosostenimiento, lo cual representa un peligro potencial.

Cuando las dimensiones de la excavacin crecen, aumenta la posibilidad de que la roca pueda deslizarse o caerse.En rocas fracturadas en donde las familias de diaclasas u otras discontinuidades forman bloques rocosos de tamao mediano a grande, stos tienden a presionarse uno contra el otro en el contorno de la excavacin, logrando autosostenerse, especialmente en excavaciones de tamao pequeo. En masas rocosas de estratificaciones horizontales planas, el agrandamiento de la excavacin va a afectar la estabilidad de la misma, dependiendo del espesor del estrato, debido a la capacidad de autosostenimiento de los estratos y tambin de los esfuerzos. Si el tamao de la excavacin permite que las capas rocosas se muevan unas en relacin a otras, entonces la falla de la excavacin puede ocurrir. En rocas intensamente fracturadas y dbiles, obviamente el crecimiento de la excavacin significar el colapso de la misma.

Gua para establecer el tamao mximo de los tajeos

6.5.3. Orientaciones de las excavacionesLa roca puede ser minada con mayor seguridad en una direccin que en otra, la direccin preferencial de avance de la excavacin es determinada por el rasgo estructural dominante de la masa rocosa. Minar en la direccin preferencial de avance, significar tener condiciones ms ventajosas para la estabilidad de la excavacin. Contrariamente, minar en la direccin de avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la vida de la mina, representando peligro de cada de rocas. Si una excavacin avanza en forma paralela a un sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las condiciones de estabilidad de la masa rocosa sern muy desfavorables por el debilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45 .

Condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad. La estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavacin, las mismas que presentan inestabilidad

Avance favorable de la excavacin con relacin a las discontinuidades

Avance paralelo al sistema de discontinuidades. Condicin desfavorable

En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante preocupacin, particularmente si la excavacin avanza cerca de una falla geolgica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el rea ubicada entre la falla y la excavacin y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.

Problemas de inestabilidad cuando la excavacin avanza paralela a una fallaLo ideal para tener condiciones de estabilidad favorables de la masa rocosa en una excavacin, es que sta avance en forma perpendicular, cruzando al sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, es decir, al rasgo estructural dominante de la masa rocosa.

En vetas o cuerpos mineralizados angostos, no hay opcin de seguir la excavacin atravesando las discontinuidades, pues la nica forma de llevar a cabo el minado es seguir el rumbo de la estructura. En estos casos, dependiendo de las condiciones de calidad de la masa rocosa, el sostenimiento constituir un componente importante del minado. En vetas o cuerpos mineralizados que tengan mayor a 10 m de potencia, si se puede aprovechar este principio, lo cual influir favorablemente en las condiciones de estabilidad de la labor minera. El principio sealado tambin es aplicable al caso de cuas biplanares, no siendo recomendable que el eje de la excavacin sea paralelo a la cua biplanar, sino que la excavacin atraviese la cua, es decir, que el rumbo de la cua sea perpendicular al eje de la excavacin, en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirn el autosostenimiento de la excavacin.

En lo posible, la excavacin debe atravesar la cua

As mismo, el mencionado principio tambin es aplicable al caso de labores mineras en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales. En este caso, la ubicacin y direccin de avance de las excavaciones influirn en las condiciones de estabilidad de las excavaciones. En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarn mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las ms desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentracin de los flujos de agua y de los esfuerzos. Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de tneles y galeras para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina.

(a) Condiciones regulares; (b) Condiciones desfavorables; (c) Condiciones muy desfavorables. A) Tramo de galera de condiciones favorables; B) Tramo de condiciones desfavorables.

6.5.3.1. Esquema y secuencia de avance del minadoSe debe partir del principio que un yacimiento mineral puede ser extrado de muchas maneras. Existen variadas estrategias para establecer esquemas y secuencias de avance del proceso de excavacin durante la explotacin de una mina. De estas estrategias, algunas se adaptan mejor que otras a las condiciones geomecnicas y condiciones naturales presentes en el yacimiento (principalmente a la morfologa de la mineralizacin), de tal manera que se puedan obtener ventajas significativas en la estabilidad de la masa rocosa. El esquema y secuencia de avance del minado no puede ser generalizado para todas las minas. Cada mina tiene sus propias particularidades, dependiendo de sus propias condiciones geomecnicas y naturales, por ello es importante que el esquema y secuencia de avance del minado sea definido para cada mina, como parte del planeamiento y diseo del minado.a) El caso de pilaresEn el caso de los pilares, hay factores que afectan su resistencia y que estn relacionados a los defectos o rasgos estructurales que estn presentes en el pilar y la forma y orientacin de los mismos. Consideremos a manera de ejemplo un cuerpo mineralizado en dnde se presenta una masa rocosa fracturada con tres sistemas tpicos de discontinuidades, dos de ellos de rumbos ms o menos paralelos y buzamientos opuestos, el tercero con rumbo ms o menos perpendicular a los anteriores y cualquier buzamiento. Si se decidiera hacer pilares cuadrados o rectangulares con relacin W/H = y un esquema como el de la Figura 2.34 por ejemplo, en este caso los dos primeros sistemas de discontinuidades interceptaran al cuerpo del pilar de pared a pared, si es que los pilares tuvieran una altura determinada y un ancho limitado. En este caso, ocurrira el debilitamiento de los pilares, lo cual constituira un problema de falla potencial de la roca.

Esquema de pilares desfavorables para la estabilidad de los mismosLa solucin sera hacer pilares rectangulares, alineando el lado mayor perpendicular a los dos primeros sistemas de discontinuidades. En este caso, el ancho de los pilares no tendra intersecciones de discontinuidades de pared a pared y por lo tanto seran mucho ms resistentes y estables, aunque las cuas rocosas en la pared de los pilares podran moverse, esto no afectara significativamente la estabilidad de los mismos.

Por otro lado, la presencia de fallas geolgicas o zonas de corte pueden influir significativamente en la adopcin del esquema de minado por cmaras y pilares, y por lo tanto en las condiciones de estabilidad de las mismas. Los sistemas de minado deberan integrar las fallas o zonas de corte a los pilares para mantener los techos de los tajeos en roca competente. Esta ser una razn por la que algunas veces el esquema de los pilares no ser uniforme, variando sus anchos de acuerdo a la presencia o ausencia de fallas o zonas de corte.6.5.3.2. El caso de excavaciones adyacentesLas labores de preparacin son ejecutadas antes de minar los tajeos. Principalmente en estas labores y tambin en algunas labores permanentes cercanas a los tajeos, que inicialmente se encuentran estables, el relajamiento o la concentracin de los esfuerzos en la periferia de la excavacin, puede llevar al colapso de las cuas y bloques, generando peligro de cada de rocas.

Influencia del minado adyacente sobre una labor de preparacin cercana.La relajacin o concentracin de esfuerzos puede ocurrir por efecto del minado en tajeos o excavaciones adyacentes, por los efectos de la voladura y por la accin del tiempo. En general, cualquier actividad de minado, perturbar el estado inicial de entrelazamiento de las superficies de las diaclasas y reducir la capacidad de la masa rocosa para soportar sus bloques rocosos de la periferia. Cunto ms grande sea una excavacin, su efecto sobre las excavaciones vecinas ser mayor.6.5.3.3. Minado hacia estructuras principalesEl minado hacia estructuras principales como fallas, zonas de corte y diques, es similar al minado hacia otra excavacin. A medida que la distancia entre las dos se va reduciendo, los esfuerzos comienzan a concentrarse en un rea cada vez ms pequea, al punto que puede ocurrir una falla en la excavacin, esto es particularmente cierto si el minado se lleva a cabo en un rea de altos esfuerzos.

Esquema de incremento de esfuerzos por el avance hacia estructuras principalesLas fallas y zonas de corte pueden influenciar significativamente en la estabilidad de la mina, particularmente en el caso de las operaciones en tajeos. Por ejemplo en el caso de un cuerpo mineralizado fallado en el cual el minado est siendo llevado a cabo por el mtodo de corte y relleno, el avance horizontal del tajeo hacia la zona de falla, podra conducir a problemas de inestabilidad de la masa rocosa y en el caso de ambientes sobreesforzados, a estallidos de roca. Bajo estas circunstancias, los cambios en la secuencia de avance del minado (es decir el invertir la direccin de avance del tajeo) pueden mejorar las condiciones de estabilidad de la excavacin.

Cuando el minado sigue hacia arriba del buzamiento (shrinkage o corte y relleno ascendente) y avanzando hacia una zona de falla, podra encontrarse mayores dificultades respecto al avance horizontal. En este caso podra resultar en una falla del terreno an cuando el techo est reforzado con pernos de roca. Tambin en las intersecciones de las estructuras geolgicas y la geometra del tajeo, pueden producirse zonas de altos esfuerzos, dando como resultado el fallamiento de la roca.

Interaccin entre las inestabilidades estructurales y la geometra del tajeo con posibles fallamientos de la roca6.5.3.4. Minado hacia rocas de diferente calidadSi las excavaciones son ejecutadas en lugares donde la masa rocosa es relativamente de mala calidad y se mueven hacia reas de rocas de mejor calidad, entonces las rocas de mejor calidad tomarn los esfuerzos desarrollados en la roca de menor calidad, pudiendo ocurrir la falla en la excavacin, en caso de que la resistencia de la roca fuera superada por los esfuerzos. Similarmente, si el minado se lleva a cabo en una roca de mejor calidad y se mueve hacia una roca de menor calidad, las concentraciones de los esfuerzos entre la excavacin y la roca de menor calidad puede tambin causar el fallamiento de la roca.

Minado hacia rocas de mala calidad.Otras situaciones de peligro surgen cuando una excavacin corre paralela a una falla, muchas fallas son consideradas como componentes crticos estructurales y las excavaciones situadas junto a ellas estn propensas a fallar. Los aspectos estructurales y calidad de la masa rocosa son elementos importantes para el control de la estabilidad de las excavaciones. Por tanto, es justo establecer que los efectos adversos de los rasgos estructurales y de calidad de la masa rocosa podran ser disminuidos o an eliminados, por un apropiado esquema y secuencia de avance del minado.

6.5.3.5. Secuencia de avance, tiempo de exposicin de las aberturas y velocidad de minadoSegn la calidad de la masa rocosa y el tamao de las excavaciones, stas tienen un determinado tiempo de autosostenimiento. Cuando el tiempo de exposicin de las excavaciones supera el tiempo de autosostenimiento y no se ha instalado oportunamente el sostenimiento requerido, la masa rocosa comienza a perturbarse cada vez ms y a presentar problemas de inestabilidad, que son causantes de cada de rocas.El tiempo que se expone abierta una excavacin, est aparejado al ciclo de minado, lo cual a su vez depende de la secuencia de avance del mismo. Muy particularmente en las rocas de mala calidad, es importante dar la mayor velocidad posible al ciclo de minado, de este modo, no se le dar tiempo a la masa rocosa a perturbarse, controlndose mejor las condiciones de estabilidad de las excavaciones. La mayor velocidad del ciclo de minado, tambin permitir el uso racional de los elementos de sostenimiento, puesto que las excavaciones requerirn menor sostenimiento. Este principio funciona muy bien particularmente en los mtodos de minado que utilizan el relleno de los tajeos; cunto ms rpido se rellene un tajeo despus de haber sido abierto, mejor se controlarn las condiciones de estabilidad del mismo.

Tiempo de autosostenimiento vs Ancho de la excavacin para diferentes calidades de masa rocosa, segn Bieniawski, 1989

CAPITULO VII: INFLUENCIA DE LA PERFORACION Y VOLADURA EN LA MASA ROCOSA

Prescindiendo de la resistencia y de las propiedades estructurales de la masa rocosa, la roca suelta siempre est presente en las excavaciones, particularmente despus de la voladura. Bajo tales circunstancias, la roca suelta tiene que ser desatada apropiadamente. El desatado remueve la roca suelta del techo y las paredes de las aberturas mineras. La roca suelta que no puede ser desatada, deber ser volada o sostenida.Las malas prcticas de perforacin y voladura que pueden contribuir a la falla del terreno, son brevemente establecidas como sigue: Las vibraciones causadas por la voladura, pueden causar el fracturamiento de la masa rocosa y accionar la cada de rocas. Esto es particularmente importante en tajeos de minados masivos por taladros largos, donde las voladuras grandes son comunes.

Las voladuras en tajeos y labores de desarrollo y preparacin a menudo resultan en sobre-rotura y aflojamiento de la masa rocosa, requiriendo sta de un minucioso desatado.

Las voladuras severas que en masas rocosas forman bloques, pueden acentuar la debilidad de las discontinuidades, debido a que stas son abiertas, resultando en masas rocosas fracturadas y de mala calidad por la prdida del ajuste original de sus rasgos estructurales.La voladura puede tambin afectar a la masa rocosa ya sostenida y debilitarla a tal grado que los bloques rocosos podran quedar colgados con los pernos de roca o caer sobre el piso.Debido a que una mala voladura causa daos a la roca circundante e induce grandes movimientos a lo largo de planos de deslizamiento, es importante el uso de tcnicas de voladura controlada, particularmente en los terrenos formados por bloques, para asegurar techos y paredes lisos o firmes y prevenir as movimientos crticos a lo largo de los planos de deslizamiento.

Daos causados por voladuraLas voladuras en realce producen mayores daos y generan zonas de debilitamiento de la estructura existente, incrementando la posibilidad de falla de la masa rocosa de una excavacin subterrnea. Es por tanto recomendable que en las rocas de inferior calidad a RMR = 45, no se realicen voladuras en realce, sino en breasting.Es recomendable tambin que en los tajeos de minado masivo con taladros largos, se realicen voladuras controladas en las paredes del tajeo, de preferencia se deben utilizar taladros paralelos en lugar de abanicos. Esto es particularmente aplicable a las rocas de inferior calidad a RMR = 45.

CAPITULO VIII: INFLUENCIA DE LOS ESTANDARES DE SOSTENIMIENTO

Aparte de lo desarrollado anteriormente, hay otros factores que influyen en las condiciones de estabilidad de las excavaciones y que generan problemas potenciales de cada de rocas. stos estn referidos a los estndares inadecuados del sostenimiento, como el retardo en su instalacin y las fallas en los procedimientos de instalacin y control de calidad de los elementos de sostenimiento.Cuando una masa rocosa requiere de sostenimiento y ste no es instalado oportunamente, se produce el aflojamiento de la roca, en un proceso que puede durar das, semanas o meses, dependiendo de las caractersticas de la roca.La instalacin del sostenimiento en una masa rocosa aflojada no resulta efectiva, creando peligros de cada de rocas. Similar principio se aplica al caso del relleno de tajeos, el desfase entre el avance del minado y la colocacin del relleno (retraso del relleno), produce mayor perturbacin de la masa rocosa por el crecimiento de las excavaciones. Los errores o malos hbitos en los procedimientos utilizados para la instalacin de los elementos de sostenimiento, no solamente influyen en el rendimiento de los mismos, sino que generan peligros de cada de rocas y por tanto riesgos para el personal y equipos. Es comn observar casos en donde los soportes (cimbras, cuadros de madera, revestimientos de concreto) no son bien topeados a la roca o los refuerzos (diferentes tipos de pernos) no son instalados tomando en cuenta la estructura de la masa rocosa o que stos sean dirigidos paralelos e incluso dentro de una discontinuidad.La falta de programas de control de calidad de los sostenimientos instalados, como el shotcrete (materiales, resistencia, espesor y procedimientos de aplicacin), el rendimiento de los pernos de roca, etc, influyen tambin en la estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones. Por ello, es importante que en las operaciones mineras subterrneas se implementen programas de control de calidad de los sostenimientos instalados.

CAPITULO IX: INSTRUMENTOS Y EQUIPOS PARA EL CONTROL DEL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO

A) EXTENSOMETRO DE CINTA DIGITAL.- para medir las deformaciones y/o convergencia de las paredes o techos de las excavaciones subterrneas.B) MARTILLO DE SCHMIDT.- es un instrumento para realizar ensayos de dureza y/o resistencia de la roca, se mide mediante el rebote sobre la superficie de la estructura.C) EQUIPO DE PULL TEST.- esta mquina de arranque de pernos determina la capacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje puntual o repartido) en un determinado macizo rocoso.

CAPITULO X: CONCLUSIONES

La roca es un conjunto de sustancias minerales que formando masas, constituye gran parte de la corteza terrestre. Segn su origen, las rocas pueden ser gneas, sedimentarias y metamrficas. La masa rocosa puede clasificarse en cinco categoras:Masa rocosa Muy Buena: Condiciones geomecnicas muy favorables para el minado.Masa rocosa Buena: Condiciones geomecnicas favorables para el minado.Masa rocosa Regular: Condiciones geomecnicas regulares para el minado.Masa rocosa Mala: Condiciones geomecnicas desfavorables para el minado.Masa rocosa Muy Mala: Condiciones geomecnicas muy desfavorables para el minado. En cada zona geomecnica se deber estandarizar las diferentes variables mineras, por ejemplo:La direccin de avance de la excavacin.El ancho y altura de la excavacin.El tiempo de exposicin abierta de la excavacin.El tipo de sostenimiento.El tiempo en el cual se debe instalar el sostenimiento yEl tipo de voladura (breasting o realce), etc. La geomecnica ligada a la seguridad, significa reducir el nmero y frecuencia de cadas de rocas, y as evitar o minimizar los daos al personal y a los equipos. La cada de rocas constituye uno de los mayores riesgos en el minado subterrneo. Antes de realizar una excavacin, la masa rocosa se encuentra en equilibrio, sin embargo, cuando la excavacin se ha creado, sta rompe las condiciones de equilibrio pre-existentes, la cual crea perturbaciones en la masa rocosa que es necesario controlar. La influencia de la estructura de la masa rocosa puede ser simplificada considerando los siguientes tipos generales de excavaciones:En roca masiva o levemente fracturada En roca fracturada En roca intensamente fracturada y dbil En roca estratificada En roca con presencia de fallas y zonas de corte En cualquier excavacin subterrnea que se desee realizar, el macizo rocoso estar sometido a un estado de esfuerzos in-situ previo a la realizacin de la excavacin. El estado de esfuerzos una vez realizada la excavacin, ser el resultado del estado de esfuerzos inicial (in-situ) ms el estado de esfuerzos inducidos por la excavacin o el minado. Por ello, los esfuerzos in-situ constituyen unos de los factores importantes que condicionan las estabilidad de la masa rocosa de las excavaciones subterrneas.

La presin del agua reduce la resistencia al corte de las discontinuidades; el contenido de humedad incrementa el peso unitario de la roca, acelera la intemperizacin de las rocas dbiles, produce la expansin de las rocas expansivas y aumenta la deformabilidad de la masa rocosa; los flujos de agua lavan el relleno de las discontinuidades y obligan a implementar sistemas de drenaje. La forma que adopte el contorno de una excavacin, tendr influencia favorable o desfavorable en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de dicha excavacin. Cuando el tamao de la excavacin crece, los techos, paredes o cajas estn expuestos a mayores rasgos estructurales de la masa rocosa. Lo ideal para tener condiciones de estabilidad favorables de la masa rocosa en una excavacin, es que sta avance en forma perpendicular, cruzando al sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, es decir, al rasgo estructural dominante de la masa rocosa. La voladura puede tambin afectar a la masa rocosa ya sostenida y debilitarla a tal grado que los bloques rocosos podran quedar colgados con los pernos de roca o caer sobre el piso.

GEOMECANICA APLICADA EN MINERIA SUBTERRANEA18