Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.

Por: Rolando Ruiz Romero, consultor Geomecánico Senior en BISA Ingeniería de Proyectos.

Introducción

El macizo rocoso posee un estado tensional, es necesario conocer y entender los cambios de este durante la ejecución de una obra para poder minimizar los efectos de los esfuerzos en problemas de estabilidad.

Los avances en el poder computacional han hecho que los métodos numéricos sean técnicas muy atractivas para la investigación de los estados de esfuerzos y sus implicancias en la estabilidad de labores subterráneas.

Objetivos

Determinar el comportamiento de los estados de tensión en el macizo rocoso de labores subterráneas en los diferentes estadios de una secuencia de minado utilizando software computacional de análisis numérico.

Metodología

El trabajo se dividió en tres partes:

Etapa 1

Recolección de información de propiedades del macizo rocoso, y la magnitud y orientación de los esfuerzos in situ del área de estudio.

El macizo rocoso ha sido caracterizado usando la clasificación geomecánica de Bieniawski (1989), en la Tabla 1 se muestra los tipos de macizo rocoso que son más predominante.

Etapa 2

Construcción de los modelos geométricos 3D en los diferentes escenarios de la secuencia de minado (esto incluye el avance de galerías, tajeos y con relleno detrítico).

Etapa 3

Análisis numérico por elementos finitos en los diferentes escenarios del minado, para determinar el comportamiento de los esfuerzos en el macizo rocoso.

Macizo rocoso

Conforme a la información revisada, el criterio de clasificación geomecánica utilizado en el área de estudio es el Rock Mass Rating (RMR) de Bieniawski, 1989. Se usó la correlación de Hoek and Brown (1997) (GSI=RMR₈₉-5) debido a que el GSI es input para el análisis por el método numérico.

En general la calidad de la masa rocosa es de Regular hasta Buena, siendo la calidad de las rocas de las cajas mejor que la veta mineralizada, sin embargo, debido a que la variación no es demasiada, se trabajó con un promedio para todo el macizo rocoso.

Parámetros geomecánicos

En el área de estudio se realizó diferentes ensayos de mecánica de rocas tales como pruebas de compresión uniaxial, de constantes elásticas, de compresión triaxial, de carga puntual, resistencia a la tracción de la roca intacta y ensayos por propiedades físicas, cuyos resultados en resumen se muestran en las Tablas 3 a la 5.

El resumen de los resultados obtenidos por los ensayos de compresión triaxial, debido a la homogeneidad del macizo rocoso (mineral y caja) se muestra en la Tabla 6.

Debido a la homogeneidad de la roca caja y el mineral se promediaron los resultados para obtener la Tabla 7.

Finalmente, con el objetivo de conocer el estado tensional se realizaron mediciones de esfuerzos in situ que se muestran en las Tablas 8 y 9.

Yacimiento y método de minado

El método de minado que más se adecúa al yacimiento según su tamaño, forma, posición, profundidad, distribución, propiedades geomecánicas, parámetros económicos y tecnológicos es el Sublevel Stoping con relleno detrítico.

El yacimiento se caracteriza por tener vetas de buzamiento alto (80° aproximadamente), con profundidades que llegan hasta 1 kilómetro, la calidad de la roca caja y de la veta son de regular (IIIB) a buena (II).

Medición de esfuerzos in situ

La medición de los esfuerzos se realizó con la metodología CSIRO Hollow Inclusión.

Resultados del análisis numérico

En las Figuras 1 a la 4 se muestra el análisis entre los niveles 3600 a 3750 y de la 5 a la

 8 entre los niveles 3750 y 3950, de las salidas obtenidas con el software RS3.

Del análisis numérico del software se corrobora por un evento sísmico que a lo largo de 100 m de galería del nivel 3975 se observó roca rota especialmente en los encuentros del techo con las paredes como consecuencia de una deformación repentina en las paredes como se observa en las Figuras 9, 10 y 11.

Entre las influencias en la estabilidad del macizo rocoso y los esfuerzos sobre las intersecciones entre los hastiales y la corona tienden a ser la persistencia de las juntas y espaciamiento de los conjuntos de juntas, o amplitud de ancho de la excavación (p.e.: > 7m de ancho) y geometría. Con un factor de Alteración de (D) 0.8, lo cual prevé problemas de deformación.

Los tipos de fractura comúnmente asociados con daño generado por tensión, podrían incluir: una rotura preferencial o deformación a lo largo de las esquinas de la galería (entre el hastial y la corona), astillado, ruido en la roca (working ground, descrito como cracs o estallidos), y sistemática acumulación de roca suelta por detrás de la malla en la corona. Observar Figura 12.

Daños evidenciados en el nivel 3780 focalizados en la parte superior de la pared e intersección con la corona.

Daños evidenciados en el nivel 6980 focalizados en la parte superior de la pared e intersección con la corona.

Conclusiones

1. Del análisis realizado se observa que los esfuerzos en las caras de las excavaciones hacia el centro de ellas tienden a ser tensionales generando desconfinamiento del macizo rocoso que pueden producir desprendimientos de bloques (ver Figura 6). Estos casos generalmente se van a producir en los stopes proyectados con minado de taladros largos.

2. Las zonas con mayor concentración de esfuerzo se presentan principalmente en la corona de las excavaciones y entre la parte superior e inferior de los hastiales (ver Figura 6).

3. Conforme a los resultados obtenidos en promedió se estima que en los niveles más profundos (Nv. 01) los esfuerzos máximos varían de 40 a 45 Mpa.

4. En el nivel 02 los esfuerzos máximos varían de 35 a 40 Mpa

5. En general los factores de esfuerzos se reducen hacia el centro de las caras de las excavaciones de mayor dimensión.

Recomendaciones

ν Considerando que se tienen puntos con alta concentración de esfuerzos en los niveles, se recomienda aplicar diseños de sostenimiento orientados a excavaciones con riesgo de estallido de roca usando elementos de sostenimiento como pernos dinámicos, malla electrosoldada, shotcrete y cable bolting.

ν Se recomienda continuar y expandir el sistema de monitoreo sísmico para el control de estallidos de roca.

ν Se recomienda aplicar la ley de Gutenberg-Richter en el programa de monitoreo sísmico, el cual consiste en generar un modelo que describe la sismicidad de una fuente sísmica atendiendo a la distribución de magnitudes de los sismos que en ella tienen lugar en base a la siguiente expresión (log(N) = a−bM), en donde a y b son constantes a determinar, el valor b es la pendiente de la curva y se reconoce como valor b o b-value. Este valor b nos puede ayudar a determinar zonas o áreas de riesgo con mayor probabilidad de ocurrencia de un evento sísmico de alto grado.

ν En función a los resultados que se obtengan en el análisis microsísmico que se realice usando la ley de Gutenberg- Richter se recomienda en las zonas de mayor criticidad sísmica se aplique un pre- refuerzo antes de ingresar con la excavación.

ν Tener en consideración que en el presente análisis se ha considerado un span máximo de 20 m., por lo que se recomienda mantener esta abertura máxima y respetar la secuencia del ciclo de minado complementado con el relleno.

ν El presente análisis se realizó considerando el relleno hidráulico, por lo que se recomienda que todos los stopes minados deben ser rellenados.

ν Para la mejor distribución de los esfuerzos en las excavaciones que se realicen tales como rampas, ventanas, subniveles y bypass se recomienda que las secciones de diseño sean circulares hacia la corona.

ν Realizar nuevas mediciones de esfuerzos in situ (especialmente entre los niveles 3500 a 3900).