La mecánica de rocas en la ingeniería de minas (página 2)

Enviado por Paez

Partes: 1, 2

La fractura en los materiales convencionales de
ingeniería ocurren en un campo de tensión, algunas
teorías sofisticadas han postulado la explicación
del comportamiento antes de la falla y después de la falla
del material. Los campos de esfuerzos que se encuentran en
estructuras rocosas son de compresión, así que las
teorías establecidas no son inmediatamente aplicables a la
fractura en la roca. Existe una complicación peculiar en
la roca referente a la compresión que esta asociada con la
fricción del movimiento que se genera entre las
superficies de las microfracturas, 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 teoría plástica
en general dentro de los análisis de esfuerzos y
deformaciones antes de la falla en las propiedades de la roca. Un
problema relacionado es el fenómeno de la
localización, en el cual la ruptura en un medio rocoso se
expresa como la generación de uniones debidas a la intensa
deformación de cortante, separando los ámbitos del
material rocoso aparentemente sin alterar.

1.2.2 Efectos de la
escala1.

La respuesta de la roca a cargas impuestas muestra un
efecto pronunciado en el tamaño 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
geológico están presentes en los cuerpos rocosos, y
de esta manera la resistencia y las propiedades de
deformación de los macizos rocosos están
influenciadas tanto por las propiedades del material rocoso (por
ejemplo, la continuidad del macizo rocoso) y la variación
en las características estructurales. Estos efectos se
pueden apreciar considerando varias escalas de carga como a los
que los macizos rocosos se encuentran sometidos en la
práctica de la minería. El proceso de la
barrenación 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 perforación. Minando un cuele en roca con uniones puede
reflejar las propiedades del sistema de uniones. En este caso, la
sección final de la abertura estará definida por el
comportamiento de las uniones. El comportamiento de la roca en la
periferia de la obra puede reflejar la presencia de
pequeños bloques de roca, en los cuales la estabilidad
esta definida por la fricción y por otras fuerzas actuando
sobre su superficie. En una escala mas grade, por ejemplo un
pilar, las uniones del macizo pueden demostrar las propiedades de
pseudo continuidad. Los efectos de escala se pueden ver de una
manera esquemática en la figura 1.1.

Estas consideraciones sugieren que las especificaciones
de las propiedades mecánicas de un macizo rocoso no tienen
simple importancia. En particular, la inverosímil
posibilidad de hacer pruebas en especimenes de rocas con uniones,
a una escala suficiente para representar la continuidad
equivalente satisfactoriamente, indica la necesidad
de postular y verificar métodos de sintetizar las
propiedades del macizo rocoso para sus elementos
constitutivos.

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Figura 1.1 El efecto de la escala en la
respuesta de la roca debida a cargas impuestas: a) falla de un
material rocoso debido a la barrenación, b) Las
discontinuidades controlan la forma final de la
excavación, c) un pilar de mina opera de una forma pseudo
continua.

1.2.3 Resistencia a la
tensión1.

Las rocas se distinguen de todos los demás
materiales comunes de ingeniería, a excepción del
concreto, por su baja resistencia a la tensión. Los
especimenes de roca probados en pruebas de tensión
uniaxial han fallado a esfuerzos muy bajos en comparación
a los valores obtenidos en las pruebas a la compresión
simple (UCS). Debido a que las uniones y otras fracturas ofrecen
poca o nula resistencia a la tensión, la resistencia a la
tensión en un macizo rocoso puede asumirse como nula. La
implicación de esta propiedad en diseños de
excavaciones en roca es que ninguna zona identificada por el
análisis será sujeta a esfuerzos de tensión,
en la práctica, destensionarla, y causar re
distribución de esfuerzos locales. La destensión
puede dar como resultado una inestabilidad en la roca, lo cual se
verá reflejado en desprendimiento espontáneo o
progresivo de la roca.

1.2.4 Efectos del agua
subterránea1

El agua subterránea puede afectar el
comportamiento mecánico de las rocas en dos sentidos. El
mas obvio es el que ocurre en la operación de la ley
del esfuerzo efectivo. El agua bajo presión 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 presión reducen el esfuerzo ultimo del
macizo, en comparación con las condiciones que se
presentan cuando se colocan drenes.

Un efecto más sutil del agua subterránea
sobre las propiedades mecánicas de las rocas puede surgir
de la acción 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, también demuestran una marcada
reducción en la resistencia de los materiales seguida de
infusión en el agua (infusión.-acción de
introducir en agua caliente ciertas sustancias orgánicas
para extraer de ellas las partes solubles).

La implicación de los efectos del agua
subterránea en la resistencia del macizo rocoso son muy
considerables para las prácticas de minería. Puesto
que el comportamiento de la roca se pude determinar por su
ambiente geohidrológico, puede ser esencial en algunos
casos mantener un control de las condiciones del agua
subterránea en el área de la mina. Además,
puesto que las operaciones de relleno son importantes en algunas
operaciones de explotación de minas, se debe considerar
cuidadosamente desde el punto de vista de las
características de los esfuerzos bajo las condiciones
variables del agua subterránea.

1.2.5
Intemperismo1.

El intemperismo se puede definir como la
alteración física o química de la superficie
de la roca debido a las reacciones con los gases
atmosféricos y soluciones acuosas. El proceso es
análogo a los efectos de la corrosión en materiales
convencionales. El interés ingenieril del intemperismo se
genera debido a su influencia en las propiedades mecánicas
del material intacto, así como la potencialidad del efecto
significativo del coeficiente de fricción en la superficie
de la roca. Parece que mientras el intemperismo causa una
reducción constante en las propiedades de la roca, el
coeficiente de fricción de una superficie puede sufrir una
reducción (Boyd, 1975).

A pesar de que los procesos físicos como el ciclo
termal y la insolación pueden ser importantes en la
minería a tajo abierto, el proceso del intemperismo
subterráneo es en su mayor parte de origen químico.
Esto incluye disolución y el fenómeno de cambio de
iones, oxidación e hidratación. Algunos efectos del
intemperismo son fácilmente apreciables, como la
disolución de calizas en un ambiente de alteración
debido al agua subterránea. En otros casos, como en la
oxidación de la pirrotita, la susceptibilidad de algunas
formas de minerales a un rápido ataque químico no
esta totalmente comprendido. Otro problema de alteración
se presenta en rocas básicas que contienen minerales como
el olivino y piroxenos. La hidrólisis produce
montmorilonita, la cual es una arcilla expansiva con un
comportamiento mecánico especialmente
intratable.

Esta discusión no identifica todos los
términos a considerar. Sin embargo, es claro que este tema
(el intemperismo) trasciende el dominio de la mecánica
aplicada tradicional y necesita incluir un número de temas
que no tienen que ver con ninguna otra disciplina de la
ingeniería.

1.3
Minería subterránea1.

La extracción de minerales mediante
minería subterránea envuelve la generación
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
extracción, cámaras de bombeo, tiros de
ventilación y entradas de aire que constituyen desde
accesos a la mina hasta excavaciones para servicios. Su vida
útil es comparable o en ocasiones excede la vida del
depósito por ser minado y normalmente este tipo de obras
se lleva a cabo en las tablas del deposito (roca estéril).
Las obras de servicio y las de operaciones directamente asociadas
con la recuperación del mineral que consisten en cruceros
de extracción, frentes, contra pozos de acceso y
metaleras, desde donde o en los cuales se lleva a cabo varias
operaciones de producción. Estas obras se llevan a cabo en
la zona mineralizada o en zonas estériles cercanas al
depósito mineral y su vida útil esta limitada a la
duración de la actividad del minado en su vecindad
inmediata. Muchas obras van siendo eliminadas conforme se va
minando. El tercer tipo de obras subterráneas son las que
se encuentran en el depósito mineral. Puede ser un rebaje,
con unas tablas bien definidas formando los limites
geométricos del hueco minado, el cual aumenta de
tamaño conforme se va minando. Alterno a esto puede ser
que el rebaje tal ves tenga relleno de fragmentos con unos
limites pobremente definidos, que normalmente coinciden con los
limites del deposito. Las zonas fragmentadas son generadas por
disgregación inducida. La vida útil de cualquier
tipo de estas obras (rebajes) esta definido por la
duración de la actividad de la extracción del
mineral.

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Figura 1.2 Obras Mineras

Imagen tomada de
http://html.rincondelvago.com/carbon.html

Independientemente del sistema de minado
subterráneo que se adopte para la extracción de
mineral, es posible especificar cuatro objetivos comunes de la
mecánica de rocas para una buena ejecución de la
estructura del minado, y para los tres tipos de obras
subterráneas 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 estéril
adyacente;

• Proteger las obras principales de
servicio de principio a fin según la vida útil con
la cual se diseño.

• Proveer de accesos seguros a lugares
de trabajo seguros, tanto en las zonas de producción 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 subterráneas
diseñadas para propósitos de ingeniería
civil y aquellas excavaciones envueltas en la práctica de
la ingeniería de minas sujetas a la entrada del personal
de la mina. En el ultimo caso, el uso de cualquier obra esta
enteramente en bajo control de los operadores de la mina. Y
durante su uso activo la superficie de la excavación esta
sujeta a la virtual inspección continua del personal de la
mina. Los trabajos de mantenimiento o de restauración de
las condiciones de seguridad alrededor de las obras
subterráneas, tienen rangos que van desde amazice hasta
métodos de soporte y refuerzo, que se pueden realizar en
cualquier momento, bajo la dirección del departamento de
operación o de planeación de la mina. Estas
operaciones raramente se ven en las obras enfocadas a la
ingeniería civil. Otra gran diferencia es que la
mayoría de las excavaciones con propósitos mineros
tienen una vida útil significativamente menor que aquellas
excavaciones usadas para propósitos de ingeniería
civil. No es de sorprender, por lo tanto, que el diseño de
una excavación minera refleje el grado de control
inmediato sobre la utilización de la excavación,
mediante inspecciones, mantenimiento y el soporte que pueda
ofrecer la operación e la mina.

Además de los diferentes limites de
operación para las excavaciones mineras y civiles, hay una
marcada diferencia en la naturaleza de las estructuras generadas
y esto afecta directamente la filosofía del diseño.
La principal diferencia es que una estructura de roca de la
ingeniería civil es reparable, considerando que una
estructura minera continúa su desarrollo desde el inicio
hasta el fin de la mina. En el último caso, la secuencia
de los rebajes o del minado por bloques asume gran importancia.
Las dediciones hechas en los primeros años de la vida de
la mina puede limitar las opciones y el éxito de la mina,
cuando se esta buscando establecer una estrategia ordenada y
efectiva para la extracción o la recuperación del
mineral remanente.

1.4 Estabilidad
de taludes como una rama de la
ingeniería2.

Debido a la naturaleza discontinua de la roca, el
diseño de taludes estables es en mucho tanto arte como
ingeniería aplicada. La experiencia es importante
así como un apropiado uso de las teorías de
mecánica de rocas y mecánica de suelos,
geología estructural e hidrología.

Actualmente existen muchos software disponibles para
diseño de taludes, pero es importante que los ingenieros
que manejen estos softwares comprendan la teoría
básica de la estabilidad de taludes en roca (o
inestabilidad) antes de que intenten utilizar algún
método computarizado, especialmente antes de que intenten
interpretar y aplicar los resultados.

1.4.1 Estabilidad de taludes en
ingeniería
civil2,3.

El campo de la ingeniería civil utiliza muchos
principios de la mecánica de suelos para el
análisis de la estabilidad de taludes. Este campo tiene
mas que ver con cortes de taludes en suelos sueltos, granulares o
materiales sin consolidar. Los análisis se utilizan
principalmente para:

• Cimentaciones, construcciones o
desplantes de presas.

• Cortes en caminos.

• Corte y recubrimientos en
túneles.

• Canales de
irrigación.

• Presas de jales.

• Patios de desperdicios (waste
dumps).

El diseño de cortes en roca para obras de
ingeniería civil tales como carreteras o líneas de
ferrocarril son normalmente relacionados a la geología
estructural. Esto es, la orientación y
características (como la longitud, rugosidad y materiales
de relleno) de las uniones, la estratificación y fallas
que ocurren detrás de la cara de la roca.

Para muchos cortes en obras de ingeniería civil,
los esfuerzos en la roca son mucho menores que la resistencia de
la roca, esto tiene que ver un poco con las fractura que puede
ocurrir en la roca. Por consiguiente, el diseño de taludes
es principalmente relacionado con la estabilidad de los bloques
de la roca formados por discontinuidades. La resistencia de la
roca intacta, es indirectamente utilizado en el diseño de
taludes, relacionado a la resistencia al cortante de las
discontinuidades y del macizo rocoso, así como a los
métodos de excavación y a los costos. La figura 1.3
muestra algunas condiciones geológicas y su influencia en
la estabilidad e ilustra los tipos de información que es
importante para poder diseñar. Los taludes a) y b)
muestran condiciones típicas de rocas sedimentarias, como
las areniscas y las calizas que contienen estratificaciones, en
donde el deslizamiento puede ocurrir si la inclinación de
los estratos es más pronunciada que el ángulo de
fricción de la superficie de la discontinuidad. En el
ejemplo a) los estratos cortan la cara del talud y los bloques
pueden deslizarse debido a la estratificación, en el
ejemplo b) la cara coincide con la estratificación y la
cara es estable. En c) la mayoría de la cara del talud es
también estable por que la principal discontinuidad tiene
un echado hacia la cara del talud. No obstante, hay algún
riesgo de inestabilidad de los bloques superficiales formados por
la concentración de familias de uniones que están
inclinadas hacia fuera de la cara del talud, particularmente si
ha sufrido daños debido a los explosivos utilizados
durante la construcción. En el ejemplo d) la principal
familia de fracturas tiene una inclinación hacia dentro de
la cara del talud pero con un ángulo más
pronunciado que forma una serie de tablas delgadas que pueden
fallar por volcadura de bloques (topping) donde el centro de
gravedad de los bloques queda fuera de su base. El talud e)
muestra una típica estratificación horizontal de
una secuencia de arenisca-pizarra en donde la pizarra sufre mas
rápidamente un proceso de intemperismo que el que ocurre
en la arenisca que forma una serie de rocas que salen de la cara
del talud y que pueden caer bruscamente debido a esfuerzos
verticales que actúen en las uniones. El ejemplo f) esta
cortado en roca débil que contiene espaciamientos cercanos
pero uniones de baja persistencia lo cual no forma una superficie
continúa de deslizamiento. Si se realiza un talud lo
suficientemente inclinado en este macizo rocoso puede fallar a lo
largo de de una superficie circular poco profunda parcialmente en
las uniones y a través de la roca intacta.

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Figura 1.3 Influencia de las condiciones
geológicas en la estabilidad de cortes en roca: a)
potencialmente inestable, las discontinuidades están a
favor de la cara del talud; b) Talud estable, la cara excavada es
paralela a las discontinuidades; e) talud estable, las
discontinuidades tiene un echado hacia adentro de la cara del
talud; d) Falla por volcamiento de bloques que se encuentran con
una inclinación pronunciada hacia la cara del talud; e)
intemperismo de estratos de pizarra en donde
sobresalen los estratos de la arenisca mas resistente; f)
potencial falla a lo largo de una supertície circular poco
profunda, en fracturas muy cercanas y roca
débil.

1.4.2 Estabilidad de taludes en la
ingeniería de
minas2,3.

El campo de la ingeniería de minas, en el otro
lado de la estabilidad de taludes, utiliza fundamentalmente
principios de la mecánica de rocas para analizar la
estabilidad de taludes en cortes rocosos. La mecánica de
rocas es más complicada que la mecánica de suelos
por las siguientes razones (Brawner y Milligan 1971):

• Los materiales rocosos son
heterogéneo y normalmente anisótropos.

• Los parámetros de resistencia relacionados
a los macizos rocosos son infinitamente variables y
difíciles, si no es que imposibles de determinar
precisamente.

• Los modelos y teorías generalizadas del
comportamiento de las rocas son muy complejos, así como
las matemáticas que lo envuelven.

• Las condiciones de campo son extremadamente
difíciles y a menudo imposibles de duplicar en un
laboratorio.

• El muestreo en campo es por lo general complicado
y el consumo de tiempo y dinero son altos.

La ingeniería de la estabilidad de taludes en
roca es la aplicación de los principios de la
mecánica de rocas y los principios de la geología
estructural. Esto incluye no solo los análisis
cinéticos (kinetics) (posibles modos de falla) y
análisis cinemático (estabilidad de los modos de
falla) (kinematics) sino que también incluye
análisis probabilísticos, métodos de
estabilizar los taludes, análisis de aguas
subterráneas, recolección de datos
geológicos, métodos de monitoreo de taludes,
etc.

Los tres componentes principales del diseño de
taludes para un tajo abierto son los siguientes (Figura 1.4).
Primero, el ángulo de reposo (ángulo total) del
talud del tajo desde la cresta hasta el pie, incluyendo todas las
rampas y bancos. Este puede ser un talud mixto, con un talud poco
pronunciado en materiales superficiales y débiles, y con
un talud más pronunciado en una roca más competente
en las zonas mas profundas. Aunado a esto, el ángulo del
talud puede variar alrededor del tajo para acomodar tanto a la
geología y la disposición de las rampas. Segundo,
el ángulo de la rampa interna es el talud o taludes que se
encuentran entre cada rampa que dependerá del numero de
rampas y de sus respectivos espesores. Tercero, el ángulo
de la cara de cada banco depende del espaciamiento vertical entre
bancos, o bancos múltiples combinados, y el ancho de los
bancos requiere contener caídas menores de roca. Algunos
factores que influyen en el diseño de los taludes, es la
altura, la geología, la resistencia de la roca, la
presión del agua subterránea y el daño
provocado por los explosivos a la cara del talud. Por ejemplo,
por cada avance hacia atrás (push-back?), la profundidad
del tajo se incrementara y puede que se requiera un
disminución correspondiente al ángulo total del
talud. También, para taludes por donde pasa una rampa, el
ángulo del talud deberá tener menos pendiente para
disminuir los riesgos de fallas que dejen inhabilitada la rampa,
a diferencia de los taludes que no tienen rampas y donde se
pueden tolerar algunos tipos de inestabilidad. Donde exista una
presión de agua significante en alguno de los taludes,
esta se debe de tomar en cuenta para instalar sistemas de drenes,
si estos pueden ayudar a disminuir la presión del agua que
permitan que el ángulo del talud se incremente. Para tajos
profundos donde el incremento del ángulo del talud en uno
o dos grados ayude a recuperar varios millones de metros
cúbicos de excavación en roca, tal vez se pueda
justificar un vasto sistema de drenaje. Como los sistemas de
drenaje que incluyen abanicos de barrenos con longitudes de
cientos de metros barrenados desde la cara del
talud, o un socavón de drenaje con barrenos dentro de la
roca del túnel. Con respecto al ángulo de la cara
de los bancos, estas pueden estar dominadas por la
orientación de la familia de uniones predominante si es
que hay uniones que salgan de la cara con un ángulo mas
inclinado. Si esta situación no existe, entonces el
ángulo del banco estará relacionado a la
geometría general. Un factor que puede afectar la
máxima altura de un banco individual, es el alcance
vertical de los equipos de excavación, para limitar los
accidentes debido al colapso de caras de taludes.

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Figura 1.4 Geometría típica
del talud de un tajo abierto mostrando la relación entre
ángulo total del talud, ángulo de la rampa interna,
geometría de los bancos.

Con la finalidad de proveer guía en
relación a los ángulos de taludes estables se han
llevado a cabo un número de estudios mostrando la
relación entre el ángulo del talud, altura del
talud y la geología; los resultados muestran si el talud
es estable o inestable (Figura 1.5). Estos estudios se llevaron a
cabo para los dos tipos de taludes tanto en tajos abiertos
(Sjöberg, 1999), como para taludes naturales y artificiales
en China (Chen, 1995). Como es de esperarse, si los taludes no
fueran escogidos de acuerdo a la geología, habría
una pequeña relación entre la altura y el
ángulo para los taludes estables. Sin embargo, la
clasificación de los datos de acuerdo al tipo de roca y a
la resistencia de la roca muestra una razonable
correlación entre la altura del talud y el ángulo
para cada clasificación.

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Figura 1.5 Relación entre altura y
ángulo de los taludes para tajos abiertos, taludes
naturales y taludes ingenieriles: a) taludes de
tajos y hundimientos de minas (Sjöberg, 1999); y b) taludes
naturales e ingenieriles en China (Chen, 1995).