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    Ingeniera de Minas UNSACAPITULO II

    MECANICA DE ROCAS EXPERIMENTAL

    EQUIPOS E INSTRUMENTOSEn el presente Capitulo se detallauna serie de equipos e instrumentosde Laboratorio de Mecnica deRocas.

    PREPARACION DE PROBETAS:La preparacin de probetas, demuestras rocosas y minerales, serealiza mediante la Sonda

    Sacatestigos y la Cortadora deDisco Diamantino con susrespectivos accesorios.

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    Maquina Sonda Sacatestigos

    refrentando una probeta para serensayada de acuerdo a losestndares el ISRM., por ejemplo:para el ensayo de CompresinSimple y/o Uniaxial, para elensayo de Constantes Elasticas,

    para el ensayo Triaxial.

    Donde se requiere que las basessuperior e inferior de las probetas,tienen que estar refrentadas, por larazn que al momento de ejecutarel ensayo la carga aplicada debeser uniformemente repartida entoda la superficie de ambas bases.

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    Brocas de diferentes dimetros (2, 3, 3.5, 4, 5),Nivelador, tornillo de ajuste para cada dimetro de probeta,ajustador de tuercas, refrentadora y accesorio pararefrentar.

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    En la Foto se aprecia el equipo completo para elrefrentado, que se instala en la Sonda Sacatestigos.

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    CORTADORA DE DISCO DIAMANTINO

    El objetivo de la Cortadora de discodiamantino es dimensionar a cada

    probeta de roca y/o mineral, en sulongitud en relacin a su dimetro, queresulta de la perforacin con la sondasacatestigos, de acuerdo a losestndares (Relacin de Esbeltez) decada uno de los ensayos ha ejecutarseen el programa planificado.

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    En la Foto, se aprecia una probeta rocosa cortndose deacuerdo a su relacin de esbeltez (L/D), sobre la cual serrealizado el ensayo de laboratorio para la determinacin de sus

    propiedades fsico-mecnicas.

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    ENSAYOS Y MEDICIONES EN LABORATORIO

    PROPIEDADES FSICASLa determinacin de las propiedades fsicas se basa en elestablecimiento de la humedad, absorcin, volumen de poros, pesoespecifico/densidad de la probeta de roca y/o mineral, siendo losequipos y accesorios en la mayora de los casos los de un laboratorioqumico y/o metalrgico. Y estn constituidas por:

    Una balanza de precisin en grs.Un horno ventilado.Vasos de precipitacin.Lunas de reloj.Tenazas de fierro.

    Agua destilada.Taras

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    PROPIEDADES MECANICASMAQUINA DE COMPRESIN DEROCASLa determinacin de laspropiedades mecnicas, como es elcaso de los ensayos decompresin simple y/ uniaxial,ensayo de traccin indirectabrasilero, ensayo Triaxial, ensayopara la determinacin deconstantes elsticas, Abrasionlos angeles, son ejecutados en laMaquina de Compresin de Rocas,con la finalidad de determinar las

    caractersticas de deformabilidad yde rotura de la roca y/o mineral, encompresin.

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    MAQUINA DE CORTE DIRECTOEn esta maquina porttil se ejecuta el ensayo de cortedirecto sobre discontinuidades, cuyo objetivo es ladeterminacin de los parmetros friccionantes: Cohesin C

    y ngulo de friccin i basica y residual.

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    MAQUINA DE CARGA PUNTUALEsta Maquina porttil se caracteriza por ser una pequea prensa hidrulicaprovista de conos de carga entre cuyos vrtices se colocan probetas de roca

    y/o mineral, sometindolas a cargas compresivas, segn la disposicin de laprobeta entre conos se mide ya sea el ndice Franklin o el ndice Louis, stosasisten al ingeniero en la caracterizacin de la resistencia mecnica ycomportamiento ms probable de la roca,

    puesto que puedenser Correlacionadosexperimentalmente a laresistencia compresiva

    uniaxial y a la resistenciaa la traccin.

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    ENSAYOS Y MEDICIONES IN-SITUSISMOGRAFOUtilizando ondas ultrasnicas que se hacen

    propagar en el medio rocoso, se realizanmediciones de las velocidades de ondaslongitudinales y transversales,

    a partir de loscuales sedeterminan las

    constanteselsticasdinmicas:Modulo deElasticidadDinmico EdyRelacin dePoisson Dinmicod. Se usa para

    tal fin unsismgrafo que

    puede efectuarmediciones en lamisma operacinminera.

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    MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOSLa maquina de arranque de pernos permite determinar lacapacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje

    puntual o repartido) en un determinado macizo rocoso,mediante el ensayo del Pull Test, esta capacidad de anclaje deun perno de roca (Rock Bolt), esta determinado por 4 aspectosimportantes: Longitud del perno, dimetro del taladro, tiempo deinstalacin y calidad del macizo rocoso, adems permitecontrolar su comportamiento del perno de roca durante y

    despus de su instalacin.

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    EXTENSOMETRO DE VARRILLAS E INCLINOMETROLas mediciones de desplazamientos en el interior del macizo rocoso serealizan con el fin de controlar los desplazamientos o movimientos relativosdentro del macizo rocoso asociados con problemas de inestabilidad odurante la ejecucin de labores mineras subterrneas y superficiales,instrumentndose taladros de gran profundidad, utilizando un ExtensometroMecnico y/o Hidrulico de Varillas de Anclaje Mltiple, con el cual seevala los desplazamientos midiendo los cambios progresivos de lacomponente axial de la deformacin y un Inclinmetro para evaluar

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    EXTENSOMETRO

    En la Foto se aprecia a los componentes del extensometro hidrulico

    de varillas y sus accesorios, tubo de anclaje,

    placas demedicin y

    direccin,equipos demedicin, gatahidrulica ycableado,accesorios de

    la cabeza delectura.

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    INCLINMETROS

    En la Foto se aprecia a loscomponentes delinclinmetro y susaccesorios: canales dealuminio, instrumento de

    medicin, batera,instrumento de lectura,cables y accesorios demedicin.

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    EXTENSOMETRO DE CINTA

    En la Foto se aprecia,ejecutndose mediciones de

    convergencia, utilizando elextensometro de cinta, en el bypass 725, de la Rampa norte delNivel 1870, de la mina San Vicentede la Compaa Minera SanIgnacio de Morococha.

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    BARRA TELESCOPICAEXTENSOMETRICA

    En la Foto se aprecia,realizndose mediciones entredos puntos (techo-piso) de la

    labor minera subterrnea, conla Barra telescpicaextensometrica, con el objetode ver su comportamiento deltecho respecto al piso de laexcavacin, dichas mediciones

    se realizan en la Mina Juanitade la Compaa MineraPerubar S.A

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    MARTILLO SCHMIDT DEDUREZADenominado tambinesclermetro o martilloestandarizado, nos permiteobtener valores de durezade la roca por elprocedimiento del rebote;con el fin de determinar enforma rpida valoresaproximados deparmetros de diseocomo la estimacin de la

    resistencia compresiva, enfuncin a la densidad de laroca.

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    PROCEDIMIENTOS DE ENSAYOEnsayos estndares para la determinacin de las propiedades Fsico-

    Mecnicas de las rocas.LABORATORIOPROPIEDADES FSICASLa determinacin de las Propiedades Fsicas se basa, en elestablecimiento de los Pesos Natural, Seco y Saturado, y el volumende probetas rocosas y/o minerales.

    El Peso Natural de acuerdo al ISRM (Society International For RockMechanics), de la muestra debe tener como mnimo 50 grs.,El Peso Seco se determina, mediante el secado de las probetasdentro de un horno ventilado a una temperatura promedio entre 105- 110C, El Peso Saturado, se obtiene sumergiendo a la probeta en

    agua destilada.

    Para determinar dichos pesos se lleva un registro peridico de lospesos, el lapso de secado y saturado de las muestras rocosas seobtiene aproximadamente en 48 horas, determinado cuando ladiferencia entre dos pesadas sucesivas no exceda de 0.01 grs.

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    El Volumende la probeta rocosa y/o mineral a ser ensayado sedetermina mediante probetas simtricas y/o probetas irregulares,mediante el principio de Arqumedes, en el caso particular de probetas

    irregulares.

    Peso Seco

    Volumen

    Peso Seco

    VolumenDensidad = (gr/cm2

    Peso especifico Aparente (P.E.a.) = x 9.81 (KN/m)

    Porosidad Aparente (P.a.) = Peso Saturado - Peso Seco

    w x Volumen x 100 (%)Absorcin (en peso) Peso Saturado - Peso Seco x 100 %

    Peso

    Donde:

    w= Densidad del agua (gr/cm).

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    PROPIEDADES MECANICASENSAYO DE COMPRESIN SIMPLEDenominado tambin ensayo de Compresin Uniaxial, este ensayo

    consiste en aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, aprobetas rocosas y/o minerales cilndricas, hasta producir su rotura,como se aprecia en la Foto

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    RELACIN DE ESBELTEZ:

    La probeta rocosa y/o mineral a serensayada debe tener la siguiente relacin:

    L/D = 2

    Donde:

    L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

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    FACTOR DE CORRECCIN DE PROTODYAKONOV:Cuando la relacin de esbeltez es L/D 2, se puede aplicar el

    factor de Correccin de Protodyakonov, cuya relacinmatemtica es la siguiente:

    L

    D

    C

    O

    27

    8

    Donde:o = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 2.c = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D 2.L = Longitud de la Probeta.D = Dimetro de la Probeta

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    FACTOR DE CORRECCION DE OVERT DUVALL

    Cuando la relacin de esbeltez es L/D 2, se puede aplicar el factorde correccin dado por Overt Duvall1981 (Rock Mechanics andthe desing of Structures in Rock):

    Donde:o = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 1.c = Resistencia Compresiva uniaxial con 2 >L/D >1/3.

    L = Longitud de la Probeta.D = Dimetro de la Probeta.

    0

    0.778 0.222 /c D L

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    FRMULA MATEMTICA:

    A

    FC

    Donde:

    -

    c = Esfuerzo de Compresin en (Kg/cm-F = Carga ultima aplicada Kilos-D = Dimetro en cm2

    L

    D

    F

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    ENSAYO DE TRACCIN INDIRECTA METODOBRASILEROEl ensayo consiste en someter a una probeta cilndrica (disco deroca y/ mineral) a una carga lineal compresiva actuando a lolargo de su dimetro

    P

    P

    D

    L

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    FRMULA MATEMTICA:

    Donde:

    t = Resistencia a la traccin indirecta de la roca y/o mineral en (Kg/cm).

    P = Carga ltima de rotura de la probeta (Kg).D = Dimetro de la probeta (cm).L = Longitud de la probeta (cm). = Constante.

    DL

    P

    t

    2

    RELACIN DE ESBELTEZ:La probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguienterelacin:

    L/D = 0.5Donde:L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

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    ENSAYO PARA DETERMINAR CONSTANTESELASTICAS

    Es igual al ensayo de compresin uniaxial y/o simple, con la adicin de quedurante la aplicacin de la carga axial compresiva se miden lasdeformaciones unitarias axiales A(acortamiento longitudinal) ydiametrales D(expansin lateral).Las constantes elsticas E(Modulo de Deformacin) y (Relacin dePoisson) estn definidas por las siguientes formulas matemticas:

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    Las constantes elsticas E(Modulo de Deformacin) y (Relacin de Poisson) estn definidas por las siguientes formulas

    matemticas:

    1

    A

    D

    A

    Donde:

    E = Modulo de Deformacin y/o de Elasticidad.

    = Relacin de Poisson.1= 50% de la Resistencia Compresiva.D = Deformacin Unitaria Diametral.A =Deformacin Unitaria Axial.Estos valores corresponden al 50% de la Resistencia Compresiva o cargade rotura (1= 0.5 c).

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    ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUALENSAYO DE CARGA PUNTUAL FRANKLIN

    El ensayo de carga puntual denominado tambin Diametral se ejecutasobre muestras de roca y/o mineral por lo general sobre testigos deperforaciones de raise boring, teniendo en consideracin el estndar delISRM, como se aprecia en la Foto.

    D

    L

    l

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    RELACIN DE ESBELTEZ:La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relacin:

    L/D = 1.4Donde:L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

    FRMULA MATEMTICA:

    Is = P/DDonde:Is = ndice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm).P = Carga ltima de rotura (Kg).D = Dimetro de la probeta (cms).

    Estimacin de la c, en relacin a la Carga Puntual.FRMULA MATEMTICA:

    c =( 14 + 0.175 D) IsDonde:c= Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm).D = Dimetro de la probeta en mm.

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    ENSAYO DE CARGA PUNTUAL LOUISEl ensayo de carga puntual denominado tambin Axial se ejecuta sobre

    muestras de roca y/o mineral por lo general sobre testigos deperforaciones de raise boring, teniendo en consideracin el estndar delISRM, como se aprecia en la Foto.

    D

    W

    F

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    RELACIN DE ESBELTEZ:La probeta a ser ensayada debe tener la siguienterelacin:

    L/D = 1

    Donde:

    L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

    FRMULA MATEMTICA:

    IL = P/S

    Donde:IL = ndice de Carga Puntual Louis (Kg/cm).P = Carga ltima de rotura (Kg).S = Area de rotura (cms).

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    ENSAYO DE CARGA PUNTUAL Prueba de Bloque

    Esbeltez :L > 0.5 D0.3 W < D > W

    L

    L

    D

    DW

    PIS=----- , c= 24 IS

    D2

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    ENSAYO DE CARGA PUNTUAL Prueba de Bloque Irregular

    Esbeltez :

    L > 0.5 D0.3 W < D > W

    2

    21 WW

    W

    D

    D

    L W1

    W2

    PIS= ----- , c= 24 IS

    D2

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    Colocando probetas cilndricas conrelaciones L/D = 2, dentro de unacelda triaxial y aplicando unapresin de confinamiento lateral3constante (Esfuerzo PrincipalMenor), dentro de un rangoestablecido, se somete a estas a

    un cargado axial hasta producir surotura, en esfuerzos quecorresponden a 1 (Esfuerzoprincipal mayor). Con los datos de1y 3 registrados, se construyela Envolvente de Mohr,

    obtenindose de la misma losparmetros de Resistencia alCorte: Cohesin So y el Angulo deFriccin Interna i de la roca y/omineral, como se aprecia en laFoto

    ENSAYO DE COMPRESIN TRIAXIAL

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    ENSAYO DE CORTE DIRECTO SOBRE

    DISCONTINUIDADES

    Los ensayos se llevan a cabo a travs de superficies dediscontinuidad contenidas en testigos rocosos y/o mineralesde 5 cm. (50 mm.) de dimetro, de acuerdo al estndar delISRM

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    El ensayo consiste en cizallar la probeta a travs de la superficie dediscontinuidad, sometindola a un Esfuerzo Normal constante n.

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    El Esfuerzo de Corte cpara iniciar y mantener el desplazamiento,es determinado para un rango de esfuerzos normales.Durante los ensayos se miden los desplazamientos de la parte

    superior de la probeta en relacin a la parte inferior, producidas comoconsecuencia de la aplicacin de los esfuerzos

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    CONDICION DE ENSAYOS

    Cada ensayo a ejecutarse en el Laboratorio de mecnica deRocas, se enmarcan dentro de los procedimientos estandarizadosla Sociedad Internacional de Mecnica de Rocas (ISRM).

    Las velocidades de carga aplicadas durante los ensayoscompresivos deben estar en el rango recomendado de 5 a 10

    Kg/cm/seg. (0.5 MPa1.0 MPa/seg.).

    Estas sern ensayadas ya sea en condiciones seca, de humedadnatural o saturada,

    A fin de racionalizar la cantidad de ensayos, las resistencias

    compresivas reportadas pueden ser obtenidas de los ensayos deconstantes elsticas.

    Debe tratar en lo posible de extraer muestras representativas desu entorno fsico,

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