geomecanica aplicada
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GEOMECANICA LATINA S.A.
Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavaciones
GEOMECÁNICA APLICADA EN EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS
POR: Gaither De la Sota [email protected]
BREVE RESEÑA HISTÓRICA Mecánica de Rocas: Estudia el
comportamiento de los materiales cohesivos en procesos de esfuerzo y deformación.
Geomecánica: Es la extensión de la Mecánica de Rocas.
Mecánica de suelos: Estudia el comportamiento de los materiales no cohesivos.
Geotécnia: Es la extensión de la Mecánica de Suelos
APROXIMACIÓN TEÓRICA Y EMPÍRICA AL DISEÑO MINERO
Ley de Mecánica Clásica, que gobierna la relación entre los esfuerzos aplicados a las rocas y las deformaciones que sobre ellas se obtienen.
FUNDAMENTO TEORICO
= K * e
EL ESFUERZO EN ROCAS PROVOCA UNA
DEFORMACION
PROPORCIONAL AL COEFICIENTE
MODULO DE DETERIORO K
EN TALES ROCAS
LA VARIABLE “GEOMETRIA”
Efectos de esfuerzos sobre testigos de roca cilíndricos. Solo en la forma cilíndrica se da la deformación radial por hinchamiento.
APROXIMACIÓN TEÓRICA Y EMPÍRICA AL DISEÑO DE EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS Apoyada en ensayos de laboratorio,
la aproximación teórica define en fórmulas clásicas el criterio de ruptura y deformación.
Alternativamente la aprox. Empírica emplea los mismos ensayos de laboratorio para corregir estas formulaciones, generando criterios de ruptura experimentales.
APROXIMACIÓN TEÓRICA PARA CALIFICAR DEFORMACIÓN Y
RUPTURA
Apoyada en ensayos de laboratorio, la aproximación teórica define en fórmulas clásicas el criterio de ruptura y deformación.
FORMULACIÓN TEORICA Y EMPÍRICA PARA DEFORMACIÓN Y RUPTURA EN
ROCA. La carga de
compresión a confinamiento atmosférico, logra fracturar la roca por cizalle (corte). El gauge pegado en la muestra sirve para medir la deformación en rocas.
Típico ensayo de tracción indirecta, que es un ensayo de compresión. Al momento de ruptura se dice que se rompió por tracción, superando así una propiedad intrínseca de la roca.
RESISTENCIA DE LAS ROCAS AL EFECTO CIZALLE
Típico ensayo de corte directo.Las piezas de acero sometidas a carga vertical dejan libre un plano inclinado por donde se romperá la roca allí contenida
CRITERIO DE RUPTURA EN ROCA MEDIANTE ENSAYOS DE CONFINAMIENTO TOTAL
Figura que muestra el caso en que el simple desconfinamiento de una roca comprimida y en equilibrio termina por romper dicho material.
ENSAYOS BAJO ESTADO DE CONFINAMIENTO
Celda triaxial, que lleva en su interior un testigo de roca sumergido en aceite confinante.La carga vertical se proporciona mediante el pistón q’ transita por la tapa de este recipiente.
APROXIMACIÓN EMPIRICA A LA DEFORMACIÓN Y RUPTURA
La aprox. Empírica emplea los mismos ensayos de laboratorio de la aprox. teórica para corregir estas formulaciones, generando criterios de ruptura experimentales.
LAS INVESTIGACIONES DE LA APROXIMACIÓN TEÓRICA Y EMPÍRICA DA ORIGEN A:
INDICES DE CALIFICACIÓN DE CALIDAD DE ROCAS.
NECESIDAD DE APLICAR INSTRUMENTACIÓN GEOTÉCNICA EN EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS.
CONSTRUCCIÓN DE GRÁFICOS, CON PARÁMETROS INGENIERILES ÚTILES AL DISEÑO MINERO (SOSTENIMIENTO, DIMENSIONES DE EXCAVACIÓN, ETC.)
DESCRIPCION DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION
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COMPRESIÓN UNIAXIALCOHESIÓN - FRICIÓNMÓDULO ELASTICIDADALTERACIÓNR.Q.D.N° DE FAMILIASESPACIAMIENTOCONTINUIDADRELLENOORIENTACIÓN,Rb Y BzCONDICIÓN DE AGUASSTAND UP TIMELITOLOGÍACARGA DE LA ROCAESFUERZOS INDUCIDOSVOLADURA
CLASIFICACIÓN
PARÁMETRO
INDICE
EL ASUNTO ESFUERZOS EN ROCA
Hay relación directa entre el esfuerzo aplicado y la defomación obtenida, por la aplicación de dicho esfuerzo. Por razón inversa la orientación de los esfuerzos in-situ originará mas o menos deformación de los techos y paredes excavadas según sea la orientación que tengan dichas paredes y techos.
Lo anterior justifica ampliamente la necesidad de conocer la orientación y magnitud de los esfuerzos tectónicos en el yacimiento minero.
ESFUERZOS TECTÓNICOS
Una excavación subterránea, cambia y modifica las condiciones naturales de la roca, es decir los esfuerzos Naturales se distribuyen y redistribuyen produciéndose
fenómenos de deformación(expresados en convergencias, eventos sísmicos, desestabilizaciones
etc.)
Una forma de reconocer las condiciones de confinamiento in-situ, se refiere a establecer mediante
técnica del “Overcoring - BDG”, la magnitud y dirección de los esfuerzos existentes en el lugar.
MEDICIÓN DE ESFUERZOS IN-SITU
OBJETIVO PRINCIPAL : VALIDAR EL DINAMISMO EXISTENTE
EN LAS ROCAS CONTIGUAS A YACIMIENTOS MINEROS, MEDIANTE UNA EVALUACIÓN DE LOS CAMBIOS DE ESFUERZO ORIGINADAS POR LA ACTIVIDAD MINERA Y/O TECTÓNICA NATURAL EXISTENTE
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obtener información cuantitativa y cualitativa del estado de esfuerzos tectónicos In Situ (Magnitudes y orientaciones de los tensores principales, intermedios, mínimos y secundarios de esfuerzos).
• Diseño de labores manteniendo el confinamiento en las excavaciones subterráneas, partiendo del conocimiento de las magnitudes y orientaciones de los esfuerzos tectónicos in situ.
Obtener una base de datos de las mediciones de esfuerzos In Situ en el Perú para construir un cuadro de comportamiento tectónico Andino y compararlos con los patrones generales del comportamiento tectónico global.
• Minimizar los problemas de eventos sísmicos y realizar con el input de la orientación y magnitud de esfuerzos, modelamientos más próximos a la solución real del modelo considerado.
DENTRO DE ESTE CONCEPTO EL ESTADO TENSIONAL QUEDA DEFINIDO DE LA SIGUIENTE MANERA:
v = x g x Z
h = ( / (1 – )) x v
DONDE :
v, h ESFUERZO GRAVITACIONAL y ESFUERZO HORIZONTAL RESPECTIVAMENTE.
DENSIDAD DE LA MASA ROCOSA
CONSTANTE DE POISSON g : ACELERACION DE LA GRAVEDAD Z : PROFUNDIDAD
ANTECEDENTES
Esfuerzo Vertical
Muestra los esfuerzos verticales medidos en diversas partes del mundo.
v = 0.027* zv = 0.027xz
K= Esfuerzo Horizontal medio / Esfuerzo Vertical
A pequeñas profundidades hay una cantidad considerable de dispersión, lo que indica que a menores profundidades los esfuerzos horizontales
son mayores que los esfuerzos verticales.
1500 / H+0.5
100 / H+0.3
PRINCIPALES TIPOS DE ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DE ESFUERZOS IN SITU
CATEGORÍA TIPO DE ENSAYO TIPO DE ROCA Ensayo adyacente a la superficie Gato Plano (Flat Jack) Elástica y Viscoelástica
de roca expuesta. 0 - 1 mt. Roseta Superficial Elástica Overcoring - Borehole Deformation Gage (BDG) de la U.S. Bureau of Elástica Mines
Ensayos de Perforaciones de Celda de Deformación Biaxial Elástica poca profundidad. 5 - 30 mt. Doorstopper
Celda de Deformación Triaxial Elástica (CSIRO, LNEC, CSIR)
Medidor Fotoelástico Elástica
Téc
nicas
de
Relaj
ación
Gato Curvado Elástica Ensayos realizados en
pozos a gran profundidad Fracturamiento Hidráulico Elástica y Viscoelástica sobre los 30 metros
METODO DEL OVERCORING
Ingeniería de rocas para la Estabilidad y Seguridad de excavaciones
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PERFORACIÓN PARA EL OVERCORING 6” Y 1.5”
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DISPOSICIÓN DE UN TIPO DE PERFORACIÓN PARA OVERCORING(d)
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EL ESTADO DEL ARTE POR SIMULACIÓN MATEMÁTICA
Una excavación Minera configura geometrías complejas, cuya solución en términos de distribución de esfuerzos y deformaciones no tiene solución exacta conocida.
Actualmente se recurre a softwares, para resolver por aproximación numérica, los esfuerzos y deformaciones en todo el continuo rocoso del yacimiento minero en estudio.