Curso Perforaciòn y Voladura - Manual 1

ROCK INFO Consultora Geomecnica - Minera

Corporacin Aceros Arequipa S.A.

Lnea Minera

Geomecnica aplicada a la Perforacin y Voladura de rocas en Minera Subterrnea


I. Antecedentes

Conceptualizacin Geomecnica Modelos Geomecnicos de Anlisis

Beneficios de la aplicabilidad de la Geomecnica


1. Conceptualizacion de la Geomecnica actualmente.

Hoy en da la geomecnica juega un rol muy importante en la ingeniera minera

e ingeniera civil; particularmente constituye la base cientfica de la ingeniera

minera, ya que a diferencia de la ingeniera civil, tiene sus propias

peculiaridades, guiados por el concepto vida de la operacin.

La caracterizacin geomecnica del macizo rocoso ser vital para las

operaciones unitarias de perforacin y voladura a emplearse.

La aplicabilidad de la Geomecnica beneficia el aspecto de la seguridad

minera, ya que la aplicacin de esta ciencia, garantiza el anlisis adecuado para

el control de estabilidad de las excavaciones subterrneas y superficiales.

Todo Diseo Minero y/o Civil debe tomar el factor geomecnico como

herramienta clave para un diseo correcto.

Las operaciones de Perforacin y Voladura debern tomar el factor

geomecnico como base para sus diseos respectivos.


2. Causas del desarrollo de la Geomecnica.

Bsicamente su desarrollo obedece a las siguientes causas:

Incremento de la actividad cientfica a travs de teoras, mtodos,

instrumentacin y implementacin de software geomecnicos.

Incremento del tamao y volmenes de produccin de las operacin mineras,

subterrneas y superficiales. Control de la estabilidad Global del yacimiento.

Nexo con tcnicas de perforacin y voladura. Sumado al soporte.

Necesidad de explotacin de recursos minerales en ambientes desfavorables

de minado. Condiciones desfavorables ambientes de alta ley.

Nexo con tcnicas de perforacin y voladura. Sumado al soporte.

La conservacin del recurso humano y la seguridad industrial. [Normas MEM].

Aplicacin de nuevas tecnologas de excavaciones de roca: perforacin y

voladura.


3. Beneficios de la Geomecnica: La aplicacin de la Geomecnica, beneficiar a las diversas reas operativas de la

Compaa Minera, beneficindolas en los siguientes aspectos:

Garantizar la seguridad durante la excavacin de las labores mineras, mediante la interpretacin de deformaciones, niveles de esfuerzos, principalmente.

Permitir brindar a los departamentos de perforacin y voladura los parmetros mecnicos de la masa rocosa, afn de seleccionar el tipo y cantidad

de explosivo adecuada para el tipo de roca a ser excavada.

Define las aberturas mximas y tiempos de autosoporte de las excavaciones mineras: temporales y permanentes.

Determina la estabilidad estructuralmente controlada de las labores de preparacin y explotacin [EEC], verificando en cada una de ellas la formacin de

bloques y cuas inestables.


4. Beneficios de la Geomecnica: Permitir definir las secuencias de explotacin, tanto a nivel particular y global en

el yacimiento.

Permitir definir las categoras y tipos de sostenimiento a aplicarse,

determinando estndares de sostenimiento en funcin a los tiempos de exposicin

de las labores mineras: preparaciones y explotacin.

Permitir la estandarizacin del tipo y cantidades de sostenimiento a aplicarse en

cada una de las labores mineras, as como el tipo de relleno a aplicarse.

Permitir seleccionar y disear alternativas de nuevos mtodos de explotacin

en las futuras zonas de explotacin. As como establecer algunas variantes en el

mtodo de explotacin aplicado actualmente.

Permitir mediante el monitoreo geomecnico verificar y validar suposiciones

adoptadas durante las fases de diseo inicial del laboreo minero.


II. Metodologa de Estudio

Metodologa del estudio geomecnico.


1. Metodologa para su aplicacin: La metodologa que intenta proveer una base para el diseo o dimensionamiento

geomecnico de excavaciones o estructuras rocosas, comprenden aspectos

involucrados en tres tipos de modelos; el geolgico, el geomecnico y el

matemtico, conforme al siguiente esquema.

Modelo

Geolgico

Modelo

Geomecnico

Modelo

Matemtico

La metodologa se ejecutar en forma secuencial no

evadiendo ningn modelo para llegar a la conclusin

definitiva para el proyecto

SECUENCIAL


2. Metodologa de Aplicacin de Geomecnica en la Perforacin y

la Voladura. La interpretacin y anlisis involucrados en las actividades de perforacin y

voladura se sustentan en el comportamiento geolgico y geomecnico del macizo

rocoso, esto es, asociar los Modelos Geolgicos y Modelos Geomecnicos

previamente a las operaciones unitarias de perforacin y voladura.

La clave del xito de stas operaciones unitarias, estar ntimamente asociada al

buen entendimiento de dichos modelos; siguiendo una secuencia ordenada y

clasificada de anlisis e interpretacin de resultados.

La interpretacin final de dichos modelos ser interactuada con el manejo de

herramientas de computo [software geomecnicos y software de voladura], los

cuales se enfocarn bsicamente a la simulaciones de estabilidad de las labores

mineras afectas por las operaciones de perforacin y voladura.


3.1. Modelo Geolgico:

3. Modelos de estudio:

Trata de caracterizar o definir la estructura de la masa rocosa; nos brinda

informacin geolgica del medio en la cual se desarrollar la perforacin y

voladura.

Se conceptualiza al Modelo Geolgico el pilar clave para toda evaluacin

geomecnica, ya que ste aportar informacin clave del comportamiento

geolgico del macizo rocoso, aportando informacin clave para el desarrollo

de las tcnicas de perforacin y voladura a ejecutarse.

Parmetros de investigacin: litologa, estructuras, propiedades mecnicas

bsicas, hidrologa, sismologa, tectnica, etc.

En la actualidad el Modelo Geolgico se muestra ms accesible para el

operador minero a travs de herramientas de computo: Manejo de Software

[visualizacin espacial de la influencia de la zona mineralizada].


2.2. Modelo Geomecnico:

2. Modelos de estudio.

Su conocimiento es considerado pilar clave para los programas de

perforacin y voladura a ejecutarse, ya que ste aporta resultados

cuantitativos respecto a las propiedades mecnicas de la masa rocosa.

El modelo estar apoyado con la aplicacin de tcnicas de valoracin de

calidad de roca, as como la instrumentacin adecuada para la determinacin

de las propiedades mecnicas del macizo. [pruebas en campo y laboratorio].

Parmetros de investigacin: propiedades elsticas de la masa rocosa:

Mdulos Elsticos, resistencia a la compresin, anlisis de esfuerzos [niveles

de esfuerzos: magnitudes y orientaciones, etc.

Hoy en da las tcnicas de levantamiento de informacin son sumamente

rpidas, verstiles y confiables. En la actualidad el modelo se complementa

con la interpretacin [simulaciones] mediante la utilizacin de software

geomecnicos de muy buena confiabilidad de resultados, los cuales suman

los efectos de voladura en la estabilidad del macizo rocoso.


2.3. Modelo Matemtico:

2. Modelos de estudio.

Integra los dos modelos anteriores, es secuencial; considera los

aspectos geomtricos de las excavaciones (condiciones de borde) e

interacta con la matemtica de elementos finitos (software).

Anlisis de esfuerzos actuantes y resistencias disponibles.

Simulaciones tenso - deformacionales; las cuales se llevan a cabo a

travs de interpretacin de software geomecnicos.

Las tcnicas a emplearse dependern de la complejidad del tipo de

excavacin a desarrollar, lo correcto es llevar a cabo toda la secuencia

de metodologa e interactuar efectivamente con el modelo matemtico el

cual permite controlar las inestabilidades a travs de mltiples

simulaciones.


Monitoreo a travs de Simulaciones con Software Geomecnicos

Aplicabilidad de Software Geomecnico Unwedge - Estabilidad de Bloques y Cuas. Simulaciones de pernos de anclaje + Shotcrete, conforme a caractersticas geomecnicas de la roca.

Controles de Factores de Seguridad.


Monitoreo a travs de Simulaciones con Software Geomecnicos

Aplicabilidad de Software Geomecnico Phases Anlisis de Esfuerzos y Deformaciones. Controles de Factores de Seguridad.


III. Anlisis de los Modelos Geolgico y Geomecnico

Parmetros de estudio para la eficiencia de la

Perforacin y Voladura


1. Propiedades geolgicas y geomecnicas de inters para las

tcnicas de Perforacin y Voladura. Como lo indicramos el anlisis e interpretacin del comportamiento mecnico

del macizo rocoso estar ntimamente relacionado al desarrollo de las tcnicas

de perforacin y voladura a efectuarse.

Teniendo como objetivo general: excavar en el macizo rocoso causando el menor dao posible a la zona de influencia del trazo de la perforacin.

Los parmetros geomecnicos que deben ser considerados para un correcto

diseo de la perforacin y voladura en el macizo, bsicamente son:

Mdulos Elsticos de la masa rocosa.

Resistencia a la compresin uniaxial de la masa rocosa.

Condiciones de las Discontinuidades.


A. Constantes Elsticas.

1. Modulo de Young. (E). La elasticidad es la propiedad que hace un objeto, que ha sido deformado, regrese a su forma original despus de que se han removido las fuerzas deformadoras. Segn esta definicin, casi todos los materiales son elsticos (hasta cierto lmite).Robert Hooke estableci que el esfuerzo es proporcional a la deformacin ( ); a esto se le conoce como la ley de Hooke. El mdulo de elasticidad se representa por la letra E y por consiguiente se calcula con la siguiente relacin:

Donde: E : Modulo de Young.

: Esfuerzo o tensin.

: Deformacin.


Aunque da la impresin de ser una medida de las propiedades elsticas de los materiales, E es una medida de su rigidez, entre mayor es el valor de esta constante, mayor es la rigidez del material. Esta constante de proporcionalidad fue calculada a principios del siglo XIV por Tomas Young por lo que es llamado el mdulo de Young y corresponde a la constante de proporcionalidad que relaciona el esfuerzo y la deformacin unitaria (mientras que el material no exceda su lmite elstico).

El Modulo de Young es una medida de resistencia elstica o de la

habilidad de una roca para resistir la deformacin. Cuanto mayor sea el

Modulo de Young mayor dificultad tendr para romperse.

Tiene influencia en la malla de perforacin, tipo y cantidad de explosivo

a disponer en las operaciones de voladura.

1. Modulo de Young. (E). A. Constantes Elsticas.


A. Constantes Elsticas.

Cuando un cuerpo se acorta por efecto de una compresin, se alarga en la

direccin perpendicular a la compresin. Un cuerpo alargado por efecto de

una traccin, disminuye su ancho en la direccin perpendicular a la tensin.

La relacin entre la deformacin longitudinal y la deformacin

transversal se denomina coeficiente de Poisson v .

2. Relacin de Poisson. (v)

El coeficiente de Poisson es la razn entre la contraccin lateral y la

elongacin axial.


Mdulos de Young y Coeficientes de Poisson tpicos para rocas.


B) Resistencia a la Compresin. RCU. Considerada la una de las propiedades ms importante a utilizar en el diseo de

la perforacin y voladura, verifica la resistencia a sobrepasar para llegar a la

rotura por presin.

Su conocimiento determina la tcnica de perforacin y voladura a emplear:

seleccin de trazo de perforacin, seleccin de tipo de explosivos, principalmente

sumada al estudio de las constantes elsticas de la roca.

La Resistencia a la compresin de la roca puede determinarse en forma rpida en

los frentes avance, conociendo de esta forma la respuesta del macizo rocoso a

ser excavado, reaccionando oportunamente para las variantes de perforacin y

voladura a ejecutarse.

La RCU en el campo, se llega a determinar mediante la utilizacin del Martillo

Schmith, el cual puede formular rangos de resistencia de roca de 20 - 400 MPa.

Los anlisis debern ser efectuados discretizando dominios geomecnicos.


Procedimiento de toma de datos para la evaluacin con la utilizacin de Martillo Schmidt

Discretizacin de toma de datos con relacin a dominios geomecnicos.

Aplicacin prctica de determinacin de la Resistencia a la Compresin del Macizo in situ.


C) Condiciones de las Discontinuidades.

Condicin de distribucin espacial de las discontinuidades [mayores y menores]

orientaciones y espaciamiento bsicamente. Dichas propiedades debern ser

evaluadas respecto a los principales sistemas de discontinuidades presente en el

macizo rocoso.

El espaciamiento determinar el tamao de bloques in situ y por ende el grado de

fragmentacin del macizo rocoso esperado. Los programas de Perforacin y

voladura apuntarn a lograr la ptima fragmentacin en funcin a este

parmetro.

La performance de la perforacin y voladura, responder a las condiciones de

estabilidad que asocia la distribucin espacial de las discontinuidades.

Por lo general los existen 1SD, 2SD o 3SD, lo cual genera todo un anlisis de

dominios geomecnicos presentes en el yacimiento. Debiendo anexar cada uno

de ellos a una tcnica de perforacin y Voladura especfica.


Anlisis de la orientacin espacial y espaciamiento de las discontinuidades presentes en el Macizo rocoso.

Los efectos de la orientacin de los principales sistemas de discontinuidades presentes en el macizo rocoso, determinarn la efectividad de la perforacin y voladura sobre este.


Conformacin espacial de la masa rocosa

Efectos de la conjugacin de Sistemas de Discontinuidades presentes en la Masa Rocosa.

Efectos de la conjugacin de Sistemas de Discontinuidades presentes en la Masa Rocosa.

Consideraciones importantes en seleccin de la tcnica de perforacin y voladura a ejecutarse.


Influencia de los Esfuerzos en la estabilidad subterrnea.

Esfuerzos Presentes en la Masa Rocosa.

Los esfuerzos estarn influenciados directamente con la profundidad en la cual es

excavada la labor minera.

Esfuerzos Presentes en la Masa Rocosa.

Concentracin de esfuerzos inducidos en las proximidades de labores mineros contiguos.


Excavaciones en Zona de Falla o Zonas de Corte

Esfuerzos en Roca Estratificada

Los efectos de concentracin de esfuerzos, pueden ocasionar la rotura de rocas, pandendose produciendo colapso.

Esfuerzos en Roca Estratificada

Los efectos de concentracin de esfuerzos, pueden ocasionar la rotura de rocas, pandendose produciendo colapso.



Esfuerzos en Zonas de Falla

Los efectos de concentracin de esfuerzos, determinaran la ocurrencia y activaciones de bloques o cuas de mayor dimensin.

Son las fuentes mas generadoras de

accidentes en Mina, su deteccin muchas veces no se efecta por la persistencia de las fracturas, haciendo difcil su deteccin.

Animacin de la deteccin de bloques inestables producto de la activacin de fallas



Animacin que muestra los efectos nocivos, al no detectar y tener un registro de la ocurrencia

de una zona de falla.

Zona a la cual, no se le ha colocado el debido sostenimiento.

Zona de Concentracin de esfuerzos producto de las activaciones de la Falla.

El sostenimiento en minera subterrnea debe venir con el avance del frente, Metro avanzado Metro Sostenido.

Las operaciones de perforacin y voladura debern estar enfocadas a no activar las zonas de falla o zonas de corte presentes.


Influencia de las orientaciones de las Discontinuidades

Orientaciones de Discontinuidades Desfavorables para la Estabilidad

Cuando las discontinuidades se presentan

paralelas al eje de la excavacin, los problemas de estabilidad sern severos y

en consecuencia, las medidas de sostenimiento sern mayores, para el

control de la estabilidad.


Influencia de las orientaciones de las Discontinuidades


Parmetros Geomecnicos

Propiedades de Ingeniera

Resistencia Deformabilidad

Resist.Traccin

Resist. Compresin Uniaxial:

RCU

Resist. Compresin Triaxial:

Cohesin = c

Angulo de friccin =

Mdulos Elsticos:

Mdulo de Young = E

Mdulo de Poisson = v

ENERGIA REQUERIDA DEL EXPLOSIVO


IV. Efectos de la Perforacin y Voladura

Daos en el macizo Rocoso Daos en los mecanismos de estabilizacin


1. Fundamentos de la Clasificacin RMR. (Rock Mass Rating)

Criterios de Dao en el macizo rocoso. Los mecanismos de dao producto de la voladura tienen efectos realmente

nocivos en la estabilidad del macizo rocoso. Las malas tcnicas de perforacin

y voladura a emplearse por el desconocimiento de las propiedades

geomecnicas del macizo rocoso, producirn efectos de grado considerable en

el estabilidad de las excavaciones subterrneas.

A) Daos inducidos en el macizo rocoso por la voladura:

Generacin de nuevas fracturas a las existentes.

Apertura de discontinuidades pre - existentes.

Reduccin de la resistencia al corte de las discontinuidades.

Degradacin de la Calidad Geomecnica del Macizo Rocoso.

Activacin de Energas Geodinmicas presentes en el macizo rocoso.


Influencia de la Degradacin de la Calidad de Roca

Efecto de la influencia de las Vibraciones causadas por efecto de la voladura, dao en el macizo. Control de los Niveles de Vibracin para los Factores de reduccin de RMR por Dao.


Aplicacin del la Influencia del Dao con interpretacin de Software

Aplicacin del efecto Dao en el macizo rocoso, interpretacin con Software geomecnico - RocLab.


Influencia del Dao en el Macizo Rocoso

Mecanismos de Dao al Macizo Rocoso, producto de las tcnicas de perforacin y

voladura a emplearse.

Activacin de discontinuidades en la zona de influencia del disparo.

Disminucin de la resistencia al corte de estas.


Mecnica de Produccin de un Estallido de Rocas debido a factores Geodinmicos.

Influencia de Dominios Geomecnicos de gran

diferenciacin estructural.

Control de Estallidos de Rocas. Liberacion de Energia en las zonas detectadas de

concentracion de estas.

Sondajes diamantinos, perforacin convencional, voladuras inducidas, etc.

Efectos Geodinmicos - Estallidos de Rocas.


B) Daos inducidos en los mecanismos de estabilidad:

Reduccin de las capacidades de carga de los Pernos de Anclaje.

Reduccin de las propiedades mecnicas de los Pernos de Anclaje.

Reduccin de las propiedades mecnicas de los encapsulantes.

Reduccin de los lmites de tenacidad del Shotcrete - Ruptura.

Efectos de craquelamiento interno en la zona de contacto roca y shotcrete.

Activacin de agrietamientos de los empalmes en las cimbras.


Efecto sobre los Pernos de Anclaje Zona de Influencia 3 - 4 veces el ancho del

frente de avance.

Influencia del Dao en el los elementos de Soporte.

Efecto sobre la Malla Electrosoldada - Cocada. Dismunicion de las Propiedades Mecnicas del

acero que conforma dicha estructura.


V. Enfoque de la Aplicabilidad de la Geomecnica

Principios del enfoque Geomecnico.


1. Principio del Enfoque Geomecnico en las tcnicas de

Perforacin y voladura. El papel clave de la geomecnica en las tcnicas de perforacin y voladura no

solo deben apuntar a la determinacin de propiedades geomecnicas del

macizo y el control de los efectos nocivos que pudieran causar estas.

El principal objetivo de la utilizacin de esta ciencia es sumar en las

evaluaciones de Costo - Beneficio de todas las operaciones involucradas en la

produccin de mineral.

Hoy en da el rol de la geomecnica en estos fines es establecer ndices de

Gestin; en los Departamentos de Geomecnica y de Perforacin y Voladura,

de las mineras.

Llegando a determinar el antes de la Perforacin y voladura sin aplicacin de geomecnica y el despus de la Perforacin y Voladura con aplicacin

de geomecnica.

.


2. ndices de Medicin de la Aplicabilidad de Geomecnica.

ndices de Seguridad, post : Perforacin y Voladura.

Metros de avance mensuales programados versus los ejecutados.

Consumo de Explosivos programados y consumidos.

Vida til de los elementos de sostenimiento aplicados, antes y despus.

Anlisis de tiempos en reemplazo y/o reparacin de soporte instalado.

Niveles de vibracin y los efectos de dao en el macizo rocoso.


TIPS


"El xito llega a aquellos que, en vez de asustarse por la nueva tecnologa,

la alcanzan y la acogen." Fred Gray

"Un sueo es slo un sueo. Una meta es un sueo con un plan y una fecha

de cumplimiento."

Harvey Mackay


GRACIAS

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