CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL TEMA
Foto 3.06 Planta de relleno hidráulico
CAPÍTULO IV
DESARROLLO DEL TEMA PROPUESTO
4.1 CONDICIONES GEOMECANICAS DE LA MASA ROCOSA
Dentro de los aspectos litológicos, las características litológicas de la masa rocosa involucrada fueron establecidas a partir de la información registrada del sondaje diamantino Nivel -1140 Pique 02. Según esta información:
Desde el inicio del sondaje hasta los 113.40 m de profundidad se presentan calizas en general, hay un primer tramo de caliza sola, luego caliza brechosa y el último tramo de caliza marmolizada.
Desde los 113.40 m hasta los 248,70 m de profundidad se presenta la roca intrusiva.
Desde los 248,70 m hasta los 377,50 m de profundidad hay presencia de calizas, conformada por caliza brechosa, caliza negra y caliza marmolizada.
Desde los 377,50 m hasta 468,60 m de profundidad hay presencia de mármol, con pequeños tramos de intrusivo y caliza negra.
Desde los 468,60 m hasta los 512,70 m de profundidad se presentan calizas, conformadas principalmente por caliza negra y caliza marmolizada.
4.1.1 Aspectos estructurales
Se intentó utilizar mecanismos de orientación de los testigos rocosos de los sondajes diamantinos exploratorios, pero por los altos esfuerzos existentes en el área de estudio no fue posible obtener buena información, por lo cual se desistió de su uso, esto significó no tener registro de discontinuidades estructurales en el eje del pique. La información estructural más próxima que se tiene disponible procede del mapeo geomecánico realizado por el personal de DCR Ingenieros S.R.Ltda., en los Niveles 1250 y 1280 con motivo del diseño de las excavaciones correspondiente al Hoistroom. Ver Figuras 4.01, 4.02 y 4.03.
Fuente: Departamento de Geomecánica
Fuente: Departamento de Geomecánica
Figura 4.02 Planos principales del compósito de estructuras
Fuente: Departamento de Geomecánica
Figura 4.03 Diagrama de roseta del compósito de estructuras
En la tabla 4.01, se presenta un resumen de los principales sistemas de discontinuidades que puede ser válido por lo menos para las calizas de la parte superior del pique.
Tabla 4 0 1:
Sistemas de discontinuidades estructurales
Sector Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4
Rumbo/ Buzam. Dir.Buzam./Buzam.
N04ºW/72ºNE N79ºW/45ºSW N68ºW/71ºNE N57ºE/75ºNW
086º/72º 191º/45º 022º/71º 327º/75º
Fuente: Departamento de Geomecánica
Los resultados indican que existen cuatro sistemas de
discontinuidades (diaclasas), tres principales y un secundario. El sistema 1 tiene rumbo NS y alto buzamiento al E. El sistema 2 tiene rumbo EW y bajo a moderado buzamiento al S, el tercer y cuarto sistema presentan rumbo NWW y NE con altos buzamiento al NE y NW, respectivamente.
4.1.2 Calidad de la masa rocosa
El sondaje diamantino Nivel -1140 02 realizado a partir del Nivel - 1140, ha permitido obtener parámetros geomecánicos para estimar la calidad de la masa rocosa presente. Para ello el personal del Departamento de Geomecánica de mina El Porvenir, ha realizado el logueo geotécnico de los testigos rocosos del sondaje en mención, donde se ha determinado las calidades de masas rocosas presentes en distintos tramos del sondaje (ver Anexo 1).
Para determinar la calidad de la masa rocosa, se ha utilizado el Criterio de Bieniawski (1989) con la modificación considerada según lo indicado en la Tabla 4.02.
Tabla 4 0 2:
Criterios para la clasifiación de la masa rocosa
Tipo de roca
Rango RMR Rango Q Calidad según RMR
II > 60 > 5.92 Buena
IIIA 51 – 60 2.18 – 5.92 Regular A
IIIB 41 – 50 0.72 – 1.95 Regular B
IVB 21 – 30 0.08 – 0.21 Mala B
V < 21 <0.08 Muy Mala
Fuente: Departamento de Geomecánica mina El Porvenir
Según este criterio, la calidad de la masa rocosa encontrada a lo largo del eje del pique varía en un rango amplio. Los porcentajes de ocurrencia de estos tipos de roca según su calidad son los siguientes (ver tabla 4.03):
Tabla 4 0 3:
Porcentaje de ocurrencia de calidades de masa rocosa en el eje del pique
Tipo de roca Rango RMR Calidad según RMR RMR promedio Ocurrencia Longitud (m) II > 60 Buena 63 7 % 37.8 IIIA 51 – 60 Regular A 55 33 % 167.2 IIIB 41 – 50 Regular B 47 31 % 160.0 IVA 31 – 40 Mala A 36 16 % 80.5 IVB 21 – 30 Mala B 26 12 % 59.4 V < 21 Muy Mala 20 1 % 7.9
Fuente: Departamento de Geomecánica mina El Porvenir
En general en las calizas hay presencia de masas rocosas de calidades Mala B (IVB RMR 21-30), Mala A (IVA RMR 31-40), Regular B (IIIB RMR 41-50), Regular A (IIIA RMR 51-60) y Buena (II RMR > 60), sin embargo predominan las rocas de calidades Regular A y en menor grado Regular B. En la roca intrusiva hay presencia de masas rocosas de calidades Muy Mala (V RMR < 21), Mala B, Mala A, Regular B y Regular A, predominando la roca de calidad Mala A (IVA RMR 31-40) y en menor grado Mala B (IVB RMR 21-30).
4.1.3 Zonificación geomecánica de la masa rocosa
A partir de la información registrada en el logueo geotécnico de los testigos rocosos del sondaje diamantino realizado, se ha elaborado una zonificación geomecánica simplificada. Esta zonificación fue utilizada para los análisis de diseño, principalmente para la estimación del sostenimiento.
Cuando se quiera tener información de mayor detalle sobre las calidades de masa rocosa en el eje del winze, el lector deberá remitirse al registro del logueo geotécnico del Anexo 1.
4.1.4 Resistencia de la roca
La resistencia compresiva uniaxial de la roca intacta, se ha estimado a partir de la información registrada durante el logueo geotécnico de los testigos rocosos del sondaje Nivel -1140 Pique 02 y de la revisión de los estudios geomecánicos previos llevados a
cabo en Mina El Porvenir. El valor de la constante ―mi‖ de la roca
intacta, del criterio de falla de Hoek & Brown (2002, 2007), se ha estimado de manera similar basado en resultados de estudios geomecánicos previos y en la experiencia del consultor. La densidad de la roca intacta considerada para los análisis de diseño fue de 2.7 t/m3.
Los parámetros de resistencia de la masa rocosa, se han estimado utilizando el criterio de falla de Hoek & Brown (2002, 2007), tomando como datos de entrada la calidad de la masa rocosa para condiciones húmedas, los valores de resistencia compresiva uniaxial
y constante ―mi‖ de la roca intacta mencionados líneas arriba y un
factor de perturbación D = 0.4 el cual significa que podría haber cierto daño en las paredes del pique por efecto de voladura. En la Tabla 4.04 se presenta el resumen de las propiedades de la masa rocosa.
Tabla 4 0 4:
Propiedades de resistencia de la masa rocosa
Litología Tipo de roca GSI σc (MPa) mi (t/m3) mb s Emr (MPa) v Caliza II 63 120 12 2.7 2.300 0.008707 21947 0.20 IIIA 55 80 12 2.7 1.610 0.003122 9406 0.24 IIIB 48 80 12 2.7 1.178 0.001273 6015 0.26 IVA 38 50 12 2.7 0.754 0.000353 1955 0.28 IVB 29 30 12 2.7 0.504 0.000111 701 0.30 IIIA 52 70 22 2.7 2.581 0.002125 5461 0.25
IIIB 45 50 22 2.7 1.888 0.000866 2465 0.27 IVA 35 35 22 2.7 0.989 0.000240 911 0.29 IVB 25 28 22 2.7 0.733 0.000067 233 0.31 V 20 10 22 2.7 0.506 0.000035 128 0.33 Mármol IIIA 55 100 12 2.7 1.610 0.003122 16461 0.24 IIIB 48 80 12 2.7 1.178 0.001273 8421 0.26 Intrusivo
Fuente: Departamento de Geomecánica mina El Porvenir
Donde:
GSI : Calidad de la masa rocosa GSI = RMR (para condiciones húmedas).
σc : Resistencia compresiva uniaxial de la roca intacta.
mi : Constante de la roca intacta.
: Densidad de la roca intacta.
mb : Constante de la masa rocosa del criterio de falla de Hoek
& Brown.
s : Constante de la masa rocosa del criterio de falla de Hoek & Brown.
Emr : Módulo de deformación de la masa rocosa.
v : Relación de Poisson de la masa rocosa.
4.1.5 Esfuerzos in-situ
En el año 2010 se llevaron a cabo en mina El Porvenir mediciones de esfuerzos in-situ, utilizando la técnica del Overcoring con celdas triaxiales (CSIRO HI). A partir de estas mediciones se ha establecido el siguiente modelo de esfuerzos in-situ:
Donde:
σv: Esfuerzo vertical
k: Esfuerzo horizontal
Utilizando este modelo se han determinado los esfuerzos in-situ para los análisis de diseño. Hay que tener en cuenta que el tope del pique está aproximadamente en la cota 2,990 m.s.n.m. y la superficie del terreno está en la cota aproximada 4,290 m.s.n.m., luego la sobrecarga rocosa en el tope del pique será de 1,300 m y la base será de 1 850 m. Estas profundidades son muy considerables y constituyen uno de los factores relacionados con la ocurrencia del problema de la sismicidad inducida por el minado en mina El Porvenir.
4.1.6 Condiciones de agua subterránea
En mina El Porvenir hay antecedentes de presencia de flujos importantes de agua que ocurrieron en los niveles inferiores, pero estos flujos son esporádicos, que obliga a adoptar medidas de drenaje o taponeo de estos flujos. Usualmente el agua está presente en condiciones de humedad solamente pudiendo llegar a producirse goteos. Siendo así no tendrá influencia significativa en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa del pique. En caso ocurriese presencia significativa de agua subterránea durante la construcción del pique se deberán adoptar medidas de drenaje o taponeo de los flujos, muy particularmente cuando se atraviese la roca intrusiva que es de mala calidad.
4.2 ANALISIS DE DISEÑO – ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION 4.2.1 Tiempo de autosostenimiento
Tabla 4 0 5:
Para esta estructura, es importante predecir el tiempo de autosostenimiento que tendrá la excavación para garantizar la aplicación oportuna del sostenimiento requerido. En ese sentido en la Tabla 4.05, se presentan los resultados de la estimación del tiempo de autosostenimiento de las paredes del pique en función de la calidad de la masa rocosa y del tamaño de la excavación (5 m de diámetro útil). Tiempos de autosostenimiento Tipo de roca Rango RMR Tiempo de auto sostenimiento II >60 15 años IIIA 51 – 60 7 meses IIIB 41 – 50 2 meses IVA 31 – 40 1día IVB 21 – 30 2 horas V <21 Pocos minutos
Fuente: Elaboración propia
4.2.2 Sostenimiento
Se presenta el cálculo del sostenimiento para una futura construcción de un pique en los diferentes tipos de roca. Seguidamente se presenta un resumen del sostenimiento (ver Tabla 4.06):
Tabla 4 0 6:
Sostenimiento recomendado para el pique-Mina El Porvenir
Tipo de roca Sellado previo con shotcrete Pernos Shotcrete reforzado Cerchas reticuladas Cimbras 6W25 Revestimiento concreto Longitud Espaciamiento II 3 cm 2 m 2 m (T), 1.5 m (L) 5 cm - - 25 cm IIIA 3 cm 2 m 2 m (T), 1.5 m (L) 7 cm - - 25 cm IIIB 3 cm 2 m 2 m (T), 1.5 m (L) 10 cm - - 25 cm IVA 3 cm 2 m 1.5 m (T), 1.5 m (L 15 cm Espac. 1.5 m - 20 cm IVB 3 cm - - 25 cm - Espac. 1.5 m 20 cm V 3 cm - - 25 cm - Espac. 1.0 m 20 cm
Nota: Los pernos de roca deben ser combinados con la malla metálica electrosoldada, el Shotcrete a utilizar debe ser reforzado con fibras de acero.
El sostenimiento de la masa rocosa de Tipo II queda justificado por el ambiente de altos esfuerzos existente en el área del futuro pique. El sostenimiento en este caso evitará problemas de sismicidad inducida por el minado que ocurre mayormente en rocas de buena calidad.
4.2.3 Revestimiento
En la Tabla 4.06 se muestran las principales características del revestimiento, el mismo que es necesario por tratarse de un ambiente altamente esforzado y para mejorar el factor de seguridad de los cálculos realizados.
4.2.4 Diámetros de excavación
En la tabla 4.07 se presentan los diámetros de excavación por tipos de roca.
Tabla 4 0 7:
Sección de la excavación segun el tipo de roca
Tipo de roca Diámetro útil de excavación Diámetro total de excavación II 5 m 5.60 m IIIA 5 m 5.60 m IIIB 5 m 5.66 m IVA 5 m 5.76 m IVB 5 m 5.96 m V 5 m 5.96 m
Fuente: Elaboración propia
4.3 PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES
A continuación se describen las principales propiedades empleadas para la modelización de los elementos estructurales que intervienen en el sostenimiento de excavaciones subterráneas.
En la simulación del sostenimiento de hormigón proyectado (Shotcrete) de 25 MPa de resistencia cilíndrica o 30 cúbica, se ha discretizado mediante elementos tipo ―beam‖, que son elementos bidimensionales con 3 grados de libertad por nodo (2 desplazamientos y 1 rotación). El parámetro más importante para representar el comportamiento del shotcrete del sostenimiento es su módulo elástico, puesto que ha de reproducir el proceso de fraguado que se produce simultáneamente a su puesta en carga por el avance del pique. Se han considerado los siguientes valores de módulo de elasticidad (ver Tabla 4.08):
Tabla 4 0 8:
Propiedades de cálculo asignadas al hormigón proyectado
TIPO DE ELEMENTO E
Corto plazo (MPa)
E
Largo plazo (MPa)
Hormigón proyectado
12.000 15.800
Fuente: Departamento de Geomecánica mina El Porvenir
Los pernos de roca de anclaje repartido empleados como sostenimiento,
han sido modelizados con elementos tipo ―cable‖, que son elementos
unidimensionales de 2 nodos por elemento y un grado de libertad por nodo (1 desplazamiento coaxial al cable), comportamiento elástico con resistencia a tracción y acoplamiento elásto-plástico al mallado. Se les han asignado las propiedades mostradas en la Tabla 4.09.
Tabla 4 0 9:
Propiedades de cálculo asignadas a los pernos de roca
TIPO DE ELEMENTO E (MPa) A (cm2) Acero 210.000 3,27
Para las secciones que incluyen arcos metálicos se ha modelizado el conjunto hormigón proyectado-arco metálico como un elemento tipo beam. Se han empleado cerchas reticuladas de 70 mm de altura con barras de 26 y 18 mm de diámetro y perfiles 6W25.
4.4 SIMULACIÓN DEL EFECTO FRENTE EN 2D
La modelización de una excavación en una sección bidimensional está plenamente justificada salvo en las inmediaciones del frente de excavación, donde el efecto del núcleo de terreno que constituye el frente, ejerce un papel activo de sostenimiento que, en sentido estricto, sólo se puede cuantificar con total precisión con un modelo de tres dimensiones.
Sin embargo, la simulación del efecto frente cuando se modelizan problemas planos, puede realizarse suponiendo que, en las inmediaciones del frente, actúa una presión radial en el perímetro de la excavación que tiende a contrarrestar la ejercida por el terreno; o bien, suponer que el núcleo de roca varía su módulo de elasticidad con la distancia al frente.
Para el caso presente del winze se ha utilizado la fórmula de Panet para calcular la presión radial del núcleo. Panet propone que la presión radial ejercida por el núcleo, que hace el papel de sostenimiento transitorio, puede calcularse mediante las expresiones siguientes:
P1 = (1- ) P
o =
o+ (1-
o) m- x .
m = 1
-e0,7 r
1 Donde: ri es el radio de la excavaciónx es la distancia al frente y en caso de medios elásticos y excavaciones circulares.
u
1 3
En la Figura 4.04 se ilustra el efecto de estabilización transitoria que el núcleo de la excavación ejerce sobre una excavación o pique en este caso.
Fuente: Departamento de Geomecánica mina El Porvenir
4.5 DESATADO DE ROCAS
El desatado se realiza para desprender las rocas que quedaron sueltas luego de la voladura. Este paso es imprescindible porque protege a los trabajadores de las caídas de roca, que en el peor de los casos resultaría en pérdidas humanas y de maquinaria.
4.5.1 Desatado manual
El cual debe ser a 45º con barretillas de cuerpo de aluminio y bordes de acero, el área de la labor debe estar despejada y el piso limpio y nivelado sin obstáculos para que pueda permitir así el escape del personal ante cualquier eventualidad el procedimiento adecuado para realizar el desatado es el siguiente:
Detección del terreno suelto. Basado en la experiencia, los operadores son capaces de detectar con el oído las zonas de rocas sueltas al golpear estas áreas.
Penetración de la barra. Usando la barra, el minero ejercita presión para penetrar uno de los lados de la barra en la abertura o para producir una abertura.
Uso de la barra como una palanca de fuerza.
Después de haber introducido la punta de la barra en la ranura, se usa la barra como palanca para soltar las rocas. Ver Foto 4.01.
Fuente: Elaboración propia
Foto 4.01 Desatado manual
Como se puede apreciar de lo anteriormente dicho el desatado es una labor fatigante para los mineros. Esto es debido a que ejercita considerables esfuerzos de percusión y tracción usando una barra de desatado en posiciones físicas difíciles.
4.5.2 Desatado mecanizado
El desatado se realiza después de la voladura con un Scaler Brokk 330 que es un equipo de bajo perfil, diseñado para el desatado mecanizado de rocas hasta una altura máxima de 6 metros cuya cabina del operador se encuentra en un área de techo sostenido, el desatado lo realiza un solo operador abarca toda la zona de la voladura: techo, cajas y frente.
La mecanización del desatado, es una mejora tecnológica implantada por Milpo en sus operaciones, con la finalidad de crear un ambiente de trabajo seguro para sus trabajadores, a prueba en lo posible a cualquier error humano. Ver Foto 4.02.
Fuente: Elaboración propia