material de estudio - parte i

7/27/2019 Material de Estudio - Parte i

1/35

1

INTERCADE

CONSULTANCY & TRAINING

www.intercade.org

PLANEAMIENTO DE PERFORACIONY VOLADURA DE ROCAS

Ph. D. Carlos Agreda TurriateConsultor Intercade

2

PLANEAMIENTO DE PERFORACION YVOLADURA DE ROCAS

P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade


2/35

2

INTERCADE


www.intercade.org

3

PLANEAMIENTO DE PERFORACION YVOLADURA DE ROCAS

Introduccin

En la actualidad, la industria minero-metalrgica es

importante en el desarrollo del Per; la cual atraviesa una

etapa de constante crecimiento debido a distintos

factores, tal es el caso de la gran demanda internacional


,

mejoras tecnolgicas tanto para el proceso de explotacin

como en la etapa de tratamiento metalrgico.

4

Dentro de este proceso productivo, existen diferentes etapasantes, durante y despus de la operacin minera en general.Una de las ms importantes est dentro de la etapa deexplotacin: el ciclo de minado. Es aqu donde seencuentran las operaciones de perforacin y voladura,siendo estas las primeras que se realizan en este ciclo.Teniendo en cuenta que la fragmentacin obtenida como elproducto de las operaciones mineras unitarias binomiales deperforacin y voladura es la variable aleatoria ms

-


varios investigadores a nivel mundial han dedicado su vida ainvestigar las operaciones mineras unitarias mencionadasanteriormente.


3/35

3

INTERCADE


www.intercade.org

5

Por otro lado, se sabe que las formas ms frecuentes deatacar al macizo rocoso son las siguientes:

Con la energa mecnica producida por la perforadora. Con la energa fisicoqumica producida por la detonacin

de una MEC.En este mdulo se describir, analizar y discutir el ataquemecnico al macizo rocoso por la operacin minera unitariade perforacin.Se debe mencionar que tambin existen otras metodologaspara atacar al macizo rocoso: fuego, energa elctrica e


r u ca; o en en o me ores resu a os e ragmen ac nde la roca con la energa fsico-qumica producida por la

detonacin de una MEC.

6

PLANO TOPOGRAFICO



4/35

4

INTERCADE


www.intercade.org

7

Perforacin

Voladura

Mineralin situ

Fragmentacin

Fragmentacin

DIAGRAMA CONCEPTUAL

N. 1

acarreo

Chancadoraprimaria

Conveyor

Chancadora

Transporte

Fragmentacin

Transporte

ues ra c mo a var a e

aleatoria fragmentacin

interrelaciona a todas las

operaciones de un complejo

minero-metalrgico.

P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade7

secundaria

Molienda

Siguientes etapas delprocesamiento de

minerales

Fragmentacin

Fragmentacin

8

PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION



5/35

5

INTERCADE


www.intercade.org

9

Introduccin

PLANEAMIENTO DE LA PERFORACION

,debe conocer al macizo rocoso en toda su dimensin en lossiguientes trminos:

Mecnica de rocas Geomecnica Geolo a estructural, etc.


Como se sabe, el macizo rocoso es totalmente aleatorio;cuanto ms se conozca el macizo rocoso, se obtendrmejores resultados: fragmentacin de la roca.

10

Modelogeolgico ModelogeomecnicoModelo

matemtico

Caractersticas de la muestrade roca intacta

Clasificaciones geomecnicas

Estado de la tensin de los

Anlisis de tensiones

Relaciones tenso-escr pc n e as

discontinuidades

Caracterizacin del macizorocoso

Sondajes

Hidrogeologa

Mtodos geofsicos

macizos rocosos

Resistencia de los macizosrocosos

deformacionales

Diseo de excavaciones

Diseo de los sistemassostenimiento


Litologa

Meteorizacin

Estructuras geolgicas

Caractersticas geomecnicasde las discontinuidades, etc.

Calidad del macizo rocoso

Tensiones naturales

Propiedades mecnicas de lasdiscontinuidades

Propiedades mecnicas de losmateriales, etc.

Equilibrio lmite

Modelos continuos

Modelos discontinuos


6/35

6

INTERCADE


www.intercade.org

11

Propiedadesfsicas

MECANICA DE ROCAS

Mecnicade rocas

Propiedadesmecnicas

Teora de


Teora de laelasticidad

12

Las caractersticas fsico-mecnicas del macizo rocoso semencionarn en forma general.

MECANICA DE ROCAS

Densidad

Propiedades fsicas )/( 3mgDensidadVolumen

naturalPeso

Gravedad especfica (G)

P h.D. - Carlos Agreda - [email protected] - Consultor Intercade1

Porosidad (n)

Permeabilidad, etc.


7/35

7

INTERCADE


www.intercade.org

13

PROPIEDADES MECANICAS

Ensayo de compresin uniaxial

Ensayo de carga puntualEnsayo de corte directonsayo para a e erm nac n e cons an es e s cas

Ensayo de compresin triaxialEnsayo de traccin indirecta (brasilero)


14

TEORIA DE LA ELASTICIDAD

La teora de elasticidad aplicada para el diseo deestructuras rocosas

Para el diseo de estructuras rocosas, se ha venido

asumiendo las propiedades elsticas de la roca y llevar

acabo dicho anlisis matemtico basado en la teora de la

elasticidad. Tales diseos a veces son exitosos, otros

parcialmente en caso de taludes y cimentaciones.


Por lo tanto, es muy importante definir los lmites de

aplicabilidad de la teora de la elasticidad para el diseo en

estructuras rocosas.


8/35

8

INTERCADE


www.intercade.org

15

Se ha mostrado por definicin de la elasticidad que las

rocas no son puramente elsticas, pero que algunas tienen

propiedades deformacionales aproximadamente a la forma- ,

grano fino y rocas masivas con bajos niveles de esfuerzos.

Por lo dicho anteriormente, se debe establecer el

conocimiento de que las rocas por naturaleza son

normalmente discontinuas, conteniendo varios tipos de


scon nu a es geo g cas es ruc ura es ac asas, a as,

contactos, estratos, etc.) que adems pueden contener

agua en cantidades variables.

16

Para la determinacin de los lmites de la teora de laelasticidad, se debe tener en cuenta algunos factores de

las estructuras de la roca.

Sin embargo, generalmente se debe seguir ciertos

lineamientos ya establecidos.

Las estructuras rocosas cercanas a la superficie no

debern ser tratadas como un medio elstico continuo,


no obstante que las propiedades del material rocoso

(muestra) pueden ser cercanamente elsticos, a menos

que est presente un mnimo de discontinuidades.


9/35

9

INTERCADE


www.intercade.org

17

Para el criterio de diseo en un macizo rocoso, se debe

tener en cuenta la friccin y las discontinuidadesestructurales.

Las estructuras rocosas con algunas fracturas

cercanamente ubicadas no debern ser tratadas como un

medio elstico continuo.

Las rocas con E < 5 x 105 kg/cm2 no debern ser


consideradas como un medio elstico, excepto tomando

ciertas precauciones.

18

E

El mdulo de elasticidad de Young (E)

E: mdulo de elasticidad o modulo de Young: esfuerzo

CONSTANTES ELASTICAS

z

x

3

23

3,

KModulusBulk

: deformacinLa relacin Poisson () ndice de bulk o compresibilidad


Modulo de rigidez (G) Constante de Lame ()

)1(2

EG

)21)(1(

E


10/35

10

INTERCADE


www.intercade.org

19

TEORIA DE FALLAS

Para el presente curso, solo se mencionarn las teoras defallas propuestas por los investigadores, porque estas ya

Criterio de falla de Mohr (roca sin cohesin)Criterio de falla de Coulomb

.

Cabe enfatizar que la teora ms usada es la de Hoek &Brown.


-Criterio de falla de Griffith

Criterio de falla de Griffith (modificado)Criterio de falla de Hoek & Brown

20

An empirical criterion of failure defined by the envelope to aseries of Mohrs circles: A. direct tension; B. Brazilian; C.

unconfined compression; D. triaxial compression.



11/35

11

INTERCADE


www.intercade.org

21

The Mohr-Coulomb failure criterion with a tension


22

Comparison of empirical of envelope and Mohr-Coulomb

criterion in the tensile region. Inside the ruled region, the Mohr-Coulomb criterion with tension cutoff overestimates the stength.



12/35

12

INTERCADE


www.intercade.org

23


24

ANALISIS DE LOS ESFUERZOS YDEFORMACIONES DEL MACIZO ROCOSO

Las propiedades mecnicas de las rocas son gobernadas por la reaccinde estas a las fuerzas, actuando sobre ellas.

s os es uerzos n ucen a a roca un es a o e a am en o, una can acon la dimensin de fuerza por rea unitaria, y un estado dedeformacin, una cantidad adimensional expresando la deformacin entrminos de la dimensin original.

La relacin entre esfuerzo y deformacin en un material idealizado formala base de las teoras matemticas de elasticidad, viscosidad y reologa;las cuales pueden a su vez ser aplicadas a materiales reales (en este


de fuerzas definido.

El entendimiento de los esfuerzos y deformaciones y, de los principalesesfuerzos y el anlisis de las deformaciones es, por lo tanto, muyimportante para el ingeniero encargado de disear excavaciones dentrodel macizo rocoso.


13/35

13

INTERCADE


www.intercade.org

25

Es la fuerza interna por unidad de rea cuando dicha rea

tiende a cero.

s uerzo norma . s a componente norma e

esfuerzo: la componente perpendicular al plano sobre el

cual acta el esfuerzo.

Esfuerzo tangencial (). Es la componente tangencial del


esfuerzo: la componente paralela al plano sobre el que

acta el esfuerzo.

26

Considerando la siguiente figura, se puede escribir lo

ESFUERZOS Y DEFORMACIONESAXIALES

Esfuerzo axialA

PstreesAxial A :


Deformacin axialL

LstrainAxial A

:


14/35

14

INTERCADE


www.intercade.org

27

A

A vs. A para rocas elsticas ideales, lascuales no son isotrpicas.

DescargandoA

ASlope


Cargando

A

28

A

L

P

L


Cuando se obtienen taludes muy inclinados, es por que lacarga actu muy rpidamente sobre el espcimen.

La mayora de las rocas no son idealmente elsticas.


15/35

15

INTERCADE


www.intercade.org

29


30

GEOMECANICA



16/35

16

INTERCADE


www.intercade.org

31

RQD

D. Deere

Palmstrm

ndice de calidadgeomecnica delmacizo rocoso

Hudson

RMR Bieniawski

Q

RSR Wikham

N. Barton


RMi

GSI Hoek &Marinos

Palmstrom

32

DEFINICION

Segn Bieniawski, es la ciencia e ingeniera que estudialos suelos los materiales rocosos lo mismo ue a losmacizos rocosos. Este es un campo de prcticaprofesional e investigacin que trata de lo anteriormentemencionado.

La geomecnica contribuye a un nmero de disciplinastales como Ingeniera de Minas, Civil, Geolgica, Petrolera


.disear y construir algunos proyectos, tales como minas,tneles, cimentaciones, estabilidad de taludes, piques,perforaciones en la bsqueda de petrleo y gas, etc.


17/35

17

INTERCADE


www.intercade.org

33

La geomecnica permite mejorar ambos: el ambiente dondevivimos y la calidad de vida de los habitantes del planeta

Tierra.

Conocer las caractersticas geomecnicas de las rocaspara minimizar y/o evitar el deslizamiento de los taludes.


34

CARACTERIZACION GEOMECANICA DELMACIZO ROCOSO

Para utilizar el mapeo geolgico y geomecnico de las,

cuantificar sus efectos en el proceso de excavacin de dichomacizo.

A nivel mundial, existen diversos sistemas de clasificacin ycaracterizacin del macizo rocoso, pero los ms usados son

los si uientes:


Rock Quality Designation (RQD-Index)Rock Mass Rating System (RMRs-value)Rock Mass Quality (Q System-value)


18/35

18

INTERCADE


www.intercade.org

Estos sistemas han sido desarrollados principalmente paraevaluar la reduccin de la estabilidad de un macizo rocosointerceptado por algunos planos.

Sin embargo, ellos tambin pueden proveer cierta ayuda

rocoso durante el proceso de excavacin.

36

ROCK QUALITY DESIGNATION RQD

El gelogo norteamericano D. Deere, que desarrollaba sutrabajo profesional en el mbito de la mecnica de rocas,postul que la calidad estructural de un macizo rocosopue e ser es ma a a par r e a n ormac n a a por arecuperacin de testigos intactos. Sobre esta base proponeel ndice cuantitativo RQD (Rock Quality Designation).

El RQD se define como elporcentaje de testigos

recuperables con una longitud


mayor o igual a 10 cm.


19/35

19

INTERCADE


www.intercade.org

37

Basndose en los rangos de los valores del RQD, el macizo

10010

x

totalLongitud

cmtestigosdetotalLongitudRQD

rocoso puede ser caracterizado segn la valoracinsiguiente:

RQD (%) Calidad de la roca

100-90 Muy buena


- uena

75-50 Mediana

50-25 Mala

25-0 Muy mala

38



20/35

20

INTERCADE


www.intercade.org

39

En caso que no se cuente con testigos adecuados,Palmstrm (1982) propone que el RQD puede ser calculado,definiendo un RQD superficial segn la siguiente expresin

matemtica:

Jv: nmero de contactos por m3

Jv: Jx + Jy + JzPara Jv < 5 RQD = 100


(%)3.3115 vJxRQD

40



21/35

21

INTERCADE


www.intercade.org

41

Priest y Hudson (1976) proponen el RQD, el cual puedeser calculado usando la siguiente expresin matemtica:

.. e

idadesdiscontinuN.

Donde


m

42



22/35

22

INTERCADE


www.intercade.org

43

Desarrollado en Sudfrica por Z. T.Bieniawski en 1973 y posteriormente

RMR (ROCK MASS RATING) DE BIENIAWSKI1979

modificado por l mismo en 1976 y en1979. Tambin es conocido como CSIR(South African Council for Scientific andIndustrial Research) (Consejo de fricadel Sur para la Investigacin Cientfica eIndustrial).


Actualmente, se usa la edicin de 1989 que coincide

sustancialmente la con de 1979. Para determinar el ndiceRMR de calidad de la roca, se hace uso de los parmetrosdel macizo rocoso que se mencionan posteriormente.

44

ROCK MASS RATING SYSTEM (RMRS)Esta caracterizacin ingenieril de los macizos rocososutiliza los siguientes seis parmetros, los cuales sonmedibles en el campo y tambin pueden ser obtenidos dela base de datos (laboratorios).

1. Resistencia compresiva uniaxial del macizo rocoso (Sc)

2. Designacin de calidad de roca (RQD)

3. Espaciamiento de las discontinuidades


.

5. Condicin de agua subterrnea

6. Orientacin de las discontinuidades


23/35

23

INTERCADE


www.intercade.org

45

Valores de los cinco parmetros que intervienen

1. Resistencia a la compresin de la roca alterada:Bieniawski emplea la clasificacin de la resistencia a lacompres n un ax a e a roca que proponen eere yMiller, como alternativa se podr utilizar la clasificacinde carga de punta para cualquier tipo de roca, excepto lamuy frgil.

2. RQD: ndice de calidad de la roca segn Deere y Miller.


3. Espaciamiento de las discontinuidades: es decir, de las

fallas, de los planos de estratificacin y otros planos dedebilidad.

46

4. Condiciones fsicas y geomtricas de lasdiscontinuidades: este parmetro toma en cuenta laseparacin o abertura de las fisuras, su continuidad, larugosidad de su superficie, el estado de las paredes

discontinuidades.

5. Presencia de agua subterrnea: se intenta medir lainfluencia del flujo de las aguas subterrneas sobre laestabilidad de las excavaciones en funcin del caudal

ue existe en la excavacin , de la relacin entre la


presin del agua en las discontinuidades y el esfuerzoprincipal.


24/35

24

INTERCADE


www.intercade.org

47

El valor del RMR se calcula de la siguiente manera:

Valor de un parmetro individual

654321 RMR

Las siguientes clases de los macizos rocosos son definidospor el valor RMR:

RMR Clase N. Clasificacin

100-81 I Roca muy buena

81-60 II Roca buena


60-41 III Roca regular

40-21 IV Roca pobre

< 20 V Roca muy pobre

48



25/35

25

INTERCADE


www.intercade.org

49

Ensayo de Carga Puntual

(Mpa)

> 10 4 - 10 2 - 4 1 - 2Valores bajos, efectuarensayos compresin

uniaxial

Resistencia

rocaintacta

Compresin Simple(Mpa)

> 250 100 - 250 50 - 100 25 - 50 5 - 25 1 - 5 < 1

1

Valoracin 15 12 7 4 2 1 0

TABLA I

RQD 90% - 100% 75% - 90% 50% - 75% 25% - 50% < 25%2

Valoracin 20 17 13 6 3

Separacin entre diaclasas (m) > 2 0.6 - 2 0.2 - 0.6 0.06 - 0.2 < 0.063


Estado de las diaclasas

Muy rugosas,discontinuas,

cerradas, bordessanos y duros

Algo rugosas,separacin < 1mm, bordes

duros

Algo rugosas,separacin < 1mm, bordes

blandos

Espejos de falla,relleno < 5 mm,separacin 1 - 5mm, diaclasas

continuas

Relleno blando > 5 mm,separacin > 5 mm,diaclasas continuas

4

Valoracin 30 25 20 10 0


Caudal / 10mde tnel(l/min)

Nulo < 10 10 - 25 25 - 125 > 125

Presin de agua 0 0 - 0.1 0.1 - 0.2 0.2 - 0.5 > 0.5

Aguafretica

Estado general SecoLigeramente

hmedoHmedo Goteando Fluyendo

5


50

CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO

POR N. BARTON.Este sistema es uno de los ms usados en nuestro medio,debido a la interrelacin con el sistema de clasificacin deBieniawski RMRs . Primero se calcula el RMRs lue o sedetermina el valor de Q.

Un sistema estructural de macizosrocosos, orientado tambin a servir enla construccin de tneles, fuedesarrollado por Barton, Lien y Lunden;

investi adores del NGI Norwe ian


Geotechnical Institute) que se basaronen extensivos estudios en macizosrocosos y en un gran nmero de casosde estabilidad de excavacionessubterrneas.


26/35

26

INTERCADE


www.intercade.org

51

RQD : parmetro definido por Deere (1964)Jn : nmero de contactos

El sistema propuesto considera seis parmetros para definirla calidad de un macizo rocoso, que son los siguientes:

Ja : nmero de alteracinJw : condicin de agua subterrnea

SRF : factor de reduccin del esfuerzo(stress reduction factor)

Para calcular el ndice Q se usa la siguiente expresin


SRFJx

JJx

JRQDQ w

a

r

n

52



27/35

27

INTERCADE


www.intercade.org

53

El valor de Q puede variar aproximadamente entre 0,001 y1000. Dentro de este rango se definen nueve calidades deroca, tal como se muestra en la tabla siguiente:

Calidad de roca Q. - .

Extremadamente mala 0.01-0.1

Muy mala 0.1-1.0

Mala 1.0-4.0

Regular 4.0-10.0


. - .

Muy buena 40.0-100.0

Extremadamente buena 100.0-400.0

Excepcionalmente buena 400.0-1000.0

54

CORRELACION ENTRE EL RQD, EL RMRS Y

EL Q SYSTEM

Resistencia, rigidez, tamao del bloque,integridad estructural estabilidad, vida til, etc.

RMR 5

Q 9

100

10000.001

0

Barton

Bieniawski

Clasificacin


RQD 51000 Deere


28/35

28

INTERCADE


www.intercade.org

55

GEOLOGICAL STRENGTH INDEX DEHOEK & MARINOS (2000)

El GSI (geological strength index) se basa enestimaciones cualitativas al igual que el RMR.The Geological Strength Index toma en cuenta del macizorocoso lo siguiente:a) La estructura del macizo rocoso considera el grado de

fracturamiento o la cantidad de contactos por metrolineal.1. Roca masiva o levemente fracturada (LF)


2. Roca moderadamente fracturada (F)3. Roca muy fracturada (MF)

4. Roca intensamente fracturada (IF)5. Roca triturada o brechada (T)

56

b) La condicin superficial del macizo rocoso, tal como la

resistencia de la roca intacta y las propiedades de las

discontinuidades: resistencia, apertura, rugosidad,

relleno y la meteorizacin o alteracin.

1. Roca muy buena (MB)

2. Roca buena (B)

3. Roca regular (R)


4. Roca mala (M)

5. Roca muy mala (MM)


29/35

29

INTERCADE


www.intercade.org

57


58

COMPARACION DE LOS METODOS DEBIENIAWSKI VS. BARTON

La caracterizacin del macizo rocoso propuesta porBieniawski y Barton es de inters especial, puesto queincluye suficiente informacin para poder evaluar losparmetros del macizo rocoso que tienen influencia en laestabilidad de una excavacin subterrnea como entaludes en roca.

Bieniawski da ms im ortancia a la orientacin a la


inclinacin estructural de la roca y ninguna a los esfuerzosen la roca.


30/35

30

INTERCADE


www.intercade.org

59

Barton no incluye o no considera el factor de la orientacinde los contactos, pero s considera las propiedades de los

sistemas de contactos ms desfavorables al evaluar larugosidad de los contactos y su grado de alteracin. Ambosrepresentan la resistencia al esfuerzo cortante del macizorocoso.

Estos dos sistemas sealan que la orientacin y lainclinacin de las estructuras son de menos importancia, yla diferencia entre favorable y desfavorable es adecuadaara los casos rcticos.


Existen algunos materiales como la pizarra que tiene

caractersticas estructurales tan importantes que tienden adominar el comportamiento de los macizos rocosos.

60

En otros casos, grandes bloques quedan aislados por

discontinuidades y causan problemas de inestabilidad

durante la excavacin, para estos casos los sistemas de

clasificacin descritos sern quizs no adecuados y se

necesitarn consideraciones especiales para la relacin

entre la geometra del macizo rocoso y la excavacin.

Cuando se trata de rocas de muy mala calidad, rocas


, ,

clasificacin de Bieniawski es poco aplicable.


31/35

31

INTERCADE


www.intercade.org

61

Por tanto, en este tipo de rocas extremadamente malas se

recurre al sistema de Barton. Cabe enfatizar que para

mayor seguridad, estas caracterizaciones se deben tomar

como guas y, es mejor aplicar ciencia y tecnologa con

modelos matemticos.


62

RECOMENDACIONESSe sabe que las diferentes caracterizaciones del macizorocoso que existen a nivel mundial, postuladas por losdiversos investigadores, son empricas. Por ello, se debentomar como tal; es decir, como una gua.

Estas caracterizaciones se han realizado en otros pasesde diferentes condiciones al Per.

Para que estas caracterizaciones dejen de ser empricas


e e acerse uso e os eren es mo e os ma em cosde la investigacin de operaciones y darles un cierto gradode confiabilidad.


32/35

32

INTERCADE


www.intercade.org

63

GEOLOGIA ESTRUCTURAL


64

GEOLOGIA ESTRUCTURAL

La geologa estructural est directamente relacionada conotras ramas de la geologa.



33/35

33

INTERCADE


www.intercade.org

65


66



34/35

34

INTERCADE


www.intercade.org

67


68



35/35

35

69


70

P h D - Carlos Agreda - cagreda@expo intercade org - Consultor Intercade

material de estudio - parte i

Documents