cÁlculo de pilares puente (cpillar)

CÁLCULO DE PILARES PUENTE (Cpillar)

ALUMNO: VALVERDE CALDAS, PercyCURSO: MECÁNICA DE ROCAS II

INTRODUCCION Un aspecto clave para garantizar la adecuada protección del

ambiente en el desarrollo de las actividades mineras es asegurar la estabilidad física y química a largo plazo, luego de concluida la fase de explotación. La mejor manera de lograr este fin es incorporar el concepto del cierre desde las etapas iniciales del proyecto y aplicar las mejores técnicas de ingeniería para diseñar estructuras mineras seguras. En este sentido, la estabilidad de los tabiques de roca ubicados entre la superficie y una labor subterránea, llamados pilares corona, debe ser cuidadosamente evaluada con el fin de asegurar su estabilidad tanto a corto como a largo plazo, incluso mucho tiempo después del cierre de las labores mineras, cuando ya nadie recuerda que allí funcionó una mina.

Por tal motivo, el análisis de la estabilidad de los pilares corona constituye una tarea fundamental y muy delicada para las empresas mineras y sus consultores, así como para el propio Ministerio de Energía y Minas. De otro modo, la falla de un pilar corona podría resultar en un serio problema ambiental y afectar la seguridad de las personas.

OBJETIVOS

Entender los conceptos y conocer los requisitos involucrados en el cálculo y diseño de pilares corona, tales como el estudio necesario y la recolección de datos para realizar una evaluación de la estabilidad y si es posible realizar un monitoreo, aplicando medidas correctivas para la rehabilitación.

Conocer los mecanismos de falla del pilar corona.

Conocer los métodos de análisis existentes para el cálculo de pilares corona.

¿QUÉ ES UN PILAR CORONA? Un pilar corona superficial, conocida

también como “Pilar Puente”, se define como la zona de roca existente sobre la parte superior de una labor subterránea (Figura 1). Los pilares corona superficiales de minas subterráneas activas o abandonadas constituyen un peligro potencial para el uso a largo plazo de los sitios con minas antiguas. En algunos lugares estos pilares corona de roca se encuentran cubiertos con material de cobertura y en otros casos por lagunas e infraestructura superficial. Los pilares corona comúnmente se dejan en el piso de los tajos abiertos para separar las labores superficiales de las subterráneas.

Fig.1. Terminología de pilares corona.

REQUISITOS DEL ESTUDIO

PROPONENTEPresentar

información técnica (características geológicas,

geotécnicas y geomecánicas) del macizo rocoso

mencionar y esquematizar a través de

planos las condiciones locales de la zona como

son: hidrología, hidráulica, geología,

hidrogeología, geodinámica, evaluación

de riesgos, planes de contingencia para posibles fallas, etc.Estudio geotécnico Estabilidad a

largo plazo y medidas de rehabilitación

CONSECUENCIA Y RIESGO DE FALLAUna de las primeras cosas que se debe considerar en la evaluación de la estabilidad de un pilar corona cercano a la superficie es la consecuencia de una falla.

• Área de potenciales consecuencias graves• Área de potenciales consecuencias leves

El grado de estas puede determinar el nivel de detalle requerido en la recolección de datos y el análisis de estabilidad, enfoques de rehabilitación y monitoreo.

Proximidad de las personas o de la infraestructura al lugar,

Densidad poblacional en el área circundante, Acceso del público al lugar, Infraestructura en el lugar (carreteras, líneas

férreas, líneas de energía eléctrica, tuberías, construcciones),

Potencial de volver a tener acceso al lugar en el futuro,

Impactos ambientales potenciales causados por una falla.

RECOLECCION DE DATOS

(sitios de bajo riesgo)

Topografía de la superficie general

Secciones del perfil del material de desbroce

Secciones de los niveles de agua subterránea actuales y estimados luego del cierre.Secciones , planos de los

niveles de mina, profundidad no menor de 200n

La configuración básica y orientación del pilar corona/estribo y tajeo

La naturaleza y composición de cualquier relleno, donde sea aplicable

Detalles del emplazamiento (húmedo o seco) y construcción de tabiques de relleno, donde sea aplicable

los índices de calidad del túnel NGI-Q (Barton, 1976)

Información histórica acerca de la inestabilidad

Para sitios de alto riesgo: los datos son casi los mismos pero a mayor detalle, cabe resaltar en este caso la caracterización del material de cobertura, del macizo rocoso y otros factores como los campos de esfuerzos horizontales elevados , geometrías complejas, etc.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA

1. FRACTURAMIENTO DE LA ROCA:

o la resistencia del pilar corona es superada por los esfuerzos aplicados

o Esto puede ocurrir como resultado de una falla repentina de un pilar o fondo de galería a cierta profundidad dentro de una mina que altera el campo de esfuerzos alrededor de un pilar corona, o por cambios en los esfuerzos generados por una excavación adyacente del subsuelo o excavaciones a tajo abierto.

o También podría originarse por la rápida transferencia de esfuerzos al pilar, por ejemplo, si el relleno de un tajeo rellenado es evacuado, tal como ocurriría en el caso del colapso de un tabique o un tapón.

o Si un pilar corona se encuentra bajo un alto esfuerzo horizontal, puede ocurrir una fracturación progresiva y dependiente del tiempo del macizo rocoso que finalmente puede reducir la resistencia del macizo rocoso a un punto en él se produce la falla.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA2. FALLA DE TAPON:

Pueden ocurrir en discontinuidades continuas bien definidas que son típicamente sub-verticales y limitan con la periferia del pilar corona. Dichas discontinuidades pueden incluir fallas, foliación o contactos cortados que pueden tener relación con los límites del yacimiento de mineral.

Determinar los esfuerzos de confinamiento horizontal en el pilar corona es crítico para evaluar la estabilidad de una falla potencial del tapón.

La redistribución de los esfuerzos directamente sobre una abertura del tajeo puede contribuir en la estabilidad del tapón; no obstante, la pérdida del esfuerzo de confinamiento como resultado de las condiciones de agua subterránea o intemperización del macizo rocoso puede producir una reducción del factor de seguridad con el tiempo.

El buzamiento de las discontinuidades limítrofes tiene un fuerte efecto en el potencial de falla de tapón. Cuanto más empinadas sean las discontinuidades, menor será la resistencia a la falla de tapón.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA3. DESMORONAMIENTO:

El esfuerzo tangencial dentro del macizo rocoso es insuficiente para proporcionar confinamiento o sujeción para autosoporte.

Existen tres o más sistemas de diaclasas predominantes para crear bloques bien definidos, La intersección de los sistemas de diaclasas permite que se forme una cuña en el tajeo que hace posible que el bloque caiga directamente dentro del tajeo.

la línea de intersección de los planos de diaclasas tienen un buzamiento más elevado que el ángulo de fricción de los planos de diaclasas.

Altas presiones del agua o la degradación inducida por la acción de congelamiento-descongelamiento genera la dislocación de material de roca dentro de la zona de pilar corona

El desmoronamiento típicamente empieza en la superficie del tajeo y avanza en sentido vertical hasta se alcance una geometría de autosoporte donde el esfuerzo de confinamiento compresivo es suficiente para evitar que los bloques caigan o se deslicen; o bien a medida que la masa de rocosa se desmorona, el volumen de la masa de roca que ha fallado se “esponja” y ocupa mayor volumen que en su estado original.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA4. LAMINACION:

el límite del tajeo o el pilar corona consta de estratos de roca delgada partida con facilidad (esquistos, rocas sedimentarias metamórfica foliadas o sedimentarias laminadas). Debido a la delgadez de los estratos, el esfuerzo de confinamiento de la roca quizá no sea suficiente o quizá puede promover realmente la deslaminación de las intercalaciones de estratificación.

En el caso de algunos esquistos degradables, el desmoronamiento de las capas también puede ocurrir bajo condiciones de humedad y sequedad.

En el caso de estratos horizontales, dicha deslaminación puede causar directamente el desmoronamiento del pilar corona. En el caso de estratificación o foliación que tiene posición paralela a las paredes laterales de tajeo, la deslaminación puede causar la desestabilización de las paredes laterales, produciéndose un aumento del ancho del pilar corona. Este aumento en el ancho del pilar corona entonces puede generar la falla final de la corona.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA5. FALLAS DE ESTRATOS:

Los yacimientos de mineral pueden ocurrir en depósitos sedimentarios o en secuencias estratificadas como resultado de fallamiento o metamorfismo. A menudo dichos depósitos estratificados están compuestos de secuencias de capas intercaladas con propiedades geomecánicas similares, pero con una cohesión y propiedades friccionales variables entre las capas.

El desplazamiento de dichas secuencias estratificadas en una operación minera puede inducirse por gravedad o en condiciones de esfuerzos in-situ.

La resistencia a la falla de los estratos rocosos se moviliza por la resistencia de los estratos a la tensión, el esfuerzo cortante y resistencia a la compresión.

El confinamiento lateral de los estratos puede ser una influencia estabilizadora, a menos que esfuerzos de confinamiento altos generen el pandeo o la falla de los estratos individuales.

La falla de un macizo rocoso estratificado de manera sub-horizontal ocurre típicamente por la falla progresiva de la operación de la mina hacia la superficie. A menudo el avance de la falla de los estratos rocosos genera la disminución del ancho de la cavidad con cada falla sucesiva de estrato, produciendo una superficie arqueada que puede ejercer una influencia estabilizadora en el macizo rocoso.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA6. FORMACION DE CHIMENEAS:

Como se describe en CANMET (2006), la desintegración por formación de chimenea ocurre en roca débil con una baja cohesión, proporcionando una deficiente capacidad de autosoporte. Esto podría incluir roca severamente alterada, esquistos sericíticos, pizarra grafítica y/o zonas de corte u otras unidades débiles.

La falla por formación de chimenea típicamente genera una falla ascendente continua por gravedad a lo largo de las partes débiles del macizo rocoso en extensiones limitadas.

Si un macizo rocoso débil está limitado por un macizo rocoso más resistente, una chimenea puede avanzar a lo largo del contacto de los dos macizos rocosos. La falla por formación chimenea teóricamente puede ocurrir a lo largo de los contactos donde el buzamiento del contacto es mayor que el ángulo de fricción del material de la chimenea.

Se sabe que las fallas por formación de chimenea avanzan cientos de metros; sin embargo, también se sabe que se detienen una vez que el terreno de la chimenea encuentra una unidad de roca más fuerte.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA7. DERRUMBE:

Por lo general se acepta (CANMET, 2006, Brady y Brown, 1985) que las siguientes condiciones generan el potencial para el hundimiento:

El macizo rocoso tiene un conjunto bien definido de discontinuidades persistentes (incluyendo discontinuidades de bajo buzamiento) que forma bloques de una forma consistente.

La estructura rocosa más favorable es aquella en la que un conjunto de discontinuidades de bajo buzamiento es interceptado por dos conjuntos de discontinuidades de buzamiento elevado que proporcionan condiciones adecuadas para el desplazamiento vertical de bloques

El tamaño de los bloques es relativamente pequeño en comparación al espacio excavado subyacente

La roca muestra ángulos de fricción bajos entre los bloques y resistencia a la compresión de los bloques de roca

Bajos esfuerzos de confinamiento del terreno existen en la zona de arco potencial

El ancho es suficiente para inducir esfuerzo de tensión significativos en la zona bajo corte del tajeo.

MECANISMOS DE FALLA DEL PILAR CORONA8. FALLA TIPO VIGA O PLACA:Este tipo de falla supone que el crown pillar se puede comportar como una viga o una placa, y en general, las soluciones que se aplican son las semejantes a las que se utilizarían en cuerpos homogéneos, isotrópicos y linealmente elásticos.8.1 Falla tipo viga:se podrían dar dos tipos de falla; una por corte o una falla por tracción, tal como se ilustra en la Figura 9 y 10.


9. FALLA POR BLOQUES TIPO VOUSSOIR: Este modo de falla, tal vez, es el más complicado de analizar, ya que es necesario hacer una serie de supuestos y simplificaciones para lograr determinar la máxima luz horizontal. Las más importantes dicen que guarda relación con la forma o composición del pilar. Esto es, se supone que el crown pillar es cortado por grietas o discontinuidades verticales, que se extienden a lo largo del rumbo, produciendo un pilar con bloque bien definidos, tal como se muestra en Figura 13. Además, se supone que estas grietas o planos de discontinuidades son puramente friccionantes y que no existe un esfuerzo de compresión en la dirección del rumbo.

METODOLOGIAS DE ANALISIS Y DISEÑO Como se vio anteriormente, los modos de falla son diversos y

complejos, por lo que es difícil que una metodología envuelva por completo los modos de falla y las distintas condiciones del sitio de interés. Sin embargo, existen algunas herramientas que en su conjunto proporcionan instrumentos de análisis más generales.

En general, para el análisis y diseño de este tipo de pilares, se han utilizado tres tipos de “metodologías”: Métodos analíticos, Métodos empíricos, y Métodos numéricos. Sin perjuicio de esto, es importante resaltar que ninguna de estas metodología, por si sola, proporciona una adecuada y completa metodología de diseño.

Entre los estudios más detallados, tendientes a proporcionar guías de diseño, están los trabajos de Bétournay (1986) para crown pillars en roca dura y los trabajos de Carter (1990, 1992, 1995, 2000). Si bien es cierto no existe una metodología clara que sea regla general, en lo que sigue de esta presentación se describen las metodología de análisis y diseño más importantes existentes hoy en día.

METODOLOGIAS DE ANALISIS Y DISEÑO

METODOLOGIAS DE ANALISIS Y DISEÑOInfluencia de los apoyos

METODOLOGIAS DE ANALISIS Y DISEÑODiferencia Porcentual del Esfuerzo de Corte Máximo respecto a Caso 1

-35

-25

-15

-5

5

15

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40 60 80 100 120 140 160 180 200

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C urvas de D iseño enR O C A C U AR ZO SER IC IT IC A

Proyecto Transic ión C H U Q U IC AM ATAM étodo de Anális is R IG ID O - C PILLAR 3.0

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

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INDICE DE CALIDAD DE TUNELES - Q

0 20 40 60 80 100

CLASIFICACION GEOMECANICA - RMR 76

L E Y E NDAM ACIZO RO CO SO

CASO S FALLADO S

ZO N A M INERALIZAD A

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

IN D IC E D E C A LID A D D E TU N ELE S - Q

4 40 400

L E Y E NDAM ACIZO RO COSO

CASOS FALLADOS

ZO NA M INERALIZADA

CASOS c/RELLENO

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L U Z L I B R E C R I T I C A

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B A R T O N ( 1 9 7 4 )

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M INIM O ESPESOR QUE LIM ITA LAFORTIFICACION DE LA LUZ LIBREDEL CROW N PILLAR

LIM ITE DE LA LUZ LIBRE A SOPORTARBASADA EN EXPERIENCIAS PRECEDENTES

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EXCEPCIONALMENTEPOBRE

EXTREMADAMENTEPOBRE MU Y POBRE POBRE REGULAR BUENO

MU YBUENO

EXTR.BUENO

EXCEP.BUENO

MU Y POBRE POBRE REGULAR BUENA MU Y BUENA

20> 30 8 4 2 1M INIM A RAZON ESPESOR v/s LUZ LIBRESUGERIDA, QUE LIM ITA EL SOPORTE DELA EXCAVACION

> 20 8 2 1M INIM A RAZON ESPESOR v/s LUZ LIBREREQUERIDA PARA UNA EXCAVACION SINSOPORTE

M INIM O ESPESOR QUE LIM ITA LAFORTIFICACION DE LA LUZ LIBREDEL CROW N PILLAR

LIM ITE DE LA LUZ LIBRE A SOPORTARBASADA EN EXPERIENCIAS PRECEDENTES

LINEA DELUZ LIBRECRITICA

LINEA DEESPESORMIN IMO

CONDICIONES DE HUNDIM IENTO

ESCENCIALMENTE ESTABLE

APLICABLEM ETODOS DESOPORTE


M é t o d o s E m p í r i c o s

E v a l u a c i ó n d e l F a c t o r d e S e g u r i d a d

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E v a l u a c i ó n d e l a L u z L i b r e E s c a l a d a p a r a e l C r o w n P i l l a r

D I S E Ñ O G E O T E C N I C O P R E L I M I N A R

M é t o d o s E m p í r i c o s

E v a l u a c i ó n d e l F a c t o r d e S e g u r i d a d

B a s e d e D a t o s

G e o l ó g i c a , G e o t é c n i c a y G e o m e c á n i c a

Ca

mb

io G

eo

me

tría

Cro

wn

Pill

ar

cos4.01S1t

SCR

S

E v a l u a c i ó n d e l a L u z L i b r e C r í t i c a

0016.043.0C QsinhQ3.3S

S

C

C

SFS

N O

S I

¿ C u m p l e c o n F Sc r í t i c o d e s e a d o ?

E v a l u a c i ó n d e l a L u z L i b r e E s c a l a d a p a r a e l C r o w n P i l l a r

D I S E Ñ O G E O T E C N I C O P R E L I M I N A R

METODOLOGIAS DE ANALISIS Y DISEÑOComo se puede ver, los valores del factor de seguridad determinados por medio de métodos empíricos, para el caso de Chuquicamata, resultan ser bastante altos, confirmando un diseño conservador. De esta manera, y considerando un factor de seguridad mínimo de 3.0, el valor pare el espesor del crown pillar mínimo será igual a 25 m, considerando una luz libre de 50 m (medida en el ancho de caserón). Sin perjuicio de esto, se debe tener presente que este análisis no considera la posible falla de los pilares entre caserones, la cual, de producirse, se podría traducir en un aumento considerable de la luz libre del crown pillar.


Los métodos numéricos pueden ser de:• Elementos finitos.• Diferencias finitas.• Elementos de

contorno.

En Tabla 3.7.6 se resumen los valores para la geometría del crown pillar para mina Chuquicamata, considerando una altura de 100 m para los caserones.

METODOLOGIAS DE ANALISIS Y DISEÑOM ETODOLOGIA 3

Evaluación del Factor de Seguridad

M ETODOLOGIA 1

Ca

mb

io G

eo

me

tría

Cro

wn

Pill

ar

co s4.01S1t

SCR

S

Evaluación de la Luz Libre Crítica

0016.043.0C QsinhQ3.3S

S

C

C

SFS N O

S I

¿Cumple con FScrítico deseado?

Defin ición de FS aceptableModelamiento Numérico 2D

Phases2

Generación de Geometrías de Crown PillarsEn programa CPillar (Rocscience(1999))

Desarrollo Modelo AnalíticoTipo Viga, según condiciones de

Apoyos.

N O

S I


Evaluación de la Luz Libre Escalada para el Crown P illar

DISEÑO GEOTECNICO PRELIM INAR

Desarrollo Modelo Numéricosegún condiciones del sector de estudio

Evaluación factor de seguridadCriterio Hoek & Brown

Desarrollo curva de diseño del tipoFS vs f(geometría pilar)

e j : FS vs ( t/W c)

Ca

mb

io G

eo

me

tría

Cro

wn

Pill

ar

Defin ición de FS aceptable



DISEÑO FINAL

M étodos Analíticos M étodos Em píricos M étodos Num éricos

M ETODOLOGIA 2

EVALUACION DE CONSIDERACIONES ESPECIALES AUMENTO DE LUZ LIBRE DEL CROW N PILLAR OCURRENCIA DE INESTABILIDADES ESTRUCTURALES

COMPARACIÓN Y EVALUACION DISEÑOS PRELIM INARES

M ETODOLOGIA 3

Evaluación del Factor de Seguridad

M ETODOLOGIA 1

Ca

mb

io G

eo

me

tría

Cro

wn

Pill

ar

co s4.01S1t

SCR

S

Evaluación de la Luz Libre Crítica

0016.043.0C QsinhQ3.3S

S

C

C

SFS N O

S I


Defin ición de FS aceptableModelamiento Numérico 2D

Phases2

Generación de Geometrías de Crown PillarsEn programa CPillar (Rocscience(1999))

Desarrollo Modelo AnalíticoTipo Viga, según condiciones de

Apoyos.

N O

S I


Evaluación de la Luz Libre Escalada para el Crown P illar


Desarrollo Modelo Numéricosegún condiciones del sector de estudio

Evaluación factor de seguridadCriterio Hoek & Brown

Desarrollo curva de diseño del tipoFS vs f(geometría pilar)

e j : FS vs ( t/W c)

Ca

mb

io G

eo

me

tría

Cro

wn

Pill

ar

Defin ición de FS aceptable



DISEÑO FINAL

M étodos Analíticos M étodos Em píricos M étodos Num éricos

M ETODOLOGIA 2

EVALUACION DE CONSIDERACIONES ESPECIALES AUMENTO DE LUZ LIBRE DEL CROW N PILLAR OCURRENCIA DE INESTABILIDADES ESTRUCTURALES

COMPARACIÓN Y EVALUACION DISEÑOS PRELIM INARES

MEDIDAS CORRECTIVAS

Las medidas correctivas pueden variar desde ninguna acción hasta llenar espacios vacíos amplios con relleno cementado, lo que podría implicar un gasto considerable.La remediación, de ser requerida, podría involucrar uno o más de los siguientes enfoques:

cercado del área para evitar el acceso colocación de una capa superior de concreto tipo

tablero de puente (Figura 29) reforzamiento de la corona mediante concreto

compactado a rodillo (Figura 30) reforzamiento de la corona mediante concreto

estructural subyacente (Figura 31) relleno por gravedad convencional relleno neumático, y/o relleno hidráulico

MEDIDAS CORRECTIVAS

CONCLUSIONES Al realizar un estudio de la estabilidad de un pilar corona, como primer paso

es importante reunir la información técnica referente a las características geológicas, geotécnicas y geomecánicas del macizo rocoso para luego analizar las consecuencias y riesgos de falla, es decir, que tan probable es que un pilar falle y si este tendrá consecuencias graves. De acuerdo a ello se podrá establecer el grado de análisis requerido.

Se comprendió que existen varios mecanismos de falla para el pilar corona y

que estos no necesariamente se presentan de manera individual, más por el contrario, el pilar se ve afectado por más de uno de ellos. Desde este punto de vista el análisis para el diseño y la estabilidad se torna un tanto complejo y no existe un modelo o método que nos conduzca a una solución general. De allí la necesidad de realizar una comparación entre los métodos analíticos, empíricos y numéricos dado que estos son muy específicos.

existen muchos softwares para la evaluación de la estabilidad del pilar

corona, que se basan en métodos numéricos. En el caso específico del Cpillar (Rocscience inc.), basado en métodos analíticos, nos permite realizar un análisis del pilar asumiéndola como una viga o placa rígida, elástica, o como un bloque tipo Voussoir. se puede llevar a cabo el análisis estadístico de la probabilidad de falla al ingresar desviaciones estándares y obtener el factor de seguridad.

cÁlculo de pilares puente (cpillar)

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