Por: A. Ambros, F. Calixto & A. Rigby, Institute of Mine Seismology, Canadá; C. Fernández Minera Aurífera Retamas, y J. Coca, Minera Carola.

Presentado en el 8° Simposio Peruano de Geoingeniería.

Resumen

Se han observado casos de eventos sísmicos tipo estallido en al menos un par de minas en Sudamérica en las que se han identificado características de estado de esfuerzos y geometría de excavaciones (labores y desarrollos) similares. El objetivo de este trabajo es explorar las causas de estos eventos. Para ello se modelarán diversos escenarios, con el propósito de evaluar la influencia de diferentes factores, como la geometría, el estado de esfuerzos y existencia de fallas o diques.

Introducción

En años recientes hemos estudiado algunos casos de eventos sísmicos complejos que provocan estallidos de roca y en los cuales se observa daño en múltiples niveles de desarrollo. Estos eventos sísmicos han ocurrido en diferentes minas en Sudamérica y han tenido el punto en común de localizarse cerca de planos de fallas.

En la ausencia de un sistema de monitoreo sísmico que permita estimar el mecanismo de fuente de estos eventos, los mismos han sido usualmente atribuidos a actividad de la falla cercana. Es decir, se han considerado como episodios de deformación inelástica ocasionados por el deslizamiento de roca sobre un plano de falla.

Sin embargo, con el acceso a nueva información generada por el número creciente de minas con sistemas de monitoreo sísmico se ha encontrado que este no es el caso. En los sistemas en los que se han observado este tipo de eventos, se ha estimado un mecanismo de fuente de tipo aplastamiento. Este tipo de eventos sísmicos están dominados por componentes implosivas asociadas al fracturamiento causado por la acción de los esfuerzos principales de forma convergente en las excavaciones.

Objetivos

ν Realizar un modelo de esfuerzos que represente los casos de estudio: un plano de falla atravesando varios niveles de una mina.

ν Analizar la influencia del plano de falla en el comportamiento del estado de esfuerzos local.

ν Determinar si la presencia del plano de falla favorece condiciones que puedan generar eventos de tipo estallido.

Metodología

Para determinar el efecto de los diferentes elementos que pueden ocasionar escenarios favorables para la generación de eventos sísmicos tipo estallido, se propone modelar numéricamente diferentes escenarios en los que se aíslen estos elementos.

Se plantea entonces tres modelo, en los que se realizarán variaciones en el estado de esfuerzos inicial, así como en la presencia de diques o fallas. El resultado de la modelación numérica del estado de esfuerzos para estos modelos será comparado con el de un caso real. De esta forma, se analizará la influencia de las fallas y la geometría en la generación de condiciones favorables para la ocurrencia de eventos tipo aplastamiento.

El primer modelo, mostrado en la Figura 1 representa dos labores y tres niveles. Para este modelo se considerarán tres simulaciones: una sin mayores variaciones, otra en la que se considera el evento de una falla vertical que pasa en medio de las dos labores y otra más en la que en lugar de la falla se considera un dique hecho de un material más competente que el macizo rocoso.

El segundo modelo se representa en la Figura 2. Este tiene como objetivo explorar el efecto de una geometría planar inclinada. Para este escenario se explorará el efecto de una falla perpendicular a la labor.

El tercer modelo se presenta en la Figura 3. Para este caso se investigará el efecto de tener desplazamiento en una labor, como la mostrada en la Figura 2, causado por una falla.

Los resultados de la modelación numérica del estado de esfuerzos para los Modelos 1, 2 y 3 serán comparados con los resultados obtenidos en un caso real, en el cual se han observado eventos sísmicos de tipo estallido. De esta forma, se analizará cuáles son los factores que generan condiciones favorables para la generación de este tipo de eventos.

Resultados

En la Figura 4, se muestran los resultados para el Modelo 1, únicamente labores y desarrollos. Se consideraron los siguientes esfuerzos in situ. 33 MPa para el esfuerzo principal mayor (σ₁) con un azimut de 126° y un buzamiento de 23°. Para el esfuerzo principal intermedio (σ₂) 18.5 MPa. Finalmente, para el esfuerzo principal menor, 8.5 MPa con un azimut de 32°.

El Modelo 1b, se presenta en la Figura 5 y muestra los resultados del Modelo 1a, pero considerando la presencia de una falla vertical entre las dos labores. Esta falla está compuesta de un material más suave que el macizo rocoso y se espera que reconfigure la orientación de los esfuerzos locales.

En la Figura 6, se muestra el Modelo 1c. Este representa los resultados del modelamiento de esfuerzos para el Modelo 1, pero considerando la presencia de un dique vertical entre las dos labores, compuesto de un material más competente que el macizo rocoso. Para todos los casos del Modelo 1 se consideran los mismos esfuerzos in situ.

Las Figuras 7 y 8 muestran los resultados para el Modelo 2. La primera solo considera los rebajes y labores, mientras que la segunda incluye además una falla perpendicular que atraviesa el rebaje. Para esta falla se considera un material más suave que el macizo. Los esfuerzos in situ tomados en cuenta para los Modelos 2a y 2b son: σ₁ = 30 MPa, σ₂ = 20 MPa y σ₃ =15 MPa. El azimut de σ₁ es 200° con un buzamiento de 2°. σ₃ tiene un azimut de 3°.

Las Figuras 9 y 10 muestran los resultados del modelamiento para el Modelo 3. En la Figura 9 solo se tienen labores y desarrollos mientras que en la Figura 10 se añadió una falla perpendicular a la labor. De forma análoga a los casos anteriores, se usó un material menos competente para la falla. Para estos modelos se consideraron los siguientes valores para los esfuerzos principales in situ: 30 MPa, 20 MPa y 15 MPa. Como en los Modelos 2a y 2b, el azimut de σ₁ es 200° con un buzamiento de 2°. σ₃ tiene un azimut de 3°.

Análisis y Conclusiones

1. La Figura 11 muestra los resultados del modelamiento de esfuerzos para una mina real. Los planos han sido removidos para mantener la anonimidad de la misma. En esta unidad ocurrieron eventos sísmicos de tipo estallido en los niveles centrales donde se observan valores elevados para σ₁. Estos eventos sísmicos tuvieron un mecanismo de fuente de tipo implosivo (también llamado aplastamiento) dominado por componentes convergentes hacia el interior de las excavaciones, y son causados por la acción de los esfuerzos principales sobre las mismas. Es decir, la acumulación de valores elevados para σ₁ es una medida indirecta de condiciones favorables a este tipo de eventos.

2. Los resultados observados en las Figuras 5 y 6 muestran poca variación con respecto a los presentados en la Figura 4. Particularmente en el caso de la falla (Modelo 1b) prácticamente no se observan cambios. En el caso del Modelo 1c se advierte una acumulación ligeramente mayor de esfuerzos en la intersección del nivel inferior con el dique. El objetivo de este primer ensayo era observar el comportamiento de σ₁ al insertar unidades de menor y mayor competencia que la roca huésped. Se esperaba que la falla cambiara la dirección de los esfuerzos hacia las labores y que los concentrara sobre los desarrollos. La primera premisa fue descartada ya que casi no se observaron cambios. La segunda fue confirmada, aunque el efecto fue mínimo.

3. El Modelo 2 se planteó para identificar el efecto de la geometría. Para el caso del Modelo 2b se deseaba observar además el efecto de una falla a través de la labor. Al comparar la Figura 8 con la 7 se advierte la generación de zonas de bajos esfuerzos a lo largo de la falla, particularmente cuando la falla se aleja de la labor. Sin embargo, el cambio de dirección de los σ₁ causada por la falla es opacado por el efecto de los bordes de la labor. En este ejemplo los bordes superior e inferior de la labor son los conductores principales del estado de esfuerzos.

4. Para analizar el efecto de los bordes observado en el Modelo 2 se planteó el Modelo 3. En este se extendió la longitud de la labor y se creó una discontinuidad, que puede ser explicada por la acción de una falla. Las Figuras 9 y 10 muestran que nuevamente son los bordes de las labores tabulares las que dominan la dirección de los esfuerzos. La Figura 10 revela que la falla solo tiene efecto en el estado de esfuerzos en zonas alejadas de la labor. Asimismo, se nota una pequeña acumulación de esfuerzos en la discontinuidad de ambas labores.

5. Este es un análisis simplificado que busca entender el rol de elementos simples como la geometría y la presencia de unidades más o menos competentes. Los resultados indican que considerar únicamente estos elementos no es suficiente para recrear condiciones similares a las observadas en la Figura 11. Sin embargo, es posible seguir construyendo sobre estos modelos para generar condiciones similares a las de la Figura 11. El análisis actual se limitó a estudiar los esfuerzos en zonas cercanas a la labor, sin embargo, la concentración de esfuerzos en los bordes de los elementos simulados sugiere que considerar elementos más pequeños como pilares o desarrollos pueden crear dichas condiciones.

Agradecimientos

Se agradece a la mina anónima que facilitó la información para la realización de este trabajo.