UNIVERSIDAD PEDAGGICAY TECNOLGICA DE COLOMBIASEDE SOGAMOSO

ESCUELA INGENIERIADE MINAS SOSTENIMIENTO DE MINASCAPTULO I.GENERALIDADES DE LA MECNICA DE ROCAS EN EL SOSTENIMIENTO DE MINAS BORRADOR APUNTES CLASE Profesor: Ingeniero de Minas JAIME WILLIAM JOJOA MUOZ Sogamoso,Febrero 20101NELSO NARANJOMAY

DESARROLLO POR CAPTULOS DE LOS TEMAS DE SOSTENIENTO DE MINAS Pg.INTRODUCCINCAPTULO I. GENERALIDADES DE LA MECNICA DE ROCAS EN EL SOSTENIMIENTO DE MINAS

1.1. GENERALIDADESDE LA PRESIN MINERA EN LOS TNELES (Conceptos, por qu, para qu, cundo, dnde..?) 6 1.1.2 Definicin de presin minera en los tneles 81.1.3 Factoresque afectan o inciden en el clculo de las tensiones, y/oesfuerzos primarios y secundarios. 101.1.4 Fundamentos tericos que determinan el rea de Bveda de carga en un tnel 20 1.1.5 Fases de la accin y manifestacin de la presin minera 271.1.6 Elementos para el clculo de la presin minera 291.1.7 Consideraciones y conclusiones 331.2. CARACTERIZACIN GEOMECNICA Y LA APLICACIN DE LAS CLASIFICACIONES EN EL SOSTENIMIENTO DE LOS TNELES 331.2.1 Comportamiento de los terrenos (suelos y rocas) 331.2.2 Caracterizacin de los macizos rocosos 351.2.3 Clasificacin de los macizos rocosos411.3PRESIONES Y MOVIMIENTOS DEL TERRENO ALREDEDOR DE UNA EXCAVCIN SUBTERRNEA 481.3.1 Anlisis de las presiones al construir un tnel 481.3.2 Deformaciones en los tneles 521.3.3Fines del sostenimiento 531.4DISTRIBUCIN DE TENSIONES EN UNA EXCAVACIN SUBTERRNEA 551.4.1 Estado tensional en el terreno antes de hacer la excavacin551.4.2 Esfuerzos inducidos 571.5 MODELO ANALTICO DEL COMPORTAMIENTO DE LA ROCA EN LASPAREDES DE UN TNEL 621.6 MTODOS DE CLCULO DE LA PRESIN MINERA 661.7 MTODO DE CLCULO EMPRICO (FUNDAMENTO, FORMAS, APLICACIN) 671.7.1 HISTRICO Y O DE TRABAJOS SIMILARES 671.7.2BIBLIOGRFICO 671.7.3 MTODO MATEMTICO 6921.7.4 MTODO GRFICO 691.7.5 COMBINACIONES 711.8 MTODO DE CLCULO ANALTICO 711.8.1MTODO DE CLCULO GEOMTRICO 721.8.2MTODO CON BASE A RESISTENCIA DE MATERIALES,TEORA DE SLESAREV 921.8.3MTODO ESTEREOGRFICO 951.8.4 MTODO DE CLCULO POR LA MECNICA DE ROCAS 100BIBLIOGRAFASe referencia como citas de pie de pgina3LISTA DE FIGURASFigura 1.Presin minera en un tnel 8Figura 2. Crculo Morh 11Figura 3. Tensiones de compresin y traccin segn la forma geomtrica del tnel 18Figura 4. Teora de Fayol 20Figura 5. Teora de Trompeter 21Figura 6. Diagrama de la teora de Terzaghi 22Figura 7. Formacin de bloques en un tnel 23Figura 8. Lneas de tensin en el macizo rocoso virgen 23Figura 9. Efectos de un tnel en las lneas de esfuerzos24Figura 10. Divisin y magnitud de las tensiones verticales producidas por la construccin del tnel 24Figura 11. Distribucin de las tensiones en las paredes de un tnel 25Figura 12. Presiones sobre un tnel 26Figura 13. Representacin y expresin de la presin minera 29Figura 14. Elementos topogrficos para el clculo de la presin minera 30Figura 15. Plano topogrfico de la mina en estudio 30Figura 16. Formas geomtricas que puede tomar un tnel a travs de su vida til 31Figura 17. Perfil transversal geolgico sobre un tnel 31Figura 18. Aspecto del efecto de un tnel en las arenas y arcillas 34Figura 19. Efecto en el tnel segn las caractersticas de la roca 34Figura20. Relacin entre claro activo tiempo de sostn para diferentes tipos de roca42Figura21. Relacin entre el tiempo de sostn de un claro de un tnel sin sostenimiento y la clasificacin CSIR44Figura 22. Relacin entre la dimensin equivalente mximaDe de una excavacin subterrnea sin sostenimiento y del ndice Q (NGI) 46 Figura 23: Diferentes grupos en un macizo rocoso 47Figura 24. Distribucin de presiones en el instante de abrir un tnel 49Figura 25. Principio terico de los esfuerzos en el macizo rocoso y sobrela pared del tnel 49Figura 26. Zonas cuando la roca resiste 50 Figura 27. Zonas cuando la roca resiste, pero las paredes van sufriendodesestabilizacin en la zona de derrumbe51 Figura 28. Zonas cuando la no roca resiste 52Figura 29. Deformaciones en los tneles 53Figura 30. Curva caractersticadel desplazamiento 54Figura 31. Contorno terico del tnel antes de abrir el tnel 57Figura 32. Modificacin del estado tensional al construir un tnel 58Figura 33. Convergencia del contorno inicial hacia uno de equilibrio 58Figura 34. Proceso de estabilizacin del tnel con una estructura soportante 58Figura 35. Curva caracterstica de tensin-deformacin para un material elstico 60Figura 35. Curva caracterstica de tensin-deformacin para un material elstico 60Figura 36. Curva caracterstica tenso-deformacional para un material plstico 60Figura 37. Zonas de deformacin alrededor de un tnel excavado en rocas plsticas 61Figura 38. Comportamiento tensin deformacin de las rocas 62 Figura 39. Comportamiento tensin deformacin de las rocas en un medio elsticoen las paredes de una excavacin circular 62Figura 40. Comportamiento tensin deformacin de las rocas en un medio elsticoplstico en las paredes de una excavacin circular conrotura dctil 64Figura 41. Comportamiento tensin deformacin de las rocas en un medio elsticoplstico en las paredes de una excavacin circular conrotura frgil 65Figura 42. Mtodo grfico para el clculo de la presin minera 704Figura 43. Clculo del rea de carga segn Terzaghi 74Figura 44. Clculo de la presin minera segn Ritter 79Figura 45. Clculo de la presin minera segn Protodiaconov 82Figura 46. Esquema de clculo de Tsimbarevich cuando la presin acta solo sobre el techo 87 Figura 47. Esquema de clculo de Tsimbarevich cuando la presin mineraacta tanto de techo como de piso 88Figura 48. Base de clculo de la presin minera para cruces o ensanches devas horizontales 91 Figura 49. Esquema de clculo segn hiptesis de Slesarev 93Figura 50.La cua estable 96Figura 51. La cua cae deslizndose sobre uno de sus planos o sobre lalnea de interseccin entre dos planos 97Figura 52.La cua no es estable, cae por gravedad 97Figura 53. Esquema de clculo de cua 98Figura 54. Anlisis de lainfluencia de las tensiones naturales horizontales 99LISTA DE CUADROSCuadro1. Propiedades fsico mecnicas de las rocas relacionadas conyacimientos de carbn de la Formacin Guaduas.16Cuadro 2.Constante de Terzaghi para clculo de presin minera 75 Cuadro 3. Alturas de bveda de carga 905CAPTULO I.GENERALIDADES DE LA MECNICA DE ROCAS EN EL SOSTENIMIENTO DE MINAS1.1. GENERALIDADES DE LA PRESIN MINERA EN LOS TNELES (Conceptos, por qu, para qu, cundo, dnde..?)Una mina es una estructura compleja que obedece a un diseo de ingeniera, de geotecniaydeeconoma, dondelaslaboressubterrneasprincipaleslasconstituyen tneles, los cuales al ser construidos desestabilizan el macizo rocoso y de acuerdo al tipo de roca, la geometra del tnel etc. ser el comportamiento de las paredes del mismo, el cual se manifiesta como un fenmeno visible al minero a travs de fracturas, desprendimientos de bloques, cerramiento del rea del tnel etc. generando los esfuerzos que se denominan presin minera.La presin minera o esfuerzos de las paredes de los tneles;presenta un alto grado de dificultadsudeterminacinenlamagnitudyenespecial el efecto, porconsiguienteel objetivo del presente manual radica en que induce a la observacin del comportamiento delapresinminera, paratransformarel fenmenonatural enunmodelogrficoque pernita ver la incidencia sobre las paredes tanto laterales como en el techo y en especial determinar laformayposicindel reaposibleadesprenderseogenerabvedade carga.Para el diseo y clculo del sostenimiento se requiere del parmetro, esfuerzo generado por el tnel y el cual debe ser contrarrestado por el sostenimiento para dar estabilidad a la excavacinsubterrnea. Lamagnituddel esfuerzosepuededeterminar por diferentes mtodosyprocedimientosqueenlamayoradevecesseconviertenenunaseriede operaciones matemticas. Con el manual se pretende que el ingeniero realice una buena observacin y anlisis del fenmeno que esta calculando y as relacionar la magnitud del esfuerzo con el efecto e incidencia en la desestabilizacin de la labor minera.Estetrabajoesproductodeunprocesoderecopilacindeinformacindecampoy seguimiento a la evolucin de la estabilidad de algunos tneles en minas de carbn en Boyac durante un periodo de seis aos; labor realizada directamente por el autor como tambinpor el anlisisdelainformacindeproyectosdegradoyenespecial enel desarrollodelos proyectosacadmicos semestrales enlamateriasostenimientode minas.El objetivogeneral del manual esestablecer unaspautasydar lineamientosparael clculo de la presin minera en tneles de pequea seccin en explotaciones de carbn; a partir de la observacin, la elaboracin de un modelo grfico con elementos topogrficos, geolgico y geotcnicos, para escoger el mtodo de clculo que mejor se acomodealasituacinparticular yfinalmenteseusenlosprogramasdecomputador especficos de mecnica de rocas como herramientas auxiliares de anlisis para finalmente realizar la evaluacin o el diseo del respectivo sostenimiento6POR QUE DETERMINARLA PRESIN MINERA ?Una mina es una estructura complejaLas labores subterrneas principales las constituyen tneles,La construccin desestabiliza el macizo rocosoLa presin minera se manifiesta como un fenmeno visible al minero a travs de fracturas, desprendimientos de bloques, cerramiento del rea del tnel etc. genera los esfuerzos que se denominan presin minera.POR QU MODELAR UN FENOMENO NATURAL?El clculo de la presin minera presenta un alto grado de dificultadInduce a la observacin del comportamiento de la presin mineraTransforma el fenmeno natural en un modelo grficoDetermina la forma y posicin del rea posible a desprendersePermite visualizar la bveda de carga.PARA QUE DETERMINAR LA PRESIN MINERA?Disear y calcular el sostenimientoDeterminar el esfuerzo generado por el tnelQue el ingeniero realice una buena observacin y anlisis del fenmenoRelacionar la magnitud del esfuerzo con el efecto e incidencia en la desestabilizacin de la labor minera.METODOLOGAProceso de recopilacin de informacin de campoSeguimiento de la evolucin de la estabilidad detneles en minas de carbnInformacin primaria y secundaria, trabajos anteriores sobre el tema por el autor del presenteOBJETIVOEstablecer unas pautas y dar lineamientos para el clculo de la presin minera en tneles mineros para explotaciones de carbn y similares; a partir de la observacin, la elaboracin de un modelo grfico con elementos topogrficos, geolgico y geotcnicos,para escoger el mtodo de clculo que mejor se acomode a la situacin particular y finalmente se usen los programas de computador especficos de mecnica de rocas como herramientas auxiliares de anlisis.71.1.2DEFINICIN PRESIN MINERA EN LOS TNELESExpresin de los esfuerzos secundarios en un tnel minero. FUERZA, ESFUERZO, O PESO QUE GENERAN LOS BLQUES DE LASPAREDES DEL TNEL CAUSADAS POR LA GRAVEDAD, APERTURA DEL TNEL, TIEMPO, FILTRACIONES DE AGUA ETC. O TENSIN SECUNDARIA SOBRE EL SOSTENIMIENTO O EN SU DEFECTO SOBRE LAS PAREDES DE LA EXCAVACIN.Figura 1.Presin minera en un tnel.Los macizos rocosos sonde composicin litolgica y propiedades fsico mecnicas heterogneas, por tal razn presentan un comportamiento impredecible pero puede asimilarseamodelos, parapermitir losclculos delosesfuerzosgeneradosantela apertura de un tnel o excavacin subterrnea.Existeninnumerables teoras productode las investigaciones de los dos ltimos siglos, que conllevan al anlisis y fundamentacin terica y que conducen a formular operaciones o procesos matemticos o modelos analticos para obtener valores que expresan magnitudyunidadesdeunfenmenonatural comoesunesfuerzoactuandoenuna direccindeterminadasobreuncuerpoheterogneoyanisotrpico. Esnecesarioque quien efecte los respectivos clculos considere que el proceso tiene varias etapas como lo son: 81. Fundamentacin o formacin acadmica 2. Toma de informacin, datos y muestras en el campo3. Anlisis y procesamiento del punto dos4. Mtodo de clculo empleado5. Resultados y anlisisComo se puede apreciar es un proceso de investigacin complejo; pero muchos ingenieros lo reducen a una serie de procesos matemticos para obtener cifras con unas unidadessinrelacionar el fenmenonatural consusmanifestacionesrespectoalos fundamentos tericos, clculos y el objetivo principal el clculo de la presin minera parar colocar sostenimiento.Enel clculodeesfuerzosenlostnelessedebeanalizar desdeel puntocualitativo, apoyado en lo cuantitativo; para segn el objetivo ver la pertinencia del mtodo aplicado y realizar anlisis relacionables del fenmeno su comportamiento, proceso y resultados. Lo cualitativo corresponde a las observaciones del sujetoen estudio que en otras palabras corresponde al modelo geolgico en su litologa, fracturamiento, meteorizacin, presencia ydesprendimientodebloques, lajasetc. porqueel clculodelapresinmineratiene comoobjetivocolocar sostenimientoynoeslomismounsostenimientoparaun esfuerzoqueproduce aumento de volumen en las paredes con el respectivo cerramiento deellasolasqueproducencuasconosindesprendimientoocuandosegeneran bloques o lajas o simplemente por seguridad; se puede concluir que los esfuerzos tienen una magnitud pero se manifiestan externamente de diferente forma visible y medible en lasparedesdelostneles. Tampocosepuedequedar enlassimplesobservaciones cualitativas, se requieren las magnitudes para continuar el proceso matemtico y realizar operacionesdecomparacin, clculo, procesodeverificacin, control etc. quesonlos soportes del anlisis de ingeniera.En la investigacin geotcnica de la estabilidad de un tnel siempre se expresa la tensin como un peso, un esfuerzo, o una fuerza por una unidad bien sea de longitud o de rea. Para el presente trabajo se emplear la expresin PRESIN MINERA, cuya definicin es: lafuerzaoesfuerzoquegeneranlasrocasdelasparedesdel tnel causadasporla gravedad, apertura del tnel, tiempo, infiltracin de agua etc., o tensin secundaria sobre el sostenimiento o en su defecto sobre el borde del tnel y se expresar en: t., t/m., t/m2., o Kg., Kg. /cm., Kg. /cm2., segn las necesidades de los clculos. La expresin presin mineradelosesfuerzosquesegeneranenlostnelesdelaslaboresmineras, nos servirn para disear y calcular el sostenimiento y para diferenciarlos de los esfuerzos en los tneles de las obras civilescuyos objetivos y servicios son diferentes.En elmacizo rocoso se debe considerar que existe una presin minera, la cualser la base para el diseo y clculo inicial del sostenimiento, luego segn la construccin de la labor minera se debe replantear y ajustar a los nuevos esfuerzos generados, debido a que el tnel tiene una vida y por consiguiente un mantenimiento1. El tnel en su etapa inicial adquiere el equilibrio para estabilizar sus paredes ante los esfuerzos secundarios, luego el 1JOJOA MUOZ, Jaime William. Determinacin cualitativa de la altura de bveda de carga en los tneles de algunas minas de carbn de Boyac. Sogamoso. Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia: 1995. 77 p. 9tiempo y los diferentes agentes realizan su efecto hacindose necesario el mantenimiento, posteriormente el efecto de la explotacin y por ltimo el abandono controlado.Lasobservacionesdirectasenlostnelesatravsdel tiempoconducenadefinir los diferentes factores que inciden en la aparicin de la presin minera como lo son2: 1. Propiedades fsico mecnicas de las rocas de las paredes del tnel2. Recubrimiento o profundidad de la labor minera3. Geometra del tnel4. Tiempo de vida del tnel 5. Influencia de la explotacin etc. etc.La presin minera se manifiesta en el techo, piso, paredes del tnel bien sea en forma simtrica o asimtrica, para el clculo es necesario establecer un modelo simtrico de esfuerzosy en la prctica en el diseo final se recomendar los respectivos ajustes.La presin minera debe ser calculada segn el comportamiento de las paredes del tnel debido a que una vez colocado el sostenimiento viene el trabajo comn paredes sostenimiento y aparece la denominada como carga sobre el sostenimiento y que puede variar segn :1. Aumento volumtrico2. Sostenimiento de baja calidad de acuerdo a materiales y diseo3. Regular o mala colocacin, rellenar espacio sostenimiento pared tnel4. Mantenimiento no apropiado 5. Efecto explotacin etc. etc.1.1.3FACTORES QUE AFECTAN O INCIDEN EN EL CLCULO DE LAS TENSIONES, Y/O ESFUERZOS PRIMARIOS Y SECUNDARIOSEl estado de tensiones de un macizo rocoso tiene como objetivo determinar la direccin y magnitud de los esfuerzos principales que existen antes dela construccin de la labor minera y conocer la variacin que se genera una vez terminada y continuar la investigacinatravsdelavidatil yabandonodelaobraparaposteriormenteser tomado como modelo o ejemplo para casos similares.En los macizos rocosos es necesario reconocer que existen tensiones primarias y tensionessecundarias; comolashaclasificadoLASOCIEDADINTERNACIONALDE GEOMECNICA y corresponde: Las tensiones primarias causadas por procesos geolgicos y gravitacionales del propio peso de las rocas, es decir las que se presentan enel macizorocososinqueexistacargaoefectoartificial. Lastensionessecundarias resultan como efecto de una accin que afecta el equilibrio de las tensiones primarias. La presin minera en una tensin secundaria producto de una excavacin subterrnea.Las tensiones primarias pueden ser:1. Gravitacional2 BLANCO TORRENS, Roberto. Mecnica de rocas. Santiago de Cuba: Oriente, 1981. 176 p. 102. Tectnicas residuales (anlisis estereogrfico)Elestado tensionalprimario gravitacionales triaxial3; en direccin verticalelpeso de la rocaqueasuvezcausatensionesprimariashorizontales por contraccinvertical y dilatacin volumtrica lateral dependiendo del tipo de roca.Figura 2. Crculo MorhRECORDARCIRCULODE MHOR, TENSINENUNPUNTOAPROFUNDIDAD, ESFUERZO PRINCIPALES, ESFUERZO CORTANTE, NGULO DE FALLA, ESFUERZO EN LA PARED DEL TNEL SEGN LA GEOMETRA Y HOEK AND BRAWN3 CARRILLO C. Josu. Hidrulica y mecnica de rocas. Medelln. Universidad Nacional de Colombia: 1998. 2p. 11QU PARMETROS INCIDEN EN EL FALLAMIENTO DE LA ROCA.FIGURA SEGN MECNICA DE ROCAS.MATERIAL COMPLEMENTARIO1. CAPTULOII ESTADOTENSIONAL DEL MACIZOROCOSO- MECNICADE ROCAS ROBERTO BLANCO2. SEGUNDAPARTEMECNICADEROCAS- PAG1A24YDELA40ALA48- CARRILLO JOSU.Las tensiones secundarias en nuestro caso se producen por el efecto de la construccin de una labor subterrnea y puede ser:1. Las resultantes de la alteracin y redistribucin del estado tensional.2. Debido a desprendimientos y movimientos ocasionadas por la menor resistencia de laroca con relacin al nuevo estado tensional3. Al empuje activo adicional contra las paredes de la excavacin debido a la presin deflujo.Dentro de las tensiones secundarias que se deben tener en cuenta en la presin minera, estalapresinderelajacinylapresinautntica. Enlapresinderelajacin, la gravedadactadetal maneraqueel pesodelarocasueltaesel queejercepresin directasobreel sostenimiento. Lapresinautnticaenesenciaesequiparableaun procesotectnicocausadopor lastensionessecundariasyquesepresentaluegode construida la excavacin. Enloanterior seapreciaunaseriedetensionesenuntnel, alascualessehar referencia con el trmino genrico de PRESIN MINERA.Las minas se encuentran enmacizos rocosos donde se analiza las tensiones que causan problemas de estabilidad en los tneles haciendo necesario el sostenimiento. Las tensiones se ven afectadas por los siguientes factores:1. Geolgicos2. Hidrogeolgicos3. Geomecnicos4. Topogrficos 5. Fundamentacin terica6. Clculos7. Anlisis y resultados1.1.3.1 FACTOR GEOLGICOEst relacionado con todos los procesos y caractersticas geolgicas del macizo rocoso y por consiguienteel yacimientodecarbnycomoelementos particulares deestudio debemos considerar:1. Proceso de formacin de la unidad litolgica del macizo rocoso122. Gnesis del yacimiento3. Litologa4. Caractersticas estructurales 5. Tectnica etc. etc.El modelo geolgico4en este tipo de estudio que tiene como objetivo la caracterizacin geomecnicaparadeterminar lapresinminera, debeser larecoleccindetodala informacin geolgica en sus cualidades y propiedades con nfasis en la estabilidad.El carbn de las minas de Boyac se encuentra en la Formacin Guaduas, litolgicamente constituida por varios mantos de carbn, cuyos respaldos corresponde a: arcillolitas, pizarrascarbonosas, lutitas, areniscasentrelasprincipales; conespesores muy variables entre un metro y tres metros y buzamientos desde 0 a 90, lo que implica macizosrocososestratificados, siendolaestratificacinel principal planodedebilidad. Los mantos intensamente fracturados, diaclasados en diferentes sentidos; la meteorizacin debido a las aguas superficiales.1.1.3.2 FACTOR HIDROGEOLGICO. Los efectos se pueden considerar determinados por los siguientes factores:1. Caractersticas geolgicas del rea, la litologa es importante, ya que segn el tipo de roca puede almacenar, transportar o impermeabilizar. Lo estructural es fundamental por colocar en contacto diferentes litologas o sirven de camino.2. Climatologa. Es la principal fuente de agua, condiciona la recarga de los acuferos. Los regmenes de pluviosidad, la evatranspiracin son importantes en la determinacin de las caractersticas de funcionamiento de la hidrologa superficial y subterrnea.3. Geomorfologa. Condiciona el comportamiento hidrogeolgico de una rea, como es el caso de un escorrenta de alta velocidad la posibilidad de infiltracin ser menor frente a una de menor velocidad.El origen del agua en el subsuelo puede ser de tres tipos5: 1. Aguas metericas2. Aguas metamrficas3. Aguas juveniles. Dentrodel macizorocosoel aguasubterrneapuedeser contenidadelassiguientes formas:1. Agua libre2. Agua de retencin 3. Agua capilar4 INSTITUTO TECNOLGICO GEOMINERO DE ESPAA Mecnica de rocas aplicada a la minera metlica subterrnea. Madrid: Grficas Topacio, 1991.105p.5 ADUVIRE PATACA, Osvaldo. ALMIRALLIBELLIDO, Joan. Y otros. Manual de tneles y obras subterrneas. Madrid: Lpez Jimeno, Carlos, 1997. 547 p.134. Agua por gravedad5. Agua de constitucinLas formaciones geolgicas se clasifican en funcin de su capacidad de almacenar agua as:1. Acuferos 2. Acuitardos3. Acuicludos4. Acuiflujo. El objetivodeunestudiohidrogeolgicoesdeterminar losacuferosqueafectanala excavacin, lo que implica conocer:1. Tipo de formacin geolgica 2. Nmero y extensin de la formacin rocosa acufero3. Conductividad hidrulica de la formacin4. Izopiezas5. Accidentes hidrogeolgicos.Para conocer lo anterior es necesario: 1. Localizar los niveles freticos o artesianos y piezomtricos y determinar la variabilidadde carga a travs de lo largo del tnel2. Determinacin del acufero y sus frentes de alimentacin o recarga3. Existencia de aguas agresivas o cidas4. Localizacin de barreras o fronteras del flujo subterrneo5. Estimacin de las diferencias de la permeabilidad6. Caudales afluentes7. Prevencin o efectos del secado de nacimiento de agua8. Localizacin de zonas crsticas9. Localizacin de aportes puntuales de agua.Las aguas en los tneles proceden de infiltraciones de aguas metericas en especial de las lluvias, quebradas etc. o de aguas juveniles retenidas en la roca, las cuales pueden causar los siguientes efectos en las paredes :1. Avenidas de aguas en macizos muy fracturados2. Presiones hidrulicas que se ejercen sobre los revestimientos impermeables3. Alteracin de las propiedades plsticas y resistencia de los suelos y macizos rocosos4. Reaccin fsica y qumica del agua con determinados tipos de rocas.Los problemas en las excavaciones que puede producir el agua son:1. Inestabilidad de la excavacin2. Disminucin de las propiedades resistentes de la roca de caja y de la mineralizacin3. Oxidacin de los minerales del yacimiento4. Asentamiento y desestabilizacin del macizo rocoso5. Cambio de las condiciones trmicas y ambientalesde la mina146. Al profundizar las labores mineras pude aumentar la presencia de agua 7. InundacionesLo expuesto anteriormente para que elIngeniero de Minas determine la importancia de realizar estudios previos de hidrogeologa en el rea del yacimiento, para que las posteriores labores mineras no sufran las consecuencias del efecto de las aguas subterrneas.En el rea de las minas de carbn las aguas son pocas y generalmente son de origen metericoysepresentaenpequeoscaudales enespecial enpocasdeinvierno, aumentanoaparecenal cortar rocaspermeables, zonasdiaclasadas, falladasopor debajo de quebradas.Los efectos que producen las aguas en los tneles generalmente son los de acelerar el desprendimiento de las rocas a travs de los planos de inestabilidad, en especial en los techos aumentado as la bveda de carga. Un problema poco comn es el soplamiento de los pisos cuando el nivel fretico est por debajo de una capa que permita la circulacin de agua en el sentido longitudinal y transversal y reposen arcillolitas, las cuales aumentan de volumen cerrando el rea de los tneles o empujando las capas superiores. La conclusin es: El agua en las minas de carbn es poca pero cuando aparece causa inestabilidad en el tnel en la zona con presencia de aguas.1.1.3.3 FACTOR GEOMECNICO. Parte desde las propiedades fsicas y mecnicas de la roca hasta los estudios geotcnicos de clculo y diseo de la estabilidad. En el presente escrito se hace referencia a los problemas para efectuar el proceso de recoleccin o toma de muestras, observaciones y datos en el terreno en otras palabras un muestreo sistemtico, verificable estadsticamente. Las propiedades fsicas y mecnicas del macizo rocoso se determinan a partir de especimenes representativos denominadas muestras, las cuales se encuentran fueradel efectodeconfinamiento, fuerzassecundarias, posicindel yenel macizo rocoso. Inicialmente para tomar las muestras no se dispone de las herramientas necesarias6 y apropiadasy se hace un muestreo de TROZOS Y AL AZAR muchas veces sin determinar la posicin, porque interesa el tamao de la muestra para posteriormente confeccionar el testigo a analizar; se recomienda el mapa de localizacin de muestreo y una buena cartera de campo con todas las observaciones posibles en especial, relacin con las estructuras, estratificacin, levantamiento de diaclasas etc. La cantidad de nuestras o tamao estadstico del muestreo es una gran limitante y no dan la base para efectuar un anlisis estadstico no solamente descriptivo sino inferencial. Luego sigue el laboratorio donde no existen los equipos apropiados o los costos de los anlisis son altos conduciendo a la toma de unas pocas muestras de dudosa representatividad, a las cuales se les realiza anlisis y los resultados obtenidos son elsoporte o elementos base para posteriores clculos.6 JOJOA MUOZ, Jaime William.Evaluacin de yacimientos minerales. Mdulo. Sogamoso. Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia: 2002. 39 p.15Sehacomentadoel procesogeneral demuestreoydeanlisisenel laboratorio, es necesariorecordar quelosvaloressonpuntualesydebenser consideradosfrenteal comportamiento del macizo rocosos, su grado de clasificacin geomecnica y en especial el levantamientogeolgicodecampoconunobjetivoespecficodegeomecnica, ese puntodemuestreoubicarloyrelacionarloyaquepuedeserdeunsitio: Diaclasadoo intacto, seco o hmedo, tnel estable o inestable, tipo de roca. Lo anterior para recordar, aquienrealicetrabajosdeestetipoefectuar anlisiscomparativosresultadosdelas muestras con el comportamiento del macizo rocoso frente a la labor minera; as se tendr seguridadenel diseodel sostenimientoparaquecumplaconsuobjetivobsicode estabilidad y seguridad. Elfactor geomecnico nos conduce a la geotecnia,por implicar elproceso de anlisis, clculo y diseo de elementos de estabilidad a partir de un fenmeno natural como lo es la presin minera en los tneles.Este tipo detrabajo por su complejidad es costoso y tiene una gran cantidad de variables entre las de mayor importancia estn: La gravedad, profundidad, pesoespecficoetc., determinanlamagnituddelapresinminera. La resistencia a la compresin, la traccin, ngulo de rozamiento interno y otras propiedades mecnicasincidenenlaresistenciadelaroca, enlacapacidaddesoporteyenla resistencia generaldelmacizo rocoso, por talrazn es necesario determinar la accin sostenimiento roca y factores de seguridad en los tneles. Las propiedades fsicas mecnicas de las rocas y los temas geotcnicos de la estabilidad de los tneles deben ser ampliamente estudiadas en los textos especializados en el rea.Algunas propiedades fsicomecnicas promedias delas rocas relacionadas conlos yacimientosdecarbnycorrespondientesalaFormacinGuaduasseaprecianenel cuadro 1, resultados de los innumerables proyectos de grado de la Escuela de Ingeniera de minas.Cuadro1. Propiedadesfsicomecnicasdelasrocasrelacionadasconyacimientosde carbn de la Formacin Guaduas.Tipo de roca Peso especfico t/m3Resistencia ala compresin simplekgs/cm2ngulo de friccin interna Carbn 1,1 a1,35160 a250 32Pizarra carbonosa 1,2 a1,4 140 a220 30Arcillolitas 1,15 a1,45 150 a280 34Lutitas 1,25 a1,50 130 a290 31Fuente. Resultado del estudio.1.1.3.4 FACTOR TOPOGRFICO.La topografa superficial o relieve, la profundidad, posicin de la labor subterrnea dentro de la estructura geolgica,la forma geomtrica o seccin transversaleltnel,enotra 16palabrasel modelogrficodel problemaaresolver. Serequieredetodoslosdatos topogrficos como: cota, coordenadas y las dimensiones de la seccin del tnel. El relieve variante hace cambiar el factor profundidad7 a pesar que la labor se encuentra a una cota mas o menos uniforme caso tnel horizontal o cambie progresivamente aumentandoodisminuyendocomosonlos casosdelotneles inclinados ; muchas oportunidadessetomaunpromedioloqueincideenlatensinprimaria. Laslabores mineras de las minas de carbn se encuentran a una profundidad mxima de 300m.La posicin de la labor es importante ya que en primer lugar dar la altura del recubrimiento y en segundo lugarla posicin dentro de la estructura geolgica,en un anticlinal,sinclinalque tan cerca olejos este de los respectivos ejes etc.Su ubicacin respecto a fallas principales, secundarias o locales sin olvidar la posicin con respecto a la direccin de la estratificacin y albuzamiento; y a la orientacin de las diaclasas en especiala las familias predominantes ya que favorecen la formacin de bloques, cuas quepueden desprenderse con el paso del tiempo. Es necesario recordar quees recomendable que el eje de direccin del tnel no coincida con el de la estratificacin o un plano de mximo esfuerzo debe tender a formar ngulo de 90; pero cuando no es posible es necesario mejorar la estabilidad del tnel mediante el sostenimiento.Los tneles en las minas de carbnse ven afectados por todas las anteriores situaciones haciendo que cada uno sea un caso particular pero los tneles de desarrollo siguen la direccin de la estratificacin algunas veces se usan transversales, cruzadas, inclinados etc. Lageometradelaseccintransversal correspondealaformaydimensionesdelas paredes del tnel, en las minas de la regin se utilizatneles cuya base va de 2 a 2,50m. y alturas de 2,10 a 2,50 m. Cumpliendo as con la mnima rea de ventilacin, transporte y condiciones normales de seguridad en el trabajo. La forma del tnel es generalmentede lados angulares queprogresivamentetiendeaser elpticos por desprendimiento de material de las paredes. En forma general son rectangulares trapezoidalesque terminan en forma deherraduray en algunos casos observando detenidamente la zona de derrumbe o zona contigua al tnel genera una rea circular o elptica. De lo anterior se puede concluir y dar la razn que los tneles rectangulares para llegar a su estado de equilibrio se tornan circulares y as tendramos una simplificacin de los clculos pertinentes facilitando la aplicacin de la teora interaccin rocas sostenimiento y otras afines.Las formas geomtricas, rectangulares y trapezoidales presentan condiciones desfavorables8generando fuertes tensiones secundarias que a su vez producen fracturamiento, lajamiento, bloques y desprendimiento de techos y cerca a las esquinas; debido a que en el piso y techo presenta fuertes tensin de traccin y en las paredes laterales compresin (ver figura 3), lo que acondicionar la seccintransformndola en herradura que presenta traccin al techo y compresin en la paredes laterales, esto es observablecuando sehacerecuperacindevas enespecial cuando es necesario aumentar la seccin y si el mantenimiento consiste en sucesivos ensanches se encuentra 7 CARRILLO, Op. Cit. p.3.8 FRITZCHE, Helmut. Tratadodelaboreodeminas. Tomo II. Madrid: Omega, 1965. 404 p.17quelamayoradevecesal rededor del tnel original unareadesestabilizadaode derrumbe, unadeaumentodepresinyunaalteradaquecadaunadeellastiendea generar un rea circular o elptica.La forma de la excavacin presenta tambin unafuerte relacin con los esfuerzos in situ9 y se toma como un parmetro de clculo en los estudios geotcnicos para determinar los valores de las constantes A y B para definir K y construir las redes de esfuerzo al rededor de una excavacin subterrnea.Tomando el factor geolgicoque corresponde a las caractersticas pertinentes y el factor topogrfico que es el modelo grfico se tiene materializado y concreto el sujeto de estudio y se empezara a visualizar los fenmenos desestabilizadores completando el planteamiento del problema y listo para ser analizado geomecnicamentecon el posterior clculo geotcnico.Figura 3. Tensiones de compresin y traccin segn la forma geomtrica del tnel. 1.1.3.5 FACTOR FUNDAMENTACIN TERICA.Correspondealasteorasysumanejoempleadasyenespecial el conocimiento, dominio y experiencia en el manejo que se tenga. Como se puede apreciar a travs del presente documento se citan autores que tratan temas referentes a los esfuerzos principales y esfuerzos secundarios en los tneles, pero interpretarlos o tener conocimiento de ellos es lo importante para dar la aplicacin apropiada que es el objetivo final de este tipo de trabajo. Cada profesional tiene una forma de abordar y desarrollar los clculo especialmente de acuerdo a su formacin acadmica, as: El ingeniero gelogo lo abordadesdeel puntodevistadeunmodeloanalticogeomecnicoparadefinir la estabilidad de la excavacin dejando a un segundo plano el servicio para lo cual fue o ser construidala labor minera; El ingeniero de minas lo abordadesde el uso minero y la 9 BROWN, E. T. HOEK, E. Excavaciones subterrneas en roca. Mjico: McGraw Hill, 1985. 265 p.18estabilidad la define desde el punto de vista emprico bajo pocos clculos. Los profesionalesdel readelageologaomineraconestudiosespecficosdepostgrado tienenunavisinmsdefinidaycomoexpertosrealizarnunverdaderotrabajode investigacin en la determinacin de la presin minera en su magnitud, direccin, fenmenos o causas siempre y cuando se tengalos recursos econmicos disponibles y suficientes. Esteltimotipodetrabajoesel recomendableparalasminasperoes costoso y requieren de seguimiento, pero el minero lo toma como un gasto no productivo ya que su filosofa es: Abrir el tnel y a medida que se desestabilice hacerle mantenimiento ocurriendo que en la mayora de veces se corre el riesgo de accidentes y de prdida de vidas humanas, equipo maquinara y la vida til de la mina.La fundamentacin terica empleada estarrelacionada con la formacin acadmica del profesionalpero siempre es necesario considerar como un objetivo primordial el factor de seguridad.En nuestra minera de carbn los tneles se disean, calculan y construyen bajo argumentos empricos y exclusivamente aplicando teoras muchas de ellas sin validar; se usanformasgeomtricasdimensionesysostenimientodeacuerdoalaexperienciay observacindeminasenexplotacinoensitiosdondeanteriormenteselabor. Es bueno recalcar que al tomar un texto de los proyectos mineros de planeamiento o afines, de La Escuela de Minas de la U.P.T.C. y al observar con detenimiento apreciamos que no existe investigacin particular profunda sino elemental y superficial convirtindose en una trascripcin de una operacin minera o de un fenmeno geomecnico al papel, esto es lgico porque el autor lo hace para un futuro y no es el producto del seguimiento de un trabajopor periodoslargosdetiempoconobjetivosdefinidosyrecursoseconmicos apropiados.1.1.3.6FACTOR CLCULOS.Teniendo el modelo que involucra la topografa, la geologa, la geomecnica y los anlisis geomecnicos pertinentesy una vez defina la o las teoras a usar nos queda la fase de los clculos matemticos. Los clculos estn relacionados con el punto anterior muchos ingenieros los realizan con base a valores obtenido para experiencias similares o bibliogrficamente sin ver la relacin con el caso particular que se encuentran estudiando. Es conveniente que los clculos estn acorde con la complejidad del problema a resolver, de los objetivos, la seguridad, costos y en especial la vida til de del tnelsegn el servicio para el cual ser o fue construido.1.1.3.7 FACTOR ANLISIS DE RESULTADOS. Como todo procesos de investigacin debe ser verificado y convalidado, aqu se requiere que los resultados no sean simples grficos o cifras sino que se realice un balance o evaluacin cualitativa frente a las situaciones como se manifiestan las tensiones en los tneles; si existeestabilidadoesel resultadocuantitativoexplicarloconrespectoal estado del tnel o esa parte intangible de la mecnica de rocas tornarla real o comprensible y ajustada al caso particular que se este estudiando.Finalmenteyparaconcluir podemosdecir queexistenfactorespropiosointernosque afectanlatensinprimariaysecundaracomoloson : Losgeolgicos, topogrficosy 19geomecnicos y los externos que los induce el profesional que realiza los clculos; por tal razndebe recordar que para desarrollar un proyectode clculo de presin minera es necesario observar el fenmeno natural,modelar y aplicar las teoras apropiadas para un clculo y anlisis de resultados que satisfagan elobjetivo delmismo dentro de buenos factores de seguridad y econmicos.1.1.4FUNDAMENTOS QUE DETERMINAN EL REA DE BVEDA DE CARGA EN UN TNEL Fayol demostrexperimentalmentequeal abrir untnel oexcavacinenterreno regularmenteestratificadolos, bancossituadosensuvertical cedenacausadela gravedad. Su flexin decrece con laaltura sobre la excavacin. Estasdiferenciasde flexinproducendesprendimientos entrelosbancos,que tomancierta independencia. Lasuperficiequeenvuelvelosterrenosquehancedidosedenominan10"Bvedade Fayol". Elprimer banco libre de los superiores en su centropuede considerarsecomouna viga doblemente empotrada con una carga uniformemente repartida igualalpropio peso (ver figura 4a).Como sabemos por resistenciade materialeslos momentos flectores son mximos en los empotramientos. En sus proximidades se producen las rupturas. Figura 4. Teora de FayolAl seguir abriendoel tnel seproducirnlasmismasrupturasenlosbancos superioresperoconciertoretardopor servir losrestosdel bancoinferior deapoyo. Cuando el banco se rompe queda en voladizo como viga AB, empotradaen A y libre en B (ver figura 4b). El momento Mximo esta en Ay por all rompe. Este momento es funcin de la longitud ABy delaflecha B. Todos los medios de proteccintendrna cortar el voladizo y la flecha10 CUADRA IRIZAR, Luis de la. Curso de laboreo de minas. Madrid: Fundacin Gmez Pardo, 1974. 280 p.20Trompeter, admite y reconoce que la carga de los terrenos no se ejerce solo verticalmente sobre el techo de un tnel, sino que este empuje puede ser reducido en cambio muchasvecesenlos costados y el piso se ejercen empujes mayores. Estose debea queel terreno est sometidoalesfuerzo delas masasque sobre el gravitan se forman alrededor de cada galera una zona mas o menos extensa que no participa enel sostenimientodelasmasas esta eslallamadazonade Trompeter (ver figura 5).Figura 5. Teora de Trompeter LaconcepcintericadeTerzaghiparaelclculode presionesse fundamenta en los propios conceptossobreel arqueo de los suelos.El mtodo usado para estimar la carga de roca transmitidaa los arcos de acero para el soporte de un tnel se ilustra en la figura 6.Durantelaconstruccindel tnel habralgnrelajamientodelacohesindela formacin rocosa arriba y a loslados deltnel.Laroca suelta dentro del rea a,c,d, b tenderairrumpirenel tnel.Aestemovimientose opondrn las de friccin a lo largo de los lmites laterales a,cy b, d y estas fuerzas defriccintransfieren la parte msimportante del peso de la carga deroca Wal materialde los lados del tnel. El techo y los lados del tnel no tienen que soportar ms que el resto de la carga que equivaleaunaalturaHpT. El anchoB1delazonadelarocadondeexisteel movimiento,depender de las caractersticasde la roca y de las dimensiones Ht yB del tnel.Terzaghirealizmuchas pruebasdemaquetas,utilizando arenasincohesinpara estudiar la forma deloquel llamaba"El arco del suelo" encima del tnel. Conbase en estas pruebas y en su experiencia en tneles con refuerzo de arcosde acero, propuso una escala de valores de cargasde roca como se aprecia en la tabla 2. Estos datos se hanusadopor largosperiodosdetiempoconbuenosresultadosparael clculodel sostenimiento. TambinacontinuacinseanalizalaclasificacindeTerzaghi delas rocas para utilizarla tabla de valores de carga propuesta por El.21Figura 6. Diagrama de la teora de TerzaghiLos mantos de carbn corresponden a yacimientos sedimentarios concordantes, siendo la estratificacin el plano de debilidad demayor importancia y defcil determinacin. Tomandocomoreferenciael tnel cadaunodesusladosserel sitiosusceptiblea presentardeformacin, rompimiento,desprendimiento, etc. Siempre siguiendo los planos de estratificacin y formando bloques11 de diferentes tamaos debido a la interseccinde planosdefracturasosistemasdediaclasas, generandoreasdedesprendimiento12o bvedas de carga cuyo peso debe ser soportado por el sostenimiento. De lo anterior se concluye que un tnel para producir bloques o cuas se necesita un plano de discontinuidad, ya que por si tiene dos planos que son la estratificacin y un segundo que corresponde a las paredes del tnel y el tercero el plano de discontinuidad (ver figura 7).Lastensionesprimariasdebidoalagravedadseasumencomolneasdeesfuerzo verticales (ver figura 8) bajo el criterio de la denominada teora gravitacional donde tiene incidencia la profundidad13 y el peso especfico de la roca por encima del punto analizado y estas a su vez generan esfuerzos horizontales proporcionales al modulo de elasticidad 11 JOJOA MUOZ, Jaime William. Determinacin cualitativa de la altura de bveda de carga en los tneles de algunas minas de carbn de Boyac. Op. Cit. 78 p.12 GONZLEZ de VALLEJO,Luis, y otros. Ingeniera Geolgica. Pearson,2002. Cap x.13 MEJIBAR, Roberto Adrian. Ingeniera de aberturas. San Juan: Fundacin Universidad de San Juan, Argentina, 1993. 20 p.22bajo la teora elstica, desconociendo los factores geolgicos que puedan incidir en su magnitud; no tiene en cuenta la resistencia de la roca y algunas de sus propiedades fsico mecnicas, es necesario considerar que nos interesa el efecto o esfuerzo que producen stas tensiones sobre las paredes de los tneles y generan la presin minera objeto del presente trabajo. Figura 7. Formacin de bloques en un tnel.Figura 8. Lneas de tensin en el macizo rocoso virgen.Las lneas de esfuerzos paralelas entre si nos determina la teora del flujo continuo de esfuerzosque se asume como el flujo hidrulico en un tubo (ver figura 8). Al construir un tnel se desvan estas lneas de flujo continuo (ver figura 9 y 10), las cuales no se rompen sinoqueseredistribuyenaumentandolatensinprimariaenlasparedesdel tnel y corresponde a la denominada como la teora de distribucin de esfuerzos (ver figura 11).14 Lo anterior tiene explicacin haciendo la comparacin, con la circulacin del agua en un tubo; en su interior al colocar un obstculo que en nuestro caso es el tnel, el flujo de 14 JOJOA MUOZ, Jaime William. Sostenimiento de minas, Mdulo: Generalidades de la mecnica de rocas en minas. Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia: 1997. 2123aguacontinua sucursoseha reducido elrea loqueaumentala velocidad ya queel caudal esel mismoyestonosconduceaquelosesfuerzosenel tnel ensurea excavada no se eliminan por la sustraccin de roca sino que se redistribuyen buscando apoyootransmitindosealasparedesdel tnel yensureadeinfluenciaymuchas ocasiones cuando la roca es de mala calidad o resistencia no soportan las nuevas cargas y conducen a la inestabilidad sin llegar a un equilibrio.Figura 9. Efectos de un tnel en las lneas de esfuerzos.Figura 10. Divisin y magnitud de las tensiones verticales producidas por la construccin del tnel.La distribucin de esfuerzos haceque al rededor del tnel se formen tres zonas15: Zona de derrumbe, zona de presin y zona no influenciada (ver figura12) La zona de derrumbe 15 CUADRA IRIZAR, Luis de la. Op. CIT., 1974. 278 p.24correspondeal reacontiguaalapareddel tnel ygeneralmenteeslaquepuede desprenderse y debe ser soportada por el sostenimiento, le sigue la zona de presin, es donde busca apoyo los esfuerzo producto del tnel, y ms exterior la zona no influenciada por los efectos de la excavacin.La figura 12 en su parte a representa las lneas de esfuerzo cuando la roca resiste y no requiere de sostenimiento y la parte b es el caso de presentar una zona de derrumbe que requiere ser sostenida.Figura 11. Distribucin de las tensiones en las paredes de un tnel.El rea a sostener se encuentra en la zona de derrumbe y Terzaghi16 realiz innumerables trabajos de investigacin para determinar que la carga sobre el sostenimiento corresponde a una parbola cuyo foco se encuentra en el centro del techo del tnel17 y as nace la teora del arqueo en tneles que se fundamenta en:1.Bveda de carga.2.Clasificacin cualitativa.3.Constante de calidad de Terzaghi.4.Altura de carga de la parbola.16 BROWN, E. T. HOEK, E, Op. Cit. 23 p.17 DEL CATILLO, Hermilo. RICO Alfonso. La ingeniera de suelos. Tomo 2. Mjico: Limusa, 1977. 383 p25Figura 12. Presiones sobre un tnelEn 1995 se realiz el trabajo: Determinacin cualitativa de la altura de bveda de carga en tneles de algunas minas de carbn en Boyac. El objetivo como su ttulo lo indica es determinar la altura de la bveda de carga y la forma segn el buzamiento, la posicin del manto, la geometra del tnel; lo anterior mediante un seguimiento en tiempo, desestabilizaciny abandono el tnel alguna veces inclusive en el derrumbe de este para observar la bveda de carga y se recomend para calcular la presin minera por mtodos analticos como es el de Terzaghi, Protodiakonov y Ritter; pasado el tiempo y aprovechando esta experiencia he decidido realizar el presente manualpartiendo de un modelo con elemento geolgicos, topogrficos, geomecnicos para as tener un idea clara de la forma y sitio donde se desprende el material y realizar los respectivos clculos por algunos de los mtodos existentes.26Lo anterior es elmanejo tradicionaly de uso para tneles de pequea seccin pero es importantetratar el temaparatodotipodeexcavacionessubterrneasdentrodeun contexto ms actualizado y de uso en la ingeniera actualen lo relativo a esfuerzos en tneles y por tal razn a continuacin se presenta el tema de la distribucin de tensiones en una excavacin subterrnea circular18Desde el punto de vista de modelos analticos se debe considerar el comportamiento de la roca y del macizo rocoso al considerarlo como un medio CHILE. Las rocas al analizarlas bajola teorade laelasticidad,sucomportamiento tensin deformacin,presentanun comportamiento elstico, plstico y el tpico de las rocas, elstico plstico y las roturas dctil y frgil (ver numeral 1.5)1.1.5 FASES DE LA ACCIN Y MANIFESTACIN DE LA PRESIN MINERALaconstruccindeuntnel ycomoproductodedelastensionesprimariasgenerala presin minera que progresivamente se hace visible en un rea contigua a la excavacin de la cual se pretende obtener una forma geomtrica definida para calcular la magnitud que corresponde a la presin minera.Los factores que afectan o inciden en el clculo de las tensiones primarias son aplicables alas tensiones secundarias ycomotodofenmenonatural lapresinminerase manifiesta en la excavacin subterrnea siguiendo las siguientes etapas, aunque no en orden estricto:1. Aumento o disminucin de la tensin en las paredes del tnel. Dependiendo del tipo de roca, lacual puedasoportar el aumentodetensindebidoasumayor resistencia mecnica que la presin minera generada. 2. Si existen planos de debilidad o discontinuidades (fallas, diaclasas, fracturas, estratificacin, propiedadesmecnicasdelasrocasetc.) atravsdeellasseiniciael desplazamiento de las superficies, con su respectivo aumento de volumen lo cual genera la presin minera. Cuando estos efectos sobrepasen la resistencia mecnica de la roca y la de losplanos de debilidad de produce la desestabilizacin de las paredes deltnel; siempre el tiempo ejerce su efecto, rocas resistentes con el paso del tiempo pierden su estabilidad.3. La presin minera se puede acumular sobre las paredes de la roca hasta tal punto que sobrepase la resistencia de stas, o por diferentes condiciones se reduzca la estabilidad del tnel, pero siempre estar aumentando por compresin vertical y dilatacin transversal, el volumen de la roca en el rea de presin del tnel manifestndose hacia las caras libres que lo constituyen las paredes.4. Al aumentar los esfuerzos sobre los planos de debilidad se incrementa la separacin entre sus paredes o se generan nuevas fracturas progresivamente con el tiempo a mediad que progrese el fenmeno de estabilidad de las paredes. Estos nuevos planos pueden dar lugar a paralelismo, entrecruzamiento y/o enrejados o sistemas complejos, 18ADUVIRE PATACA, Osvaldo. ALMIRALLIBELLIDO, Joan. Y otros,Op. Cit., cap xii27predisponiendo las paredes para formar lajas, cuas y bloques de diferentes tamaos y formas. Es necesario recordar que tres planos de debilidad que se entrecrucen o corten generan cuas en los tneles, las cuales pueden o no desprenderse.5. Si una vez adquirido el equilibrio en las paredes del tnel los desplazamientos continan,seiniciar unprocesode desestabilizacin, generandobloques dediferente tamao y forma que requieren de sostenimiento por seguridad y estabilizacin de la labor minera.6. Lapresinminerageneraunreadecargasobrelasparedesdel tnel (Techo, laterales, piso) que puede ser asumida como un esfuerzo o como un rea de derrumbe o deinestabilidad; alasdossituacionesanterioresdebemosencontrarsumagnitudque corresponde al valor de la presin minera, que ser utilizada para el diseo y clculo del sostenimiento. Delasobservacionesentnelesenrecuperacinoenetapadeabandonosepuede lanzar lasiguientehiptesis: Lostnelescongeometrasrectangularesensuseccin transversal, con el tiempo y progresivamente tiende a tomar formas elpticas ode herradurahastallegar aformascirculares, el realibremslazonadeinfluencia, permitiendoutilizar lasteorasparael clculodeesfuerzosentnelesdesecciones circulares, pero el problema radica en la dimensiones del radio ser la del rea libre o la excavada ms el de influencia. Sugiero un profundo anlisis y por seguridad las dimensiones del radio del tnel ms la zona de influencia.Lasestructurasdesostenimientosonenmadera, loquelashacepocoresistentes, requiere utilizar un alto factor de seguridad de cuatro a ocho y no ejercen esfuerzo sobre las paredes sino que esperan que la roca de las paredes descansen sobre ellas. Con la determinacin de la magnitud de la presin minera se busca materializar el rea de influencia para establecer modelos matemticos analticos y poder realizar los pertinentes clculos de sostenimiento.La presin minera se expresa: t = Presinmineratransversal especificapor rea, sobre la pared del tnel y se asume su distribucin sobre el cpiz de la puerta expresada en: kgs/cm2, t/m2 (ver figura 13). Qt = Presin minera transversal distribuida longitudinalmente (m) sobre la pared del tnely se asume de igual forma sobre el cpiz y se expresa en: kgs/cm , t/m .P =Presin minera puntual sobre la pared del tnel y se aplica al cpiz se expresa en:kgs , t.Loanterior parageneralizar yunificar criteriosdeexpresindelatensinsecundaria denominada presin minera, porque a travs del presente y en las diferentes formas de clculo se llegarn a cifras que las diferenciarn en su aplicacin sobre el sostenimiento por las unidades, bien sea por rea, longitudinal o puntual.28Figura 13. Representacin y expresin de la presin mineraa.Carga puntual (P (ton)). b.Carga lineal (Qt ( ton/m)). c. Carga distribuida por rea (t (ton/m2)). 1.1.6ELEMENTOS PARA EL CLCULO DE LA PRESIN MINERA. El objetivo principal es establecer una metodologa para calcular la presin minera en un tnel y a quien realice el trabajo brindarle una oportuna orientacin para que tenga una mejor visin del procedimiento a seguir, aprovechando la informacin recolectada, transformndola en un modelo grfico que contenga la geometra, geologa y geomecnica del tnel y proponga una idea clara de una concepcin grfica del problema a resolver. Por lo anterior se describen los elementos topogrficos, geolgicos y geomecnicos para el clculo y asrealizar el modelo grfico del tnel con su respectiva rea de influencia de la presin minera y todas las caractersticas que puedan incidir en la determinacindeescoger unadelastantasteorasdeclculodelatensinenlas paredes del tnel.1.1.6.1ELEMENTOS TOPOGRFICOS. Correspondealaformageomtricaylasdimensionesdel tnel, comotambindela posicin espacial respectiva dentro de la mina. Los cuales se enuncian a continuacin.1. Plano topogrfico: Para determinar la forma delperfilsobre eltnely en especialel espesor del recubrimiento (ver figura 14).2. Planotopogrficodelamina: Localizaconprecisinel tnel, suuso, vidatil yla influencia de la explotacin y otras labores mineras (ver figura 15).293. Geometra del tnel: Para determinar la forma, dimensiones en las diferentes etapas y estados de la vida del tnel (ver figura 16) y pueden considerarse las siguientes:Figura 14. Elementos topogrficos para el clculo de la presin minera

Hi= Potencia del recubrimiento en un punto particularHm= Potencia del recubrimiento promediav = Esfuerzo verticalFigura 15. Plano topogrfico de la mina en estudio.1. Seccin transversal de diseo2. Seccin transversal excavada3. Seccin transversal actual, que generalmente es muy irregular4. Seccin transversal terica del estado actual30Figura 16. Formas geomtricas que puede tomar un tnel a travs de su vida til

1.1.6.2 ELEMENTOS GEOLGICOS.Corresponde al perfil transversal geolgico de la seccin del tnel en un punto particular o una columna generalizada (ver figura 17)para toda la longitud del tnel en estudio, que debe contener toda la informacin geolgica pertinente, como la siguiente.Figura 17. Perfil transversal geolgico sobre un tnel1. Litologa2. Buzamiento313. Espesor 4. Calidad geolgicaLa litologa nos permite determinar el tipo de roca con todas sus caractersticas, en forma particular definidas y descritas en el respectivo informe geolgico escrito, ya que guarda estrecha relacin con la resistencia mecnica de la roca o en su defecto las caractersticas geolgicas noestnacordeconladurezadelarocadebidoalas discontinuidades o fenmenos externos a su formacin. El buzamiento es un factor principal, las tensiones se ejercen segn el plano de estratificacin, y asuvez labveda decargatiendehaciadondeselevantanlos estratos19. Cuando el buzamiento sobrepasa de los 45 el efecto de descomposicin de fuerzasesnotorioyaquedisminuyenlasfuerzassobreel techo, permitiendoquelos techos tengan mayor estabilidad similares en caractersticas geomecnicas pero de suave buzamiento.

El espesor de las unidades estratigrficas, nos permite determinar sobre que tipo de roca se encuentra el rea excavada, el piso, el techo, etc. Es necesario considerar los lisos o separacin entre estratos ya que dan una alta resistencia al techo del tnel por tal razn los mineros aconsejan no romper lisos de techo sino seguirlos con el techo del tnel.Lacalidadgeolgicadebeestar determinadaenel informeescritopertinente, porque puedenpresentarsevariacionesdeespesor, buzamiento, etc. ydebatomarsevalores promedios; olacontinuidadestratigrficayestructural seamuyirregular necesitando sectorizar el tnel.1.1.6.3 ELEMENTOS GEOMECNICOS. Unavezhechalacaracterizacingeomecnicadirectaoindirectadebeefectuarsela clasificacin del macizo rocoso sectorizado y con objetivo principal el diseo del sostenimiento. Es bueno retomar el anlisis de diaclasas, fracturas y fallas para llevarlas al modelo grfico. Como elemento geomecnico corresponde al grafico de discontinuidades en el perfil transversal al eje del tnel donde se ubicaron los anteriores elementos. Lasdiscontinuidadesdebenser graficadasconsuorientacin, inclinacin separacin y algn rasgo caracterstico relevante; todo esto para determinar el tamao de los bloques a desprenderse, ya que se puede obtener una magnitud de la presin minera similar para diferente tamao de bloque y no es lo mismo el sostenimiento para material granular, en lajas, bloques pequeos o grandes etc. (ver figura 17).1.1.7 CONSIDERACIONES De las observaciones en tneles en recuperacin o en etapa de abandono se puede dar lasiguientehiptesis: LostnelescongeometrasRECTANGULARESensuseccin transversal, conel tiempoyprogresivamentetiendeatomar formasELPTICASode 19 JOJOA MUOZ, Jaime William. Zona de esfuerzos que genera un rea de influencia y carga sobre la entibacin en un tnel minero. En: Ingeniera de Minas. Sogamoso no. 8. p.32HERRADURAhastallegar aFORMASCIRCULARES, el realibremslazonade influencia, permitiendoutilizar lasteorasparael clculodeesfuerzosentnelesde secciones circulares, pero el problema radica en la dimensiones del radio ser la del rea libre o la excavada ms el de influencia. Se sugiere un profundo anlisis y por seguridad las dimensiones del radio del tnel ms la zona de influencia.El macizo rocoso presenta tensiones primarias que al ser calculada intervienen factores internos y externos que deben ser consideradosLa construccin de una excavacin subterrnea minera desestabiliza el equilibrio tensional del macizo, haciendo necesario que estos esfuerzos se los denomine secundariospor ser productodelosprimariosyenlaaperturadel tnel minerolos denominaremos presiones mineras.En los tneles la presin minera se presenta inicialmente como un esfuerzo que puede o no vencer la resistencia de la roca y en el caso de vencimiento de la resistencia de la roca se activan los planos de debilidad apareciendo fracturas las cuales al cruzarse dan lugar a lajas, bloquesdediferentetamaoquegeneralmentesedesprendenydanlugar ala presin minera. En el caso de no presentarse fenmenos visibles como los anteriores se acumula el esfuerzo llegando a un punto de equilibrio y de un buen factor de seguridad.La presin minera puede ser calculada por diferentes mtodos, partiendo de parmetros que se obtienen del muestreo y de la aplicacin a frmulas matemticas que no reflejan la magnituddel problemadel fenmenodeinestabilidadqueseestainvestigandoenlos tneles.Lapresinmineradebesercalculadaapartirdeparmetrosgeomtricos, geolgicos, geomecnicosdentrodeuncontextogeotcnicoparaelaborar unmodelogrficoque refleje la mayor cantidad de factores que inciden en la estabilidad del tnel y nos permita escoger el mtodo ms apropiado ya que no existe uno que rena todas las condiciones de satisfaccin en los resultados.1.2 CARACTERIZACION GEOMECNICA Y LA APLICACIN DE LAS CLASIFICACIONES ENEL SOSTENIMIENTO DE LOS TNELES.Los terrenos, como suelos, rocas, rocas alteradas etc. se comportan geomecnicamente de diferentes formas razn por la cual es necesario caracterizar. Los principales comportamientos y pertinentes a la minera se pueden considerar.1.2.1. COMPORTAMIENTO DE LOS TERRENOS (SUELOS Y ROCAS)(Los suelos se comportan,segnsunaturalezageolgicadediferente formaanteuna labor minera.Losterrenosinconsistentes (arenas, aluviones etc)sehunden inmediatamente enformadeembudo.Son especialmente difciles lasarenasacuferasdebidoal efecto de sifonamiento (ver figura 18a). 33Los materiales blandos y tenaces como las arcillas solo tienen una flexin sobre la labor, el hundimiento es suave y gradual.Losdepsitosaluvialesenlaszonasprximassedescarganyenlasarcillasse sobrecargan (ver figura 18b).Figura 18. Aspecto del efectode un tnelen las arenas y arcillas Lasrocas firmes y consolidadas, se comportan geomecnicamente segn su naturaleza u origen geolgico, algunas poseen una mayor tenacidad en el sentido de la estratificacin que es normalaella. Por su comportamiento podemos formar 4 grupos. 1.Las gneas como elgranito sonrocas"rgidas" quese hunden formando campanas (ver figura 19a),quesuelen mantenerse en equilibrio. 2. El tipo segundo sedimentarias como las arenisca, son rocas frgiles, que aunque tambin forman campanas se producen desprendimientosde lisos y bloques los cualesa vecesmuyviolentosysemejandoa pequeos terremotos(ver figura 19b).Figura 19. Efecto en el tnel segn las caractersticas de la roca3. El tercero son las pizarras, rocas "blandas y tenaces" que a profundidad moderada estas rocas sufren simple flexin (considerando, que tenacidad es sinnima de flexin, una rocano tenazantesde la flexin se rompe) peroapresionesmayores adquiere una cierta plasticidad que las hace desplazarse, plegndose, desde los macizos 34cargados hacia la excavacin,esta tiendeacerrarse sin fenmenos violentos(comose dijo antes, nos hemos salido delperiodo elstico introducindonos en elplstico),(ver figura 19c).4. Encuartolugar las sales son rocasdecaractersticas intermedias, entregranitos y pizarras: son elsticas permiten cerramientos sin rompimiento y/o pueden tomar campanas de hundimiento.En resumen estos cuatro grupos podran reducirse a dos, segn que el techo de la explotacindespusdel movimientodelasrocasqueloformatengasuperficie cncavay convexa.1.2.2 CARACTERIZACIN DE LOS MACIZOS ROCOSOS.El macizo rocoso es un agregado cristalino de minerales que se a formado a travs de un periodo geolgico done ha sufrido una serie alteraciones y eventos estructurales, tectnicos etc. quecomoactualmentelotenemos paraser investigadopresentaun comportamientogeomecnicoheterogneodedifcil estudio; portal raznrequiereser caracterizadoparaposteriormenteser clasificadoydefinir sectoresdecaractersticas similar y poder establecer modelos analticos de estudio.La caracterizacin bsicamente es de tipo geolgico y geomecnico, consiste en: ubicar geogrficamente, levantamiento detallado topogrfico, levantamiento geolgico a escala 1/200, toma de muestras, determinacin de propiedades fsico mecnicas, levantamiento dediscontinuidades, elaboracindel modelogrficodel tnel, estabilidaddel macizoy tnel para establecer el modelo geomecnico y todo esto conducente a CLASIFICAR EL MACIZO ROCOSO.No se pretende dar explicaciones de como hacer una caracterizacin geomecnica para establecer la clasificacin del macizorocoso sinorecomendar queenestetipode investigacindeba caracterizarse en forma general el rea en estudio y luego sectorizar la mina.La caracterizacin geomecnica general corresponde al rea de influencia de la mineralizacin o de la mina que ser el punto de partida para conocer las caractersticas geomecnicasypuedepresentarsedoscasos; el primerocuandonoexistenlabores mineras todo el trabajo corresponde a levantamiento superficiales sobre afloramiento o en sudefectopor trincherasyestosresultadosdebenser inferidoshaciael interior del macizo rocoso para pronosticar su comportamiento geomecnico.El segundo caso existen labores mineras y a travs de ellas se puede hacer levantamientos, muestreos, etc. y por consiguiente en superficie. En este caso es cuando sedeberealizar unacaracterizacingeomecnicageneral del macizorocosotanto superficial como subterrneo, luego evaluar resultados y de acuerdo a las desviaciones o diferentes comportamientos dividir la mina en sectores y realizar la sectorizacin para caracterizaciones particulares geomecnicasDe lo anteriorel procesode caracterizacin ser:351.Caracterizacin geomecnica superficial.2.Caracterizacin geomecnica subterrnea.3.Caracterizacin geomecnica superficial subterrnea.4.Caracterizacin geomecnica por sectores.5.Caracterizacin geomecnica por tneles, labores mineras.El clculo de la presin minera para nuestro caso ser en tnelesy es as que una vez se tengalacaracterizacingeomecnicaqueesel resumendelaevolucincualitativay cuantitativa del macizo rocoso. Debe ser usada para el clculo de la presin minera y no comomuchos hacen, olvidanlacaracterizacinparael diseodelaentibacin. Esto quieredecir queel diseoyclculodel sostenimientodebeser el objetivofinal dela caracterizacin.ParalaCARACTERIZACIN GEOMECNICAEN EL DISEODEL SOSTENIMIENTO EN TNELES, se debe desarrollar los siguientes parmetros1. GENERALIDADES. Es necesario definir el objetivo del trabajo de investigacin ya que puede ser para un tnel que se va a construir o ya esta construido.2. LOCALIZACIN Y TOPOGRAFA. Corresponde a la ubicacin geogrfica de la zona u rea del proyecto, el cual puede ser el de la mina; donde contenga: coordenadas, curvas de nivel, carreteras, ros quebradas, construcciones etc; y la ubicacin particular del rea de estudio o tnel.3. GEOLOGA3.1. UBICACIN GEOLGICA. Es la recopilacin y verificacin de la geologa regional considerandocomocentrodel reael sitiodeinvestigacinysedebeelaborar plano escala 1/10.000, con litologa, estructural, tectnica, y en lo posible determinar los esfuerzos tectnicos residuales (ltimos estudios determina que son en Colombia mayores que los gravitacionales).3.2. GEOLOGA LOCAL. Escala de trabajo y plano escala 1/5.000 o 1/ 2.500 segn el tamao del tnel en estudio. Son necesarios los perfiles para determinar el recubrimiento; en resumen laposicinespacialdel tnel,laformacingeolgicadondeseencuentra, respaldos etc.3.3. GEOLGIA DE DETALLE.Escala de trabajo de 1/1.000 o1/500 con planos perfiles columnas estratigrficas generalizada y de cada una de las estaciones de toma de datos, donde debe colocarse el tnel.4. CARACTERIZACIN. 4.1. METODOLOGA DE TRABAJO. Plan de trabajo, trabajos exploratorios, de prospeccin, tiempo, recursos, muestreo (muestreo = toma de informacin, observaciones, datos, caractersticas muestras etc. Deben estar localizados en plano).Es la base para el trabajo de campo y oficina.364.2. LOCALIZACIN PARTICULAR DEL REA DEL TNEL O DE TRABAJO. Si no se ha definido.4.3. ESCALA DE METEORIZACIN. Para determinar el tipo de material a analizar: Suelos, material superficial o meteorizadoRocas, roca como talMacizo rocoso, se considera la roca con todas las discontinuidades.4.4. PROPIEDADES DE LOS SUELOS. Determinar sus propiedades si existen suelos.4.5. PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS.4.5.1. GEOLGICAS. Sedeterminarpor petrografael tipoderoca, teniendocomo objetivo, el fisuramiento o microfracturamiento, tamao y forma de grano (textura, fbrica), matriz, cemento, quepuedaafectar oincidir enel comportamientooresistenciadela roca.4.5.2. FSICAS. Pesoespecfico, humedadetc. Esdeaclarar quesonsuficienteslas simplescifras, sinoel anlisiscomparativoseincidencialesconlasotraspropiedades buscando explicaciones; por lo anterior se recomienda de cada estacin tomar muestra tal permita realizar todos los ensayos posibles a un mismosito. 4.5.3. MECNICOS. Los necesarios y que permita los laboratorios en este caso los de la U.P.T.C (Verlvaro Correa Arroyave, Caracterizacin geomecnica)4.6. CARACTERSTICAS GEOMECNICAS DEL MACIZO ROCOSO.4.6.1. MODELO GRFICO. Del levantamiento de campo, uno de los objetivos debe ser el modelo grfico del aspecto topogrfico, geolgico, geomecnico del tnel (ver mdulo I de sostenimiento de minas). Debe estar claramente justificado, sustentado, analizado etc.4.6.2. LEVANTAMIENTO DE DISCONTINUIDADES. 1. DIACLASAS(Agruparlaspor familias, determinar conjugadasyladireccindelos esfuerzos principales residuales tectnicos). Debe tomarse todas las caractersticas posibles2. ESTRATIFICACIN. (Corresponde a un plano por consiguiente ser un polo) 3. FALLAS (Un plano, un polo)4. DIRECCIN DEL TNEL (Lnea)4.6.3. PRESENCIA DE AGUAS4.6.4. OTRAS CARACTERSTICAS NECESARIAS.5. CLASIFICACIN5.1. SECTORIZACIN. Previo anlisis de rea es recomendable determinar zonas estructuralmente definidas (zonas que se definen como de caractersticas geomecnicas semejantes), lo que implica sectorizar y puede realizarse:1. Forma general el macizo2. La mina3. Un sector o labor de la mina especfico.Recordar queesnecesarioconsiderar deacuerdoal compromisodelasparedesla clasificacin para la mineralizacin y sus respaldos superior e inferior.5.2. CLASIFICACIN PROPIAMENTE DICHA. Considerando que para una clasificacin se debe tener en cuenta: 1. Determinar parmetros de la clasificacin 372. Ajustar valores por orientaciones de las discontinuidades3. Determinar clasificacin del macizo4. Significado de la clasificacin 5. Lo ms importante la justificacin,anlisis evaluacin de la clasificacin frente a los resultados y de acuerdo a la labor minera.Y finalmente realizar la clasificacin de acuerdo a la conveniencia, pero en nuestro caso se sugiere: 1. Desde el punto de vista de ingeniera 2. BieniawskyRMR, SRC, MRMR 3. ARILD PALMSTROM Rmi5.3. Aplicacin de las teoras o de bacos para definir la necesidad del sostenimiento o del tipo.6. ESTABILIDADEs necesario documentarse bibliogrficamente sobre el tema (Manual de tneles..)6.1. DEL TNEL. 1. Apreciacin del estado del tnel2. Evolucindel estadodel tnel respectoal tiempoyfactoresquepuedanafectarsu estabilidad3. Modelo grfico4. Anlisis, columnas estratigrficas del tnel con respecto a su posicin y tipo de roca6.2. DEL MACIZO ROCOSO.1. Teoras de ruptura2. Curvasdecomportamientolmite(Segnlacurvaderelacinde1,3,sepuede determinar K(relacin esfuerzo horizontal y vertical)3. Determinacin de las propiedades mecnicas del macizo rocoso- Resistencia a la compresin simple- Resistencia al esfuerzo cortante- ngulo de friccin interna- ngulo de ruptura etc.4. Se puede de acuerdo a lo anterior replantear la clasificacin realizada con las propiedades de la roca.6.3 MEJORAMIENTO DE LA ESTABILIDAD EL TNEL1. Variacin de las ecuaciones constitutivas2. Variacin de la geometra del tnel3. uso del sostenimiento etc.4. etc.6.4. ANLISIS EVALUACIN DE LA NECESIDAD DEL SOSTENIMIENTO.7.PRESIN NATURAL Se debe determinar la conveniencia de calcular y/o considerar las presiones gravitacionales o las tectnicas residuales, o una combinacin asimilndolas a esfuerzos principales verticales y horizontales respectivamente.38Para elcaso de la presin gravitacionalo litosttica, considerando un macizo CHILE o estructuralmentedefinido, segnmecnicadel mediocontinuo, yteorasdeCoulomb Mohr, es posible como una gua o para simular el comportamiento del macizo rocoso,1. Esfuerzo vertical a una determinada profundidad2. Esfuerzos principales mayor, menor, esfuerzos cortante, ngulo de ruptura por donde puede fallar el macizo.3. Es posible comparar el esfuerzo generado con el esfuerzo que puede soportar la roca y determinar si va a fallar y a que tipo de esfuerzo y el factor de seguridad de trabajo.4. Puede permitir determinar elfactor K (0,5; 1; 2,0), de relacin de esfuerzo horizontal con esfuerzo vertical.5. Anlisis simulado frente al comportamiento elstico, plstico y a su vez ruptura frgil, dctil.8. PRESIN MINERA.8.1. MODELO GRFICO QUE YA DEBE ESTAR DEFINIDO8.2. OBJETIVO Y MAGNITUD DEL TNEL, VIDA ETC.8.3CRITERIOS PARA CALCULAR PRESIN MINERA

1. ESFUERZOS EN PAREDES2. DESPRENDIMIENTO DE BLOQUES3. BLOQUE Y ESFUERZOS.8.3.1 CLCULOS BAJO EL CRITERIO DE CONSIDERAR LOS ESFUERZOS GENERADOS EN LAS PAREDES DE LOS TNELES.-Asimilar el tnel a un tnel de seccin circular y simular para determinar un modelo:+ELSTICO+PLASTICO+ ELASTO-PLSTICO CONSIDERAR EL CRITERIO DE RUPTURA: DUCTIL O FRGILDe lo anterior se puede determinar el radio plstico o de influencia (Manual de tneles y obras subterrneas de Editores Lpez )-Sepuedeaplicar lateoraderupturadeMohr yCoulomb, parasimular esfuerzos principales, cortantes ngulo de ruptura etc.-Tomar el tnel con su respectiva geometra y aplicar la teora presentada en el texto de Hoek and Brawn titulado Excavaciones en roca, donde plante que no importa la forma del tnel, lo cual nos permite calcular esfuerzo en el techo y la pared lateral. -Se recomienda usar el programa Examine, para hacer simulaciones variando: profundidad, forma geomtrica del tnel, familia de diaclasas o estratificacin como planos de deslizamiento, etc.-Existen muchos autores que han planteado las teoras pertinentes, Enconclusin, correspondealosmtodosdemecnicaderocasparael clculode esfuerzos en tneles.39 Recordar lo anterior usado para sostenimiento con acero, pero con madera, se tomara como una gua de la magnitud de los esfuerzos.8.3.2 CLCULOS BAJOEL CRITERIODE CONSIDERARLA PRESINMINERA GENERADOS EN LAS PAREDES DE LOS TNELES POR EFECTO DE LA BVEDA DE CARGA O LOS BLOQUES DESPRENDIDOS, CON EFECTO PRINCIPAL LA GRAVEDADAdems de lo anterior, se debe determinar la bveda de carga la cual ser la generadora del rea o volumen del material que va ejercer esfuerzo en las paredes del tnel.Se emplean los mtodos geomtricos en el clculo de la presin minera, es posible usar lasteorasbasadasenlaresistenciademateriales. Serecomiendausar el programa Unwege, para el anlisis de cuas apoyado en la estereografa.8.3.3 CLCULOS CONSIDERANDO ESFUERZOS Y BVEDA DE CARGA. Se recomienda para tneles de reas considerables, larga duracin, y si existen los medios econmicos para realizar los trabajos de investigacin.9.DISEO MINERO DEL SOSTENIMIENTO.10. COSTOS11. DISEO PTIMO. Para realizar la caracterizacin se encuentra varios textos explicativos como el de Hoek / Brown titulado Excavaciones subterrneas en roca. Las clasificaciones en macizos rocosos con objetivos de sostenimiento se pueden consultar: 1. BROWN, E. T. HOEK, E. Excavacionessubterrneasenroca.Mjico: McGrawHill, 1985. 2. BIENIAWSKI, Z. T. Rock mechanics desinginminingandtunneling. Rotterdan/ Boston / 1984 3. HOEK. E. KAISER, P. K. BAWDEN. Support of underground excavations in hard rock. Netherlands, 19954. STAGG, K. G. ZIENKIEWCCZ. LaMecnicaderocasenlaingenieraprctica. London: John Wiley & Son, 1970.5. Goodman. Introdution mechanics rocks6. Hudson John and Harrison John. Engineering rocks mechanics, libro 1 y 2.7. Correa lvaro. Caracterizacin de rocas. Ensayos de laboratorio,Y muchos otros textos401.2.3CLASIFICACIN DE LOS MACIZOS ROCOSOSUnaexcavacinsubterrneaesunaestructurade gran complejidadylasnicas herramientasquedispone el ingeniero songeneralmentemodelossimplificados sobre algunos de los fenmenos que se conjugan para lograr la estabilidad de las excavaciones otansoloel profesional sebasaencasoshomlogos ysegnsu experiencia toma las decisiones. Motivo por elcual se requiere de profesionales que hayan diseado y dirigido el avance de tneles consu respectivo sostenimiento.En caso de no contar con la suficiente experiencia; Que criterios habr de usar para determinar si lasdecisionessonlgicas?Cmosepodrsaber si el espacioes demasiado grande y el sostenimiento apropiado o necesario?Antelaanterior incertidumbre se debe partirenprimerainstancia de una clasificacin del macizo rocoso.A continuacinsepresentaunbreverepaso de las clasificaciones expuestaspor HoekBrowenel texto Excavaciones Subterrneas en Roca.1.2.3.1CLASIFICACION DE LAS ROCAS SEGUN TERZAGHI.En 1946, Terzaghipropusoun sistema sencillo de clasificacindelas rocas para calcular las cargas que deben soportar los arcos de acero en los tneles. Describi varios tipos de roca y con base en su experiencia en los tneles ferrocarrileros con fortificacin en acero (ver mdulo de sostenimiento de minas, 2000)La clasificacin propuesta es la siguiente:1. Roca inalterada, sana o intacta2. Roca estratificada3. Roca medianamente fisurada4. Roca agrietada en bloques5. Roca triturada6. Roca comprimida7. Roca expansiva.Laanterior clasificacinseverampliamentecuandoseanaliceel clculode presiones en los tneles.1.2.3.2CLASIFICACIONES DE STINI Y LAUFFER.Stini insistisobrelaimportanciadelosdefectosestructuralesdelarocay recomend no excavar paraleloal rumbo de discontinuidades muy inclinadas.Tarzaghi y Stini estudiaban la inestabilidad con relacin al tiempo en los tneles en cambioLaufferanaliz la importanciadelTIEMPO DE SOSTEN del CLAROACTIVO enun tnel.41ElTIEMPODESOSTENes ellapsoduranteelcualuna excavacin ser capaz de mantenerse abiertasin sostenimiento.El CLARO ACTIVO es el espacio mayor sin sostenimientoentre elfrenteyla primera lneadesostenimientocomose aprecia en la figura 20.Figura20. Relacin entre claro activo y tiempodesostn para diferentes tipos de roca. 1.2.3.3INDICE DE CALIDAD DE LA ROCA DE DEERE.En 1964 Deere, propuso un ndice cuantitativo de lacalidad delarocabasadoenla recuperacindencleos de perforacin con diamante, el cual fue definido RQD.RQD % = 100x longitud ncleos mayores 100m.m.) / longitud del barreno.RQD % Calidad de la roca>>>-500,00 Excelentemente buenoLaaplicacin al sostenimiento se aprecia enlasiguiente figura 22.Pararelacionarel ndicedecalidadparatnelesQconel comportamientodeuna excavacinsubterrneaylanecesidaddesostenimiento; Burton, LienyLunde definieron la DIMENSION EQUIVALENTE (De) de la excavacin.De= (Ancho de la excavacin o altura (m)) / Relacin de soporte ESRAncho de la excavacin: Dimensin del tnel a construirESR:Coeficientedeacuerdoal usoquesedala excavacin.Tipo UsoESRA Excavaciones mineras provisionales3 - 5B Excavaciones mineras permanentes1,6C Cmaras de almacenamiento- Elctricas 1,3D Casa de mquinas -Generadores elctricos 1,0E Estaciones subterrneas- Ferrocarril0,8ESR es ms o menos anlogo al inverso del factor de seguridad empleado en el diseo de taludes.1.2.3.6PALMSTROMRmi (ver lecturaanexaenel mdulodemecnicaderocas aplicada, 2007)1.2.3.7 CLASIFICACION RMRM (Mechanis Rock, de Hooke. Cap III). Es una modificacin del RMR, para ser usado en los trabajos de minera. 1.2.3.7CLASIFICACION PRCTICA DE LOS MACIZOS ROCOSOS.Desdeel puntodevistaprcticolosmacizosrocosospuedenclasificarseencinco grupossegnJoungensutexto Elementos de minera (Cap. X ).451. GRUPO1. MASASDEROCASCOMPACTAS, compuestasdepartculas coherentes que no muestran planos de debilidad. Pueden ser cristalinas o compuestas de granos irregulares y cementados. Lo constituyen la mayora de las rocas gneas y algunas metamrficas.Figura 22. Relacin entre la dimensin equivalente mximaDe de una excavacin subterrnea sin sostenimiento y del ndice Q (NGI). 2. GRUPO2. MASAS DE ROCAS CON PLANOS DE DISCONTINUIDADES PARALELAS,tales como planosdeestratificacin, laminaciones, esquistosidad etc.Estas rocas son resistentes en direccin normal a los planos dedebilidadymsdbiles en direccin paralela. Se consideran las areniscas, calizas, pizarras, rocas gneas laminadas y algunas metamrficas.3. GRUPO 3. MASAS ROCOSAS CON DOS OMASSISTEMASDE PLANOS DE DISCONTINUIDADES. Esta caracterstica no es tpica o propia de la roca ms bien sonproductosdecausas tectnicas, estructurales etc.Lapresenciadecruceros, grietasextensas, efectosdediaclasas, laminacin, meteorizacin etc. en diferentes planos debilitan macizos rocosos slidos. Un macizo rocosodeestanaturalezaproducefcilmentehundimiento. Esevidentequela importancia de los planos dedebilidades fundamentalparadeterminarla resistencia delaroca.464. GRUPO 4. MASAS ROCOSAS INCOHERENTES, las de ste tipo pueden estar compuestasdefragmentosgruesosyfinosototalmentedematerialesfijamente divididoscomoel casodelasarenas, brechasdefalla, rocasuelta, roca extremadamente fisuradas, quebrantadas etc.5. GRUPO5. MASAS ROCOSAS DE COMPORTAMIENTOSEMIPLASTICOO PLASTICO.Elgrado de plasticidad viene determinado por elcontenido de aguay la proporcin de arcilla. Tales rocas se deforman fcilmente bajo las presiones y tienden a compensarlapresinrellenandolosvacos. Aestegrupocorrespondenlasarcillas, rocasalteradaspor meteorizacin, accinhidrotermal, presenciadeagua, pizarras arcillosas etc.Unmacizorocosodeacuerdoalascaractersticas y profundidad puede contener los diferentes grupos as:Lapartesuperficial queestmeteorizadapuedecorresponder al grupo4. Amayor profundidad al grupo 3 o 2 yfinalmente al1;no siendo posible establecer loslmitesen forma precisa.Tipo de macizo rocosoSostenimientoGrupo 1 No requiereGrupo 2 Ligero - madera-Grupo 3 Tipo medio -fortificacin Grupo 4 Tipo pesadoGrupo 5 Estructuras flexibles, Y LA CONCLUSIN ES LA CLASIFICACIN DEL MACIZOROCOSOLA RECOMENDADA SERIA LA DE BIENAWISKI, PARA OBTENER EL RMR, Y EL Rmi SEGNARILD PALMSTROM y RMRMFigura 23: Diferentes grupos en un macizo rocoso.1.3 PRESIONES Y MOVIMIENTOS DEL TERRENO ALREDEDOR DE UNA EXCAVACIN SUBTERRNEA1.3.1 ANALISIS DE LAS PRESIONES AL CONSTRUIR UN TUNEL.47Comoanteriormentesevioqueal abrir untnel steestarasometidoagrandes presiones pero la construccindelas laboresmineras hace por fortuna desparecerlas presiones redistribuyndolahasta adquirir equilibrio alejndolasde los huecos creados. Preverelreparto y el valor de las presionesqueestn sometidas las rocas al rededor de los tneles de explotacin ycomprobarqueno pasarandelloslmitesclaramente definidosporla experiencia es el finambiciosodelos clculos hechos en materia de presin del terreno. Dehecho sehan definido esquemas, muy alejados de la realidady a veces muy discutibles incluso dentro de la hiptesis hecha.1-Presiones inmediatas enelinstantede abrir untnel.Consideremos unplano horizontal alaprofundidadH. Supongamosqueantesdecomenzarlostrabajosyen cualquier puntodeste plano la presin verticaleslaenunciada anteriormente. Estapresin resulta del peso de los terrenos situadospor encima del plano horizontal.Sitrazamos un tnel que pasa por dichoplanohorizontal, modificamos de manera poco sensible, el peso de los terrenos situadospor encima del plano; sin embargo, suprimimos la parte AB (ver figura 24), con lo cual los terrenos superiores reposaban sobre dicho plano; para que exista equilibrio hace falta que los terrenos encuentren su apoyo en otra parte, lo cual solo puede ser a la izquierda de A y a la derecha de B. Aspues, la presin vertical, que vala z antesdela aberturadel tnel, a aumentado, por lo menos en las zonas adyacentes del tnel (ver figura 24).Peronodiremosque stanuevapresinesdefinitiva; estudiaremosms adelante la evolucin de dicho repartode presiones con el tiempo.Encuanto a la presin horizontal que era ( ).10 1phhm antes de la abertura de la galera ahora es nula en A y B en el resto del contorno hasta que se coloque la entibacin.Unrazonamientoanlogo podrahacerseparacualquier planonohorizontal, pero pasando por el tnel: demostraramos que la abertura de una labor aumenta inmediatamente la presin y reduce a cero la presin radial.2-Presionesdefinitivas:Principioterico.Consideramosel cubo de roca abcd (ver figura 25) , en que el centro de una de sus caras est en A; segn lo dicho, inmediatamentedespusdelaconstruccindel tnel stecuboestsometidoauna compresin verticalsuperior a P, y a presiones horizontales nulas sobre la cara ac, y desconocida sobre la bd. Dicho de otra manera, el cubo que estaba en "compresin concontraccinlateral" antesdeabrir el vaco, yanolostamsque parcialmente. Podemos considerar varios casos:Figura 24. Distribucin de presiones en el instante de abrir un tnel48Figura 25. Principio terico de los esfuerzos en el macizo rocoso y sobre la pared del tnelA. LA ROCA RESISTE: En ste caso los esfuerzos no sobrepasan al lmite elstico de la roca: stasedeformaligeramente, sufriendounacontraccinvertical yunadilatacin hacia el huecoabierto.Despus, se detiene lasdeformaciones.El tnelencuentrasu estado de equilibrio natural,ansin necesidad de sostenimiento.Estecasoseproducecadavezqueseabreuntnel enterrenosdeexcelente resistencia mecnica o a profundidades pequeas. Numerosos ejemplos de tneles sin entibacinse encuentran en minas de hierro, poco profundas, y tambin en ciertas minas de carbn, con respaldos resistentes.Enconclusinsepudedecir los movimientos del terrenoson, enstecaso, muy pequeos (Prcticamentedespreciables)y que las presiones aumenta en la periferia del tnel,existe entonces alrededor del tnel (ver figura 26). 1.Una primera zona en que las presiones sonsuperioresa lasprimitivas: Se le llama zona de PRESION. 492.Una segunda zona, en que las presioneshanpermanecido prcticamente invariables: es la zona NO INFLUENCIADA.B.LA ROCA NO RESISTE, PERO LOS BLOQUESDESLIZAN DIFICILMENTE UNOS SOBRE OTROS.Elcuboabcddelafigura25serompeennumerosos fragmentos. Esta destruccin del mismo no esnecesariamente inmediatapuedeproducirsealgunas horasdespus dela apertura del tnel.Figura 26. Zonas cuando la roca resisteNormalmentelosbloquesderocaresultantesdeestasfisurasestnamerceddelas fuerzas gravitatorias: se imponeuna entibacinsi se quiere cortar su cada en el tnel y esta ejerciera en A una contrapresin Ps. Por otra parte, comoel cuboabcd no es capaz de soportar una presin igual aPy hace falta que el terreno se apoye en alguna parte, el apoyo habrdehallarsea ms profundidad enlapareddela galeraenefectoel cuboa"b"c"d"puedesoportarms fcilmente unafuertecompresinvertical,pues estasometido acontraccin lateral,gracias a que todos losbloques rotos entre a"b"c"d" yabcdsehallenunidosnopuedendesplazarseentres msquepor deslizamientolosunoscontralosotrosloquerequierefuerzasimportantes(como supimosenlahiptesis). Si estasfuerzas, resistentesal deslizamientoson elevadas, se puede alcanzar elequilibriodespus de una expansin apreciabledelos terrenos.Finalmente, lasfuertespresionesseejercenenregionesmsalejadasdel tnel yse formaunazonadeterreno(bvedadeTrompeter) enlacul laspresionessonmuy inferiores a las queexistanantes de abrir el tnel se denominazonade seguridad (ver figura 27) se pueden distinguir, pues, en este caso:-La zona de expansin.-La zona de presin.50-La zona no influenciada.Este es el caso ms corriente de las explotaciones mineras.Muchosresultadosexperimentaleshanvenidoharespaldar esteesquema. Las experienciasms antiguassonlasdeling. Fayol, que llegoaestos resultadospor estudiossobremodelosreducidos. Otrosestudiosmsrecienteshanllegadoalos mismos resultados: las medidas en el interior delas minas y en los clculos tericos son ejemplos.En resumen empleando un smil, todo ocurre si el tnel diera origenala formacin de un puente(zonadepresin) quesoportael pesodelosterrenossituadosencimay protege aquellade las fuertes presiones. La consecuenciapractica pues,la siguiente: el sostenimiento no soporta ms queel peso de los terrenos de la zona de expansin o de Trompeter, yoriginanunapresinmuydbil conrelacinalapresininicial (el sostenimientohabrdeser flexibleparapermitir laexpansindelas rocas circundantes yresistir su peso).Figura 27. Zonas cuando la roca resiste, pero las paredes van sufriendo desestabilizacinen la zona de derrumbe C. LA ROCA NO RESISTE Y LOS BLOQUES DESLIZAN FACILMENTE UNO SOBRE OTROS.Losrozamientosdelosbloques, unoscontraotrosenlazonadeexpansinnoson suficientesparacontener lapresinvertical; por tantolaexpansindel terrenono evoluciona hacia un estado de equilibrio que deje intacto el tnel, sino que tiende a llenarlo por entero. Sin embargo, siguen existiendo las tres zonas indicadas (ver figura 28).Antestefenmeno, solopuedeluchar unaentibacinmuyeficaz. As sesuele emplear entibaciones formadas por anillos completos, fabricado con dovelas de hormign (ver figura 28), en las juntas se intercalan planchetas de madera. Su 51aplastamiento permite una dbilcontraccin de la seccin abierta, que es favorable paralaformacindelazonadeexpansinqueayuda, graciasal rozamientodelos bloques a equilibrar la presin. Sienlosterrenosqueseproducestefenmeno el sostenimientonoexisteen elsuelo deltnel,stese eleva, buja , pudiendo llegar a cerrar el tnel.Estetercercaso se da en los tnelesabiertosenrocas arcillosas; por fortunason bastante raras en las explotaciones mineras; pero a grandes profundidades las importantes presiones causadas hacen que las rocas, como las pizarras , se comporten de manera anloga. Figura 28. Zonas cuando la no roca resiste 1.3.2 DEFORMACIONES EN LOS TUNELESLas deformaciones queseoriginanen los tneles, principalmenteen las paredes aparecengrietasoriginadas porlosesfuerzosdetraccin (En el clculo de estructuras e ingeniera se denomina traccin al esfuerzo a que est sometido un cuerpo por la aplicacindedosfuerzasqueactanensentidoopuesto, ytiendenaestirarlo); porsi solossonmuy peligrosos pero son contrarrestados por el sostenimiento.Enlosrespaldosocostadosdelasvasexistencompresionesquepuedenser bien equilibradassegnlacaractersticadelaroca. Perosi losestratostienenpoca resistencia, deslizanfcilmenteunossobreotros, fluyenhaciael espaciovaco colocando en peligro su estabilidad,incluso en rocas competentes.52Finalmente, enlasproximidadesdelosapoyosaparecenesfuerzoscortantes apreciables (ver figura29). Provocandos tipos de deformaciones:1. Deslizamiento horizontal relativo de los estratos Flexados ( Pues pueden no existir en los planos de deslizamiento tensiones tangenciales suficientes que se opongan al mismo).2.Grietas inclinadas hacia el tnel.Pueden subsanarse estas deficiencias mediante el empleodel sostenimiento de acuerdo a las necesidades.Figura 29. Deformaciones en los tneles1.3.3FINES DEL SOSTENIMIENTO.Hechaslasconsideracionesanterioressobrelaspresionesenlosterrenos, podemos enunciar las siguientes conclusiones:1. La apertura de una cavidad minera en la que no se admita ningn tipo de desplazamientodelasrocasvecinasnopodraconseguirsemsqueaplicando, una contrapresinigual alapresinnatural delostrabajos. Estoesevidentemente imposible.2. La apertura de la misma cavidad, admitiendo un desplazamiento X de las rocas,podrahacerseconla condicin de poder colocar un sostenimiento que, despus de sufrirdichodesplazamiento, nopermitieraningnotro, graciasla contrapresin que ejerce Pe. Elequilibriodel terrenose conseguira ahora por losesfuerzosconjugados del sostenimiento y del rozamiento interno de las rocas.3.Cuanto mayor es X, ms importante es la masa de terreno fracturadoy,porlo tanto, mspequealapresinde equilibrio P.Se puede, representar por la curva de la figura 30 la relacin entre los desplazamientosdelasrocasalrededor delacavidadylapresinnecesariaparael 53equilibrio. Segnloscasos, estarepresentacinseharapor unadelastrescurvas siguientes:1.No se sobrepasa la zona elstica; el equilibrionatural delasrocas se alcanza al cabo de undesplazamientomuy dbil X = OA.2. Se ha sobrepasado el lmite elstico, pero los rozamientos internos permiten alcanzar un nuevo equilibrio, pero a costa de un mayor desplazamiento X = OB.Figura 30. Curva caractersticadel desplazamiento.3. Tambin se ha sobrepasado el dominio elstico y los rozamientos internos son insuficientes paraquepermitan alcanzarun nuevo equilibrio; los desplazamientosson muy importantes.Consideremosahoraunsostenimientoconstruidopor un conjuntorgidodepiezas metlicasuhormigonadas.La aplicacin almismodeunapresinPj provoca una contraccin,y cuando Pjes lo suficiente elevado,la ruptura y destruccin.Las variaciones simultneasdela presinPjyde la contraccindelsostenimientoestn representadassobrela misma