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Aspectos fundamentales de la Mecánica de Rocas con respecto al avance de labores subterráneas Carrera: Ingeniería en Minas. Asignatura: Fundamentos de Méc. de Rocas Docente: Jorge Martínez Álvarez Alumno: Luis Carlos Núñez Alveal

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Aspectos fundamentales de

la Mecánica de Rocas con

respecto al avance de

labores subterráneas

Carrera: Ingeniería en Minas.

Asignatura: Fundamentos de Méc. de Rocas

Docente: Jorge Martínez Álvarez

Alumno: Luis Carlos Núñez Alveal

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Índice

Contenidos Página

1. Introducción 1

2. Discontinuidades 4

2.1. Tipos de Discontinuidades 5

3. Clasificación geomecánica del maciso rocoso 11

3.1. Bieniawski 11

3.1.1. R.Q.D (Rock Quality Designation) 12

3.1.2. Priest & Hudson 13

3.1.3. Palmström 13

4. Orientación de las excavaciones 14

4.1. Rumbo paralelo al eje de excavación 14

4.2. Rumbo perpendicular al eje de excavación 14

5. Anexos 22

6. Bibliografía 27

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1. Introducción

La mina es una excavación realizada en el subsuelo con él fin de extraer minerales.

Es el conjunto de instalaciones destinadas a la extracción y tratamiento previo de

dichos minerales, como tal, la infraestructura minera consta de una red de túneles, galerías,

inclinados, transversales, chimeneas, pozos internos y externos, niveles, subniveles, pisos,

subpisos, paneles, coladeros, etc., destinados unos a ventilación, otros al transporte, a

desplazamientos de los mineros, a evacuación de aguas los demás y a la explotación misma

los últimos.

Todas estas obras se caracterizan por:

localizaciones respecto a la profundidad, al frente de explotación, a los

accidentes geológicos, al mineral, etc.

direcciones paralelas al cruce de dos familias principales (situación bien

desfavorable), o en cualquier ángulo,

inclinaciones horizontales, subhorizontales, verticales.

tamaños es frecuente encontrar en una misma mina galerías de diferentes

dimensiones

formas si bien las formas más usuales en minería son las de herradura

(galerías principales) y las rectangulares (galerías en carbón), es frecuente

encontrar en la mina una gran variedad de formas: circulares, trapezoidales,

ovaloides, cuadradas, etc.

vida la vida de una galería minera es función de su servicio, habrán unas que

son permanentes y que tendrán que ser mantenidas a todo costo, otras que

deberán servir durante un tiempo menos largo y las demás que tendrán una

vida muy efímera, desaparecerán a medida que avance el frente de explotación

o tras haber cumplido la finalidad buscada.

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Por lo tanto cada una de ellas demanda de un cuidado particular inherente al servicio

que presta y a las solicitudes a las cuales está sometida. Podría decirse entonces que la

estabilidad de la mina es la estabilidad de sus galerías.

Los métodos empíricos evalúan la estabilidad de la infraestructura minera mediante

estudios estadísticos de condiciones subterráneas las cuales se soportan en la experiencia

práctica y el criterio del ingeniero.

Inicialmente se estudia la literatura y cartografía geológica e hidrogeológica existente

sobre la zona; luego se realiza el reconocimiento geológico para obtener una idea concreta

del macizo rocoso y establecer los métodos y volumen de las investigaciones de campo a

efectuarse en lo posterior.

Los trabajos más ampliamente difundidos para las investigaciones de campo

constituyen las perforaciones con obtención de testigos. Este método permite efectuar la

exploración del macizo rocoso, prácticamente hasta cualquier profundidad y obtener una gran

cantidad de muestras de roca.

Sin embargo la investigación de las propiedades del macizo, solamente por los

testigos, no da una información completa sobre el carácter del macizo y comportamiento de

las rocas en las galerías subterráneas.

La perforación de sondeos, también se emplea para la investigación de las aguas

subterráneas y permeabilidad de las rocas.

La información más completa y verídica, sobre las condiciones geológicas e

hidrogeológicas, se obtienen mediante la excavación de galerías de exploración: pozos,

piques o socavones; en estas galerías se ven directamente las rocas a atravesarse y sus

condiciones de orientación.

Los pozos socavones y piques franqueados con la finalidad de exploración, también

se emplea para ampliar el número de frentes de trabajo, la ventilación, el transporte de las

rocas y los materiales.

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Además de los trabajos de investigación enumerados, cada vez más se emplean las

investigaciones por métodos geofísicos, los cuales permiten estudiar la estructura y

composición del macizo rocoso directamente desde la superficie.

En estos métodos se aprovecha la diferencia de conductibilidad, velocidades de las

ondas sísmicas, variaciones de la magnitud de gravedad, propiedades magnéticas existentes

en las rocas.

Los métodos geofísicos de exploración son, especialmente efectivos cuando el túnel

va a gran profundidad, a centenas de metros de la superficie.

Las clasificaciones ingenieriles de la masa rocosa constituyen el método empírico

más conocido para garantizar dicha estabilidad. Las 7 clasificaciones más importantes son

las de Terzaghi (1946); Laufer (1958); Williamson (1959 -1960); Deere (1964); Wickham,

Tiedemann y Skinner (1972); Bieniawski (1973), y Barton, Lien y Londe (1974) Bieniawski

ofrece una detallada descripción de cada uno de ellos.

Estos métodos han recibido una creciente atención en los últimos años y en muchos

proyectos subterráneos se han utilizado como la única base práctica.

Los métodos analíticos determinan los esfuerzos y las deformaciones alrededor de las

cavidades subterráneas. Incluyen las técnicas de las soluciones exactas, los métodos

numéricos, las simulaciones análogas y la modelización física.

El éxito de estos métodos depende de la selección de los procedimientos de

modelización más apropiados, de la validez de las relaciones constitutivas del

comportamiento mecánico de las masas rocosas y de la confiabilidad de los parámetros de

entrada requeridos para el análisis.

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Los principales factores que afectan la estabilidad minera son:

El campo de esfuerzos in situ.

La resistencia, deformabilidad y otras propiedades mecánicas de los estratos.

Las condiciones del agua subterránea

El método y la calidad de la excavación

El soporte de las galerías

La interacción entre vías adyacentes.

2. Discontinuidades

Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que independiza o

separa los bloques de matriz rocosa de un macizo rocoso. La deformación de las rocas, ya

sea por ruptura o plegamiento da lugar a un cambio de forma y volumen en la estructura

original de éstas, en muchos casos la evidencia de estos procesos de deformación están

evidenciados en las estructuras que se forman justo después de la génesis de dichas rocas (no

confundir con estructuras primarias: volcánicas o sedimentarias), procesos que alteran la

dimensión original de la roca que dentro de un contexto frágil se manifiesta por medio

de discontinuidades.

Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja

o nula. Su comportamiento mecánico queda caracterizado por su resistencia al corte o, en su

caso, por la del material de relleno. Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades

o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento

frente a las operaciones de minado.

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2.1. Tipos de Discontinuidades

Planos de Estratificación

Es una superficie paralela a la superficie de deposición, que puede tener o no tener una

expresión física clara. Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias (Fig 1).

Fig. 1

Fallas

Son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras menores que se

presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar

toda la mina.

Fallas Normales. Se producen en áreas donde las rocas se están separando de manera

que la corteza rocosa de un área específica es capaz de ocupar más espacio, las rocas

de un lado de la falla normal se hunden con respecto a las rocas del otro lado de la

falla. Este tipo de falla no genera salientes rocosos.

En una falla normal es posible que se pueda caminar sobre un área expuesta de la

falla.

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Fallas Inversas. Este tipo de fallas ocurren en áreas donde la rocas se comprimen

unas contra otras de manera que la corteza rocosa de un área ocupe menos espacio, la

roca de un lado asciende con respecto la roca del otro lado. En una falla inversa, el

área expuesta de ésta, es frecuentemente un saliente, de manera que no se puede

caminar sobre ella.

Zonas de corte

Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido

fallamiento de la roca (Fig.2).

Fig. 2

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Diaclasas

También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que

más comúnmente se presentan en la masa rocosa, las diaclasas son las fracturas más

frecuentes y se presentan en todos los tipos de rocas, especialmente a nivel de la superficie y

también a grandes profundidades. Estas fracturas pueden tener dimensiones que se extienden

desde algunos milímetros hasta pocos metros (Fig. 3).

Fig. 3

Planos de exfoliación

Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o

láminas (Fig. 4).

Fig. 4

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Contacto litológico

Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta. Es la

superficie que separa los cuerpos de diferentes litologías, o tipos de rocas.

Un contacto litológico puede ser concordante o discordante según los tipos de rocas, sus

edades relativas y sus disposiciones. Una superficie de falla también puede actuar como un

contacto litológico (Fig. 5).

Fig. 5

Venillas

Son rellenos de las fracturas con otros materiales. Es un rompimiento en la roca en el cual

se puede apreciar un mínimo desplazamiento variable en un rango que va de (μ– cm), pueden

estar total o parcialmente rellenas por minerales masivos o compuestos de granos de cristal

fibrosos como cuarzo o calcita (Fig. 6).

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Fig. 6

Pliegues

Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados, s una deformación de las

rocas, generalmente sedimentarias, en la que elementos de carácter horizontal, como los

estratos o los planos de esquistosidad (en el caso de rocas metamórficas), quedan curvados

formando ondulaciones alargadas y más o menos paralelas entre sí. Los pliegues se originan

por esfuerzos de compresión sobre las rocas que no llegan a romperlas (Fig. 7).

Fig. 7

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10

Diques

Son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas

o verticales. Es una formación ígnea intrusiva de forma tabular, su espesor es generalmente

mucho menor que sus restantes dimensiones y puede variar de algunos milímetros hasta

muchos metros, mientras que su extensión lateral puede alcanzar muchos kilómetros. Las

intrusiones de diques se suelen producir a favor de fracturas de carácter distensivo (Fig. 8).

Fig. 8

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11

3. Clasificación geomecanica del macizo rocoso

Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de clasificación

geomecánica ampliamente difundidos en todo el mundo, como los desarrollados por Barton

y colaboradores (1974), Laubscher (1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y

otros.

Por su simplicidad y utilidad, están los criterios RMR (Valoración de la Masa Rocosa)

de Bieniawski (1989) y GSI (Índice de Resistencia Geológica) de Hoek y Marinos (2000),

los mismos que se determinan utilizando los datos de los mapeos geomecánicos efectuados

en las paredes de las labores mineras.

En esta clasificación se tienen en cuenta aspectos como la orientación de las

discontinuidades con respecto a la excavación, para utilizar la clasificación RMR, se

recomienda dividir el macizo rocoso en zonas más o menos homogéneas, es decir, que tengan

propiedades geológicas similares. Para cada tramo definido, se toman datos referentes a las

propiedades de la matriz rocosa y a las discontinuidades que estén presentes.

3.1. Bieniawski

Esta clasificación se ha desarrollado a partir de las experiencias realizadas en África

del Sur. Su aplicación no tiene apenas limitaciones, excepto en rocas expansivas y fluyentes

donde no es aconsejable su uso.

Para determinar la calidad del macizo rocoso, se divide este en dominios estructurales,

es decir en zonas delimitadas por discontinuidades geológicas dentro de las cuales la

estructura es prácticamente homogénea. La estructura del macizo rocoso comprende el

conjunto de fallas diaclasas, pliegues y demás características geológicas propias de una

región.

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El parámetro que define la clasificación es el denominado INDICE RMR (Rock Mass

Rating), que evalúa la calidad del macizo rocoso a partir de seis parámetros.

Resistencia a la roca intacta

R.Q.D. (Rock Quality Designation)

Espaciado de las discontinuidades

Condición de las discontinuidades

Condiciones hidrológicas

Ajuste por orientación de las juntas

Los resultados obtenidos son:

El valor RMR

Clase y descripción del macizo rocoso

Guía para excavación y sostenimiento de túneles

3.1.1. R.Q.D. (Rock Quality Designation) (Fig. 10)

𝑅𝑄𝐷 (𝑡𝑒𝑠𝑡𝑖𝑔𝑜) = 𝛴 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑖𝑔𝑜𝑠 ≥ 10 𝑐𝑚

𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑟𝑜∗ 100%

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3.1.2. Priest & Hudson

𝑅𝑄𝐷 = 100℮0,1𝜆(0,1𝜆+1)

Donde:

𝜆 = 𝑁° 𝐹𝑖𝑠𝑢𝑟𝑎𝑠

𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙 <

6 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠

𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙

> 16 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠

𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙

3.1.3. Palmstrom

𝑅𝑄𝐷 = 115 ∗ 3,3 (𝐽𝑣)

Donde:

𝐽𝑣 = 𝑁° 𝐹𝑖𝑠𝑢𝑟𝑎𝑠

𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑐𝑜

Fig. 10 Testigos de perforación diamantina

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4. Orientación de las excavaciones

La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la

dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural

dominante de la masa rocosa.

Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más

ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de

avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la

vida de la mina, representando peligro de caída de rocas.

4.1. Rumbo paralelo al eje de excavación

Cuando el rumbo es paralelo al eje de excavación de una labor, existe un gran riesgo

de un desprendimiento de rocas, puesto que los estratos, fallas, etc. Se encuentra sobre el

techo de la labor, esto no tiene un autosostenimiento y en cualquier momento podría

derrumbarse.

Este tipo de dirección de excavación requiere mucho sostenimiento, implicando un

aumento en los costos de sostenimiento. Pero en muchos casos el mineral se presenta de esta

forma, y si el mineral paga el sostenimiento, no sería muy costoso.

Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de

discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las

condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento

de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45°.

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15

En condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad de la excavación, la

estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavación

que a su vez, presentan inestabilidad (Fig. 11).

Fig. 11

Condición muy desfavorable Buzamiento de 40° - 45°

Condición regular Buzamiento de 20° - 45°

Condición regular Buzamiento de 0° - 20°

(Cualquier rumbo)

En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante

preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica.

En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la

excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla.

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En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en

ambientes de altos esfuerzos (Fig.12)

Fig. 12 Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza paralela a una falla

4.2. Rumbo perpendicular al eje de excavación

Cuando la dirección de la excavación es perpendicular a los estratos, fallas, etc. Se

tiene una mayor estabilidad de la labor y no se necesita mucho sostenimiento, pues en muchos

casos se autosostienen.

Asimismo evitándose accidentes como el desprendimiento de rocas, etc. Esta sería la

mejor forma de avanzar en un frente, pero muchas veces sabemos que la dirección del

mineral, no siempre es perpendicular, pero puede variar en cuanto al buzamiento.

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En condiciones de avance muy favorables para la estabilidad la estructura rocosa

funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la excavación donde las

mismas presentan buena estabilidad (Fig.13).

Avance con el buzamiento

Condición muy favorable Buzamiento de 45° - 90°

Condición favorable Buzamiento de 20° - 45°

Avance contra el buzamiento

Condición regular Buzamiento de 45° - 90°

Condición desfavorable Buzamiento de 20° - 45°

Fig. 13

El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo

recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña, sino que la excavación

atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la excavación,

en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la

excavación, en lo posible, la excavación debe atravesar la cuña (Fig. 14).

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Fig. 14

Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras

en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales.

En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las

condiciones de su estabilidad.

En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos,

presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a

los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la

concentración de los flujos de agua y de los esfuerzos.

Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías

para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina.

La condición más ventajosa para la ubicación de un túnel, constituye la ausencia de

dislocaciones a lo largo de la extensión de mantos horizontales potentes, conformados de

rocas estables.

La posición del túnel es menos ventajosa cuando se lo ubica en mantos inclinados a

lo largo de la extensión o perpendicular a él.

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En el primer caso debe esperarse grandes presiones del manto sobre el revestimiento,

en el segundo, caso es posible el colgamiento y caídas de bloques del manto a la galería,

también abundante salida de agua en los lugares en que la galería corta a los planos de

contacto.

Cuando el túnel se dispone en mantos plegados, a lo largo de su extensión, los sitios

de presencia de anticlinales son relativamente más ventajosos: aquí se debe esperar presiones

no mayores y pequeñas cantidades de agua. La ubicación del túnel será desventajosa si se

encuentra en los flancos del anticlinal, y de manera especial, si se halla en un sinclinal, donde

además de grandes presiones de las rocas sobre la construcción debe esperarse la salida de

grandes cantidades de agua.

Si el túnel se dispone perpendicular a la extensión de los plegamientos, entonces las

condiciones serán mucho más pesadas que cuando se lo ubica en mantos inclinados, debido

a que no existe un determinado sistema por el que atraviese la galería a las diferentes partes

del plegamiento (Fig. 15).

Altamente desventajoso constituye el paso de la galería a través del plano de falla. En

este sitio es posible el interdesplazamiento de las partes del manto y la salida de grandes

corrientes de aguas subterráneas. La construcción del revestimiento del túnel, en los sitios de

las fallas debe ser reforzada.

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Fig. 15

Donde:

(a) Condiciones regulares

(b) Condiciones desfavorables

(c) Condiciones muy desfavorables

(A) Tramo de galería de condiciones favorables

(B) Tramo de condiciones desfavorables.

El relleno no debe alterar el corrimiento natural del agua a fin de evitar la creación de

sobrepresiones hidráulicas y el desarrollo de fenómenos cársticos en los sitios aledaños.

Cuando se selecciona la dirección del trazado del túnel, en regiones de elevada

sismicidad, es indispensable rehuir de los macizos constituidos por rocas inestables y

saturadas de agua, así como de las zonas de fallas tectónicas.

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Pese a que los túneles constituyen estructuras antisísmicas, en regiones donde es

posible sismos con más de 6 grados (en la escala de 12), es indispensable optar por medidas

especiales, para elevar la resistencia de las construcciones al sismo, mediante el reemplazo

de los elementos de hormigón comunes por hormigón armado, también debe preverse la

posibilidad de realizar el cálculo del interdesplazamiento de los elementos vecinos de las

construcciones aledañas, sin que sufran alteración en su capacidad de carga.

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5. Anexos

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6. Bibliografía

Javier Lillo & Roberto Oyarzun (2013), Geología estructural aplicada a la

minería y exploración minera. Principios Básicos.

Juan Montero Olarte, Caracterización geológica de macizos rocosos (cap. 11).

Humberto Sosa González (1990), Fundamentos sobre excavación de túneles.