LA MECÁNICA DE ROCAS EN MINERÍA SUBTERRÁNEA MILY

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    24-Jul-2015

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AGRADECIMIENTOA nombre de Plata Panamericana agradezco la oportunidad de venir a compartir con ustedes nuestra experiencia muy en particular de lo que hacemos y queremos lograr en nuestra mina La colorada; que estamos concientes que la minera subterrnea es una actividad, tan respetable, valiosa y segura para todos los que queremos y adoramos esta profesin.INTRODUCCINComo se define la temtica, es de fundamental importancia para la ingeniera de minas por que el acto de crear excavaciones para minar cambia los campos de fuerza del ambiente fsico de la roca. El estudio de la respuesta de la roca a estos cambios requiere de la aplicacin de tcnicas analticas especficamente desarrolladas para dicho propsito, los cuales ahora forman parte de la temtica. La mecnica de rocas forma parte de la amplia temtica de la geomecnica que se enfoca a la respuesta mecnica de todos los materiales geolgicos, incluyendo los suelos.LA MECNICA DE ROCAS APLICADA EN MINERA SUBTERRNEA 1. CONCEPTO La problemtica de la ingeniera mecnica en todos los diseos estructurales es la prediccin del comportamiento de la estructura bajo las cargas actuantes o durante su vida til. La temtica de la ingeniera de mecnica de rocas, como una prctica aplicada a la ingeniera de minas, es concerniente a las aplicaciones de los principios de la ingeniera mecnica al diseo de las estructuras de roca generadas por la actividad minera. Esta disciplina est estrechamente relacionada con las corrientes principales de la mecnica clsica y de la mecnica de materiales, pero hay varios factores especficos que la identifican como un campo distinto y coherente de la ingeniera. Principios de aplicacin de la mecnica de rocas en la minera subterrnea est basada en premisas simples y quizs evidentes en s: PRIMERO, se postula que a un macizo rocoso se le puede atribuir un sistema de propiedades mecnicas que pueden ser medidas en una prueba estndar o s que pueden ser estimados utilizando tcnicas establecidas. SEGUNDO, se afirma que el proceso de la explotacin minera subterrnea genera una estructura rocosa con huecos, elementos de soporte, estribos y que el funcionamiento mecnico de la estructura es favorable al anlisis utilizando los principios de la mecnica clsica. TERCERA, posicin es la capacidad de predecir y controlar el comportamiento mecnico de la roca encajonante en donde el proceso de minado puede garantizar o incrementar la seguridad y el comportamiento econmico de la mina.2. COMPLEJIDADES INHERENTES EN LA MECNICA DE ROCAS Se ha observado que la mecnica de rocas representa un juego de principios, un cuerpo de conocimiento y varios procedimientos analticos relacionados al campo general de la mecnica aplicada. La pregunta que surge es qu problemas mecnicos se presentan en los medios geolgicos, suficientes para justificar la formulacin o el reconocimiento de una disciplina coherente, dedicada de la ingeniera? Los cinco temas que se discutirn a continuacin determinan la naturaleza y el contenido de la disciplina e ilustra la necesidad de esforzarse en investigar y para desarrollar funciones y metodologas especificas en la ingeniera de minas.2.1. FRACTURAS EN LA ROCA La fractura en los materiales convencionales de ingeniera ocurren en un campo de tensin, algunas teoras sofisticadas han postulado la explicacin del comportamiento antes de la falla y despus de la falla del material. Los campos de esfuerzos que se encuentran en estructuras rocosas son de compresin, as que las teoras establecidas no son inmediatamente aplicables a la fractura en la roca. Existe una complicacin peculiar en la roca referente a la compresin que est asociada con la friccin del movimiento que se genera entre las superficies de las micro fracturas, las cuales son los lugares donde se originan las fracturas. Esto causa que la resistencia de la roca sea altamente sensible a esfuerzos de confinamiento, y genera dudas concernientes a la relevancia de los principios de normalidad, flujos asociados y la teora plstica en general dentro de los anlisis de esfuerzos y deformaciones antes de la falla en las propiedades de la roca. Un problema relacionado es el fenmeno de la localizacin, en el cual la ruptura en un medio rocoso se expresa como la generacin de uniones debidas a la intensa deformacin de cortante, separando los mbitos del material rocoso aparentemente sin alterar.2.2. EFECTOS DE LA ESCALA La respuesta de la roca a cargas impuestas muestra un efecto pronunciado en el tamao o escala de la carga. Este efecto es relacionado en parte a la naturaleza discontinua de los macizos rocosos. Las uniones y otras fracturas de origen geolgico estn presentes en los cuerpos rocosos, y de esta manera la resistencia y las propiedades de deformacin de los macizos rocosos estn influenciadas tanto por las propiedades del material rocoso (por ejemplo, la continuidad del macizo rocoso) y la variacin en las caractersticas estructurales. Estos efectos se pueden apreciar considerando varias escalas de carga como a los que los macizos rocosos se encuentran sometidos en la prctica de la minera. El proceso de la barrenacin generalmente refleja las propiedades de la resistencia de la roca intacta, puesto que el proceso funciona induciendo fracturas al material rocoso debajo de la herramienta de perforacin. Minando un cuele en roca con uniones puede reflejar las propiedades del sistema de uniones. En este caso, la seccin final de la abertura estar definida por el comportamiento de las uniones. El comportamiento de la roca en la periferia de la obra puede reflejar la presencia de pequeos bloques de roca, en los cuales la estabilidad est definida por la friccin y por otras fuerzas actuando sobre su superficie. En una escala ms grande, por ejemplo un pilar, las uniones del macizo pueden demostrar las propiedades de pseudo continuidad. Estas consideraciones sugieren que las especificaciones de las propiedades mecnicas de un macizo rocoso no tienen simple importancia. En particular, la inverosmil posibilidad de hacer pruebas en especmenes de rocas con uniones, a una escala suficiente para representar la continuidad equivalente satisfactoriamente, indica la necesidad de postular y verificar mtodos de sintetizar las propiedades del macizo rocoso para sus elementos constitutivos.abcEl efecto de la escala en la respuesta de la roca debida a cargas impuestas:a) Falla de un material rocoso debido a la barrenacin. b) Las discontinuidades controlan la forma final de la excavacin. c) Un pilar de mina opera de una forma pseudo continua.2.3. RESISTENCIA A LA TENSINo Las rocas se distinguen de todos los dems materiales comunes de ingeniera, a excepcin del concreto, por su baja resistencia a la tensin. o Los especmenes de roca probados en pruebas de tensin uniaxial han fallado a esfuerzos muy bajos en comparacin a los valores obtenidos en las pruebas a la compresin simple (UCS). o Debido a que las uniones y otras fracturas ofrecen poca o nula resistencia a la tensin, la resistencia a la tensin en un macizo rocoso puede asumirse como nula. o La implicacin de esta propiedad en diseos de excavaciones en roca es que ninguna zona identificada por el anlisis ser sujeta a esfuerzos de tensin, en la prctica, destensionarla, y causar re distribucin de esfuerzos locales. o La destensin puede dar como resultado una inestabilidad en la roca, lo cual se ver reflejado en desprendimiento espontneo o progresivo de la roca.2.4. EFECTOS DEL AGUA SUBTERRNEAEl agua subterrnea puede afectar el comportamiento mecnico de las rocas en dos sentidos. El ms obvio es el que ocurre en la operacin de la ley del esfuerzo efectivo. El agua bajo presin en las uniones que definen bloques reduce el esfuerzo normal efectivo entre las superficies de las rocas y por lo tanto reduce la potencial resistencia al corte.En las rocas porosas, como la arenisca, la ley del esfuerzo efectivo tiene un comportamiento igual que al de suelos granulares. El efecto de fisuras o poros de agua bajo presin reducen el esfuerzo ultimo del macizo, en comparacin con las condiciones que se presentan cuando se colocan drenes. Un efecto ms sutil del agua subterrnea sobre las propiedades mecnicas de las rocas puede surgir de la accin nociva del agua en determinadas rocas y minerales. Por ejemplo, la arcilla se muestra suave en presencia de agua, reduciendo el esfuerzo y aumentando la deformabilidad del macizo rocoso. Las rocas argilizadas, como las pizarras y las areniscas argilizadas, tambin demuestran una marcada reduccin en la resistencia de los materiales seguida de infusin en el agua (infusin.-accin de introducir en agua caliente ciertas sustancias orgnicas para extraer de ellas las partes solubles). La implicacin de los efectos del agua subterrnea en la resistencia del macizo rocoso son muy considerables para las prcticas de minera. Puesto que el comportamiento de la roca se pude determinar por su ambiente geohidrolgico, puede ser esencial en algunos casos mantener un control de las condiciones del agua subterrnea en el rea de la mina. Adems, puesto que las operaciones de relleno son importantes en algunas operaciones de explotacin de minas, se debe considerar cuidadosamente desde el punto de vista de las caractersticas de los esfuerzos bajo las condiciones variables del agua subterrnea.2.5. INTEMPERISMO El intemperismo se puede definir como la alteracin fsica o qumica de la superficie de la roca debido a las reacciones con los gases atmosfricos y soluciones acuosas. El proceso es anlogo a los efectos de la corrosin en materiales convencionales. El inters ingenieril del intemperismo se genera debido a su influencia en las propiedades mecnicas del material intacto, as como la potencialidad del efecto significativo del coeficiente de friccin en la superficie de la roca. Parece que mientras el intemperismo causa una reduccin constante en las propiedades de la roca, el coeficiente de friccin de una superficie puede sufrir una reduccin. A pesar de que los procesos fsicos como el ciclo termal y la insolacin pueden ser importantes en la minera a tajo abierto, el proceso del intemperismo subterrneo es en su mayor parte de origen qumico. Esto incluye disolucin y el fenmeno de cambio de iones, oxidacin e hidratacin. Algunos efectos del intemperismo son fcilmente apreciables, como la disolucin de calizas en un ambiente de alteracin debido al agua subterrnea. En otros casos, como en la oxidacin de la pirrotita, la susceptibilidad de algunas formas de minerales a un rpido ataque qumico no est totalmente comprendido. Otro problema de alteracin se presenta en rocas bsicas que contienen minerales como el olivino y piroxenos. La hidrlisis produce montmorilonita, la cual es una arcilla expansiva con un comportamiento mecnico especialmente intratable. Esta discusin no identifica todos los trminos a considerar. Sin embargo, es claro que este tema (el intemperismo) trasciende el dominio de la mecnica aplicada tradicional y necesita incluir un nmero de temas que no tienen que ver con ninguna otra disciplina de la ingeniera.3. MINERA SUBTERRNEA La extraccin de minerales mediante minera subterrnea envuelve la generacin de diferentes tipos de aberturas, con un considerable rango de funciones. En una mina convencional se puede tener: tiros, niveles de acarreo, contra frentes, cruceros de extraccin, cmaras de bombeo, tiros de ventilacin y entradas de aire que constituyen desde accesos a la mina hasta excavaciones para servicios. Su vida til es comparable o en ocasiones excede la vida del depsito por ser minado y normalmente este tipo de obras se lleva a cabo en las tablas del depsito (roca estril). Las obras de servicio y las de operaciones directamente asociadas con la recuperacin del mineral que consisten en cruceros de extraccin, frentes, contra pozos de acceso y metaleras, desde donde o en los cuales se lleva a cabo varias operaciones de produccin. Estas obras se llevan a cabo en la zona mineralizada o en zonas estriles cercanas al depsito mineral y su vida til est limitada a la duracin de la actividad del minado en su vecindad inmediata. Muchas obras van siendo eliminadas conforme se va minando. El tercer tipo de obras subterrneas son las que se encuentran en el depsito mineral. Puede ser un rebaje, con unas tablas bien definidas formando los limites geomtricos del hueco minado, el cual aumenta de tamao conforme se va minando. Alterno a esto puede ser que el rebaje tal vez tenga relleno de fragmentos con unos lmites pobremente definidos, que normalmente coinciden con los lmites del depsito. Las zonas fragmentadas son generadas por disgregacin inducida. La vida til de cualquier tipo de estas obras (rebajes) est definido por la duracin de la actividad de la extraccin del mineral. Independientemente del sistema de minado subterrneo que se adopte para la extraccin de mineral, es posible especificar cuatro objetivos comunes de la mecnica de rocas para una buena ejecucin de la estructura del minado, y para los tres tipos de obras subterrneas que se describieron anteriormente. Estos cuatro puntos son: Asegurar la estabilidad total de la estructura completa de la mina, definida por los rebajes y los huecos minados, mineral por minar y la roca estril adyacente. Proteger las obras principales de servicio de principio a fin segn la vida til con la cual se diseo.Proveer de accesos seguros a lugares de trabajo seguros, tanto en las zonas de produccin y como en sus alrededores. Preservar las condiciones de minado para las reservas sin minar. Es instructivo definir las diferencias significativas en operaciones referentes a excavaciones subterrneas diseadas para propsitos de ingeniera civil y aquellas excavaciones envueltas en la prctica de la ingeniera de minas sujetas a la entrada del personal de la mina. En el ltimo caso, el uso de cualquier obra est enteramente en bajo control de los operadores de la mina. Y durante su uso activo la superficie de la excavacin est sujeta a la virtual inspeccin continua del personal de la mina. Los trabajos de mantenimiento o de restauracin de las condiciones de seguridad alrededor de las obras subterrneas, tienen rangos que van desde amazice hasta mtodos de soporte y refuerzo, que se pueden realizar en cualquier momento, bajo la direccin del departamento de operacin o de planeacin de la mina. Adems de los diferentes limites de operacin para las excavaciones mineras y civiles, hay una marcada diferencia en la naturaleza de las estructuras generadas y esto afecta directamente la filosofa del diseo. La principal diferencia es que una estructura de roca de la ingeniera civil es reparable, considerando que una estructura minera contina su desarrollo desde el inicio hasta el fin de la mina. En el ltimo caso, la secuencia de los rebajes o del minado por bloques asume gran importancia. Las dediciones hechas en los primeros aos de la vida de la mina puede limitar las opciones y el xito de la mina, cuando se est buscando establecer una estrategia ordenada y efectiva para la extraccin o la recuperacin del mineral remanente.4. MECNICA DE SUBTERRANEASROCASENELSOSTENIMIENTODEMINAS4.1. GENERALIDADES DE LA PRESIN MINERA EN LOS TNELESUna mina es una estructura compleja que obedece un diseo de ingeniera, de geotecnia y de economa, donde las labores subterrneas principales las constituyen 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 dificultad su determinacin en la magnitud y en especial el efecto, por consiguiente el objetivo del presente trabajo radica en que induce a la observacin del comportamiento de la presin minera, para transformar el fenmeno natural en un modelo grfico que permita ver la incidencia sobre las paredes tanto laterales como en el techo y en especial determinar la forma y posicin del rea posible a desprenderse o genera bveda de 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 excavacin subterrnea. La magnitud del esfuerzo se puede determinar por diferentes mtodos y procedimientos que en la mayora de veces se convierten en una serie de operaciones matemticas.4.2.Con el manual se pretende que el ingeniero realice una buena observacin y anlisis del fenmeno que est calculando y as relacionar la magnitud del esfuerzo con el efecto e incidencia en la desestabilizacin de la labor minera. POR QUE DETERMINAR LA PRESIN MINERA? Una mina es una estructura compleja. Las labores subterrneas principales las constituyen tneles, la construccin desestabiliza el macizo rocoso. La 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.4.3. POR QU MODELAR UN FENOMENO NATURAL? El clculo de la presin minera presenta un alto grado de dificultad Induce a la observacin del comportamiento de la presin. Transforma el fenmeno natural en un modelo grfico determina la forma y posicin del rea posible a desprenderse y permite visualizar la bveda de carga.4.4. PARA QUE DETERMINAR LA PRESIN MINERA?o Disear y calcular el sostenimiento determinar el esfuerzo generado por el tnel que el ingeniero realice una buena observacin y anlisis del fenmeno. o Relacionar la magnitud del esfuerzo con el efecto e incidencia en la desestabilizacin de la labor minera. o OBJETIVO: Establecer 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.5. EXPRESIN DE LOS ESFUERZOS SECUNDARIOS EN UN TNEL MINERO Fuerza, esfuerzo, o peso que generan los bloques de las paredes 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. Los macizos rocosos son de composicin litolgica y propiedades fsicomec nicasheterogneas, por tal razn presentan un comportamiento impredeci ble pero puede asimilarse a modelos, para permitir los clculos de los esfuerzos generados ante la apertura de un tnel o excavacin subterrnea. Existen innumerables teoras producto de 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 ex presan magnitud y unidades de un fenmeno natural como es un esfuerzo actuando en una direccin determinada sobre un cuerpo heterogneo y anisotrpico.Es necesario que quien efecte los respectivos clculos considere que el proceso tiene varias etapas como lo son: Fundamentacin o formacin acadmica Toma de informacin, datos y muestras en el campo Anlisis y procesamiento del punto dos Mtodo de clculo empleado Resultados y anlisis