geomecánica aplicada a la perforación y voladura de rocas en minería subterránea

ROCK INFO Consultora Geomecánica - Minera

Corporación Aceros Arequipa S.A.Línea Minería

“Geomecánica aplicada a la Perforación y Voladura de rocas en Minería Subterránea”

Ing. Martín Flores P.

Consultor Geomecánico



I. Antecedentes

Conceptualización Geomecánica Modelos Geomecánicos de Análisis Beneficios de la aplicabilidad de la

Geomecánica


1. Conceptualizacion de la Geomecánica actualmente.

Hoy en día la geomecánica juega un rol muy importante en la ingeniería minera e ingeniería civil; particularmente constituye la base científica de la ingeniería minera, ya que a diferencia de la ingeniería civil, tiene sus propias peculiaridades, guiados por el concepto “vida de la operación”.

La caracterización geomecánica del macizo rocoso será vital para las operaciones unitarias de perforación y voladura a emplearse.

La aplicabilidad de la Geomecánica beneficia el aspecto de la seguridad minera, ya que la aplicación de esta ciencia, garantiza el análisis adecuado para el control de estabilidad de las excavaciones subterráneas y superficiales.

Todo Diseño Minero y/o Civil debe tomar el factor geomecánico como herramienta clave para un diseño correcto.

Las operaciones de Perforación y Voladura deberán tomar el factor geomecánico como base para sus diseños respectivos.


2. Causas del desarrollo de la Geomecánica.

Básicamente su desarrollo obedece a las siguientes causas:

» Incremento de la actividad científica a través de teorías, métodos, instrumentación y implementación de software geomecánicos.

» Incremento del tamaño y volúmenes de producción de las operación mineras, subterráneas y superficiales. Control de la estabilidad Global del yacimiento. Nexo con técnicas de perforación y voladura. Sumado al soporte.

» Necesidad de explotación de recursos minerales en ambientes desfavorables de minado. Condiciones desfavorables ambientes de alta ley. Nexo con técnicas de perforación y voladura. Sumado al soporte.

» La conservación del recurso humano y la seguridad industrial. [Normas MEM].

» Aplicación de nuevas tecnologías de excavaciones de roca: perforación y voladura.


3. Beneficios de la Geomecánica:

La aplicación de la Geomecánica, beneficiará a las diversas áreas operativas de la Compañía Minera, beneficiándolas en los siguientes aspectos:

Garantizar la seguridad durante la excavación de las labores mineras, mediante la interpretación de deformaciones, niveles de esfuerzos, principalmente.

Permitirá brindar a los departamentos de perforación y voladura los parámetros mecánicos de la masa rocosa, afín de seleccionar el tipo y cantidad de explosivo adecuada para el tipo de roca a ser excavada.

Define las aberturas máximas y tiempos de autosoporte de las excavaciones mineras: temporales y permanentes.

Determina la estabilidad estructuralmente controlada de las labores de preparación y explotación [EEC], verificando en cada una de ellas la formación de bloques y cuñas inestables.


4. Beneficios de la Geomecánica:» Permitirá definir las secuencias de explotación, tanto a nivel particular y global en

el yacimiento.

» Permitirá definir las categorías y tipos de sostenimiento a aplicarse, determinando estándares de sostenimiento en función a los tiempos de exposición de las labores mineras: preparaciones y explotación.

» Permitirá la estandarización del tipo y cantidades de sostenimiento a aplicarse en cada una de las labores mineras, así como el tipo de relleno a aplicarse.

» Permitirá seleccionar y diseñar alternativas de nuevos métodos de explotación en las futuras zonas de explotación. Así como establecer algunas variantes en el método de explotación aplicado actualmente.

» Permitirá mediante el monitoreo geomecánico verificar y validar suposiciones adoptadas durante las fases de diseño inicial del laboreo minero.


II. Metodología de Estudio

Metodología del estudio geomecánico.


1. Metodología para su aplicación:

La metodología que intenta proveer una base para el diseño o dimensionamiento geomecánico de excavaciones o estructuras rocosas, comprenden aspectos involucrados en tres tipos de modelos; el geológico, el geomecánico y el matemático, conforme al siguiente esquema.

ModeloGeológico

ModeloGeomecánico

ModeloMatemático

La metodología se ejecutará en forma secuencial no evadiendo ningún modelo para llegar a la conclusión

definitiva para el proyecto

SECUENCIAL


2. Metodología de Aplicación de Geomecánica en la Perforación y la Voladura.

La interpretación y análisis involucrados en las actividades de perforación y voladura se sustentan en el comportamiento geológico y geomecánico del macizo rocoso, esto es, asociar los Modelos Geológicos y Modelos Geomecánicos previamente a las operaciones unitarias de perforación y voladura.

La clave del éxito de éstas operaciones unitarias, estará íntimamente asociada al buen entendimiento de dichos modelos; siguiendo una secuencia ordenada y clasificada de análisis e interpretación de resultados.

La interpretación final de dichos modelos será interactuada con el manejo de herramientas de computo [software geomecánicos y software de voladura], los cuales se enfocarán básicamente a la simulaciones de estabilidad de las labores mineras afectas por las operaciones de perforación y voladura.


3.1. Modelo Geológico:

3. Modelos de estudio:

Trata de caracterizar o definir la estructura de la masa rocosa; nos brinda información geológica del medio en la cual se desarrollará la perforación y voladura.

Se conceptualiza al Modelo Geológico el pilar clave para toda evaluación geomecánica, ya que éste aportará información clave del comportamiento geológico del macizo rocoso, aportando información clave para el desarrollo de las técnicas de perforación y voladura a ejecutarse.

Parámetros de investigación: litología, estructuras, propiedades mecánicas básicas, hidrología, sismología, tectónica, etc.

En la actualidad el Modelo Geológico se muestra más accesible para el operador minero a través de herramientas de computo: Manejo de Software [visualización espacial de la influencia de la zona mineralizada].


2.2. Modelo Geomecánico:

2. Modelos de estudio.

Su conocimiento es considerado pilar clave para los programas de perforación y voladura a ejecutarse, ya que éste aporta resultados cuantitativos respecto a las propiedades mecánicas de la masa rocosa.

El modelo estará apoyado con la aplicación de técnicas de valoración de calidad de roca, así como la instrumentación adecuada para la determinación de las propiedades mecánicas del macizo. [pruebas en campo y laboratorio].

Parámetros de investigación: propiedades elásticas de la masa rocosa: Módulos Elásticos, resistencia a la compresión, análisis de esfuerzos [niveles de esfuerzos: magnitudes y orientaciones, etc.

Hoy en día las técnicas de levantamiento de información son sumamente rápidas, versátiles y confiables. En la actualidad el modelo se complementa con la interpretación [simulaciones] mediante la utilización de software geomecánicos de muy buena confiabilidad de resultados, los cuales suman los efectos de voladura en la estabilidad del macizo rocoso.


2.3. Modelo Matemático:

2. Modelos de estudio.

Integra los dos modelos anteriores, es secuencial; considera los aspectos geométricos de las excavaciones (condiciones de borde) e interactúa con la matemática de elementos finitos (software).

Análisis de esfuerzos actuantes y resistencias disponibles.

Simulaciones tenso - deformacionales; las cuales se llevan a cabo a

través de interpretación de software geomecánicos.

Las técnicas a emplearse dependerán de la complejidad del tipo de excavación a desarrollar, lo correcto es llevar a cabo toda la secuencia de metodología e interactuar efectivamente con el modelo matemático el cual permite controlar las inestabilidades a través de múltiples simulaciones.


Monitoreo a través de Simulaciones con Software Geomecánicos

Aplicabilidad de Software Geomecánico Unwedge - Estabilidad de Bloques y Cuñas.Simulaciones de pernos de anclaje + Shotcrete, conforme a características geomecánicas de

la roca.Controles de Factores de Seguridad.


Monitoreo a través de Simulaciones con Software Geomecánicos

Aplicabilidad de Software Geomecánico Phases – Análisis de Esfuerzos y Deformaciones.

Controles de Factores de Seguridad.


III. Análisis de los Modelos Geológico y Geomecánico

Parámetros de estudio para la eficiencia de la Perforación y Voladura


1. Propiedades geológicas y geomecánicas de interés para las técnicas de Perforación y Voladura.

Como lo indicáramos el análisis e interpretación del comportamiento mecánico del macizo rocoso estará íntimamente relacionado al desarrollo de las técnicas de perforación y voladura a efectuarse.

Teniendo como objetivo general: “excavar en el macizo rocoso causando el menor daño posible a la zona de influencia del trazo de la perforación”.

Los parámetros geomecánicos que deben ser considerados para un correcto diseño de la perforación y voladura en el macizo, básicamente son:

» Módulos Elásticos de la masa rocosa.» Resistencia a la compresión uniaxial de la masa rocosa.» Condiciones de las Discontinuidades.


A. Constantes Elásticas.

1. Modulo de Young. (E).

La elasticidad es la propiedad que hace un objeto, que ha sido deformado, regrese a su forma original después de que se han removido las fuerzas deformadoras. Según esta definición, casi todos los materiales son elásticos (hasta cierto límite).Robert Hooke estableció que el esfuerzo es proporcional a la deformación (σ ∞ ε); a esto se le conoce como la ley de Hooke. El módulo de elasticidad se representa por la letra E y por consiguiente se calcula con la siguiente relación:

Donde: E : Modulo de Young. σ : Esfuerzo o tensión.

Є : Deformación.


Aunque da la impresión de ser una medida de las propiedades elásticas de los materiales, E es una medida de su rigidez, entre mayor es el valor de esta constante, mayor es la rigidez del material. Esta constante de proporcionalidad fue calculada a principios del siglo XIV por Tomas Young por lo que es llamado el módulo de Young y corresponde a la constante de proporcionalidad que relaciona el esfuerzo y la deformación unitaria (mientras que el material no exceda su límite elástico).

El Modulo de Young es una medida de resistencia elástica o de la habilidad de una roca para resistir la deformación. Cuanto mayor sea el Modulo de Young mayor dificultad tendrá para romperse.

Tiene influencia en la malla de perforación, tipo y cantidad de explosivo a disponer en las operaciones de voladura.

1. Modulo de Young. (E).




Cuando un cuerpo se acorta por efecto de una compresión, se alarga en la dirección perpendicular a la compresión. Un cuerpo alargado por efecto de una tracción, disminuye su ancho en la dirección perpendicular a la tensión. La relación entre la deformación longitudinal y la deformación transversal se denomina coeficiente de Poisson v .

2. Relación de Poisson. (v)

El coeficiente de Poisson es la razón entre la contracción lateral y la elongación axial.


Módulos de Young y Coeficientes de Poisson típicos para rocas.


B) Resistencia a la Compresión. RCU.

Considerada la una de las propiedades más importante a utilizar en el diseño de la perforación y voladura, verifica la resistencia a sobrepasar para llegar a la rotura por presión.

Su conocimiento determina la técnica de perforación y voladura a emplear: selección de trazo de perforación, selección de tipo de explosivos, principalmente sumada al estudio de las constantes elásticas de la roca.

La Resistencia a la compresión de la roca puede determinarse en forma rápida en los frentes avance, conociendo de esta forma la respuesta del macizo rocoso a ser excavado, reaccionando oportunamente para las variantes de perforación y voladura a ejecutarse.

La RCU en el campo, se llega a determinar mediante la utilización del Martillo Schmith, el cual puede formular rangos de resistencia de roca de 20 - 400 MPa. Los análisis deberán ser efectuados discretizando dominios geomecánicos.


Procedimiento de toma de datos para la evaluación con la utilización de Martillo Schmidt

Discretización de toma de datos con relación a dominios geomecánicos.

Aplicación práctica de determinación de la Resistencia a la Compresión del Macizo in situ.


C) Condiciones de las Discontinuidades.

Condición de distribución espacial de las discontinuidades [mayores y menores] orientaciones y espaciamiento básicamente. Dichas propiedades deberán ser evaluadas respecto a los principales sistemas de discontinuidades presente en el macizo rocoso.

El espaciamiento determinará el tamaño de bloques in situ y por ende el grado de fragmentación del macizo rocoso esperado. Los programas de Perforación y voladura apuntarán a lograr la óptima fragmentación en función a este parámetro.

La performance de la perforación y voladura, responderá a las condiciones de estabilidad que asocia la distribución espacial de las discontinuidades.

Por lo general los existen 1SD, 2SD o 3SD, lo cual genera todo un análisis de dominios geomecánicos presentes en el yacimiento. Debiendo anexar cada uno de ellos a una técnica de perforación y Voladura específica.


Análisis de la orientación espacial y espaciamiento de las discontinuidades presentes en el Macizo rocoso.

Los efectos de la orientación de los principales sistemas de discontinuidades presentes en el macizo rocoso, determinarán la efectividad de la perforación y

voladura sobre este.


Conformación espacial de la masa rocosa

Efectos de la conjugación de Sistemas de Discontinuidades presentes en la Masa

Rocosa.

Efectos de la conjugación de Sistemas de Discontinuidades presentes en la Masa

Rocosa.

Consideraciones importantes en selección de la técnica de perforación y voladura a

ejecutarse.


Influencia de los Esfuerzos en la estabilidad subterránea.

Esfuerzos Presentes en la Masa Rocosa.

Los esfuerzos estarán influenciados directamente con la profundidad en la cual

es excavada la labor minera.

Esfuerzos Presentes en la Masa Rocosa.

Concentración de esfuerzos inducidos en las proximidades de labores mineros

contiguos.


Excavaciones en Zona de Falla o Zonas de Corte

Esfuerzos en Roca Estratificada

Los efectos de concentración de esfuerzos, pueden ocasionar la rotura de rocas, pandeándose produciendo

colapso.

Esfuerzos en Roca Estratificada

Los efectos de concentración de esfuerzos, pueden ocasionar la rotura de rocas, pandeándose produciendo

colapso.



Esfuerzos en Zonas de Falla

Los efectos de concentración de esfuerzos, determinaran la

ocurrencia y activaciones de bloques o cuñas de mayor dimensión.

Son las fuentes mas generadoras de accidentes en Mina, su detección

muchas veces no se efectúa por la persistencia de las fracturas, haciendo difícil su detección.

Animación de la detección de bloques inestables producto de la activación de

fallas



Animación que muestra los efectos nocivos, al no detectar y tener un

registro de la ocurrencia de una zona de falla.

Zona a la cual, no se le ha colocado el debido sostenimiento.

Zona de Concentración de esfuerzos producto de las activaciones de la Falla.

El sostenimiento en minería subterránea debe venir con el avance del frente, Metro avanzado Metro Sostenido.

Las operaciones de perforación y voladura deberán estar enfocadas a no activar las zonas de falla o zonas de corte presentes.


Influencia de las orientaciones de las Discontinuidades

Orientaciones de Discontinuidades Desfavorables para la Estabilidad

Cuando las discontinuidades se presentan paralelas al eje de la excavación, los problemas de estabilidad serán severos y en consecuencia, las medidas de

sostenimiento serán mayores, para el control de la estabilidad.


Influencia de las orientaciones de las Discontinuidades


Parámetros Geomecánicos

Propiedades de Ingeniería

Resistencia Deformabilidad

Resist.Tracción

Resist. Compresión Uniaxial: RCU

Resist. Compresión Triaxial: Cohesión = c

Angulo de fricción = Ø

Módulos Elásticos:

Módulo de Young = E

Módulo de Poisson = v

ENERGIA REQUERIDA DEL EXPLOSIVO


IV. Efectos de la Perforación y Voladura

Daños en el macizo RocosoDaños en los mecanismos de estabilización


1. Fundamentos de la Clasificación RMR. (Rock Mass Rating) Criterios de Daño en el macizo rocoso.

Los mecanismos de daño producto de la voladura tienen efectos realmente nocivos en la estabilidad del macizo rocoso. Las malas técnicas de perforación y voladura a emplearse por el desconocimiento de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, producirán efectos de grado considerable en el estabilidad de las excavaciones subterráneas.

A) Daños inducidos en el macizo rocoso por la voladura:

» Generación de nuevas fracturas a las existentes. » Apertura de discontinuidades pre - existentes.» Reducción de la resistencia al corte de las discontinuidades.» Degradación de la Calidad Geomecánica del Macizo Rocoso.» Activación de Energías Geodinámicas presentes en el macizo rocoso.


Influencia de la Degradación de la Calidad de Roca

Efecto de la influencia de las Vibraciones causadas por efecto de la voladura, daño en el macizo. Control de los Niveles de Vibración para los Factores de reducción de

RMR por Daño.


Aplicación del la Influencia del Daño con interpretación de Software

Aplicación del efecto Daño en el macizo rocoso, interpretación con Software geomecánico - RocLab.


Influencia del Daño en el Macizo Rocoso

Mecanismos de Daño al Macizo Rocoso, producto de las técnicas de perforación y

voladura a emplearse.

Activación de discontinuidades en la zona de influencia del disparo.

Disminución de la resistencia al corte de estas.


Mecánica de Producción de un Estallido de Rocas debido a factores

Geodinámicos.

Influencia de Dominios Geomecánicos de gran diferenciación estructural.

Control de Estallidos de Rocas. Liberacion de Energia en las zonas detectadas de

concentracion de estas.

Sondajes diamantinos, perforación convencional, voladuras inducidas, etc.

Efectos Geodinámicos - Estallidos de Rocas.


B) Daños inducidos en los mecanismos de estabilidad:

» Reducción de las capacidades de carga de los Pernos de Anclaje. » Reducción de las propiedades mecánicas de los Pernos de Anclaje.» Reducción de las propiedades mecánicas de los encapsulantes.» Reducción de los límites de tenacidad del Shotcrete - Ruptura.» Efectos de craquelamiento interno en la zona de contacto roca y shotcrete.» Activación de agrietamientos de los empalmes en las cimbras.


Efecto sobre los Pernos de AnclajeZona de Influencia 3 - 4 veces el ancho

del frente de avance.

Influencia del Daño en el los elementos de Soporte.

Efecto sobre la Malla Electrosoldada - Cocada.

Dismunicion de las Propiedades Mecánicas del acero que conforma dicha

estructura.


V. Enfoque de la Aplicabilidad de la Geomecánica

Principios del enfoque Geomecánico.


1. Principio del Enfoque Geomecánico en las técnicas de Perforación y voladura.

El papel clave de la geomecánica en las técnicas de perforación y voladura no solo deben apuntar a la determinación de propiedades geomecánicas del macizo y el control de los efectos nocivos que pudieran causar estas.

El principal objetivo de la utilización de esta ciencia es sumar en las evaluaciones de Costo - Beneficio de todas las operaciones involucradas en la producción de mineral.

Hoy en día el rol de la geomecánica en estos fines es establecer Índices de Gestión; en los Departamentos de Geomecánica y de Perforación y Voladura, de las mineras.

Llegando a determinar el “antes de la Perforación y voladura sin aplicación de geomecánica y el después de la Perforación y Voladura con aplicación de geomecánica”.

.


2. Índices de Medición de la Aplicabilidad de Geomecánica.

» Índices de Seguridad, post : Perforación y Voladura.

» Metros de avance mensuales programados versus los ejecutados.

» Consumo de Explosivos programados y consumidos.

» Vida útil de los elementos de sostenimiento aplicados, antes y después.

» Análisis de tiempos en reemplazo y/o reparación de soporte instalado.

» Niveles de vibración y los efectos de daño en el macizo rocoso.


TIPS


"El éxito llega a aquellos que, en vez de asustarse por la nueva tecnología,

la alcanzan y la acogen." Fred Gray

"Un sueño es sólo un sueño. Una meta es un sueño con un plan y una fecha

de cumplimiento."

Harvey Mackay


Consultora Geomecánica Rock Info.Teléfonos: 3830419 - 96404335

E.Mail: [email protected]


Ing. Martín Flores Palacios.Asesor Geomecánico

Corporación Aceros Arequipa S.A.

E.mail: [email protected]

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