DESCRIPCIÓN GEOMECÁNICA DEL

MACIZO ROCOSO PERTENE-CIENTE A LA MINA DE HIERRO

“EL UVO”Diego Andrés Lara Fernández

UPTC Seccional Sogamoso, Sogamoso, Colombia e-mail: diego.lara @uptc.edu.co

ResumenEste documento contiene información concisa

referente a la descripción geomecanica de la mina subterránea de hierro “El Uvo”, para ello, fue ne-cesario el empleo de fuentes de información pri-marias como es el caso de libros, tesis y algunos artículos de investigación científica quienes ayu-daron y aportaron importantes estudios, que sir-vieron para la interpretación del estado actual en el que se encuentra el macizo rocoso sobre el cual está operando la mina. Básicamente este informe contiene los resultados referentes en primera ins-tancia a las propiedades mecánicas del macizo ro-coso dentro de las cuales se encuentran tanto las propiedades físicas como mecánicas, y en segunda instancia contiene los resultados de algunas clasi-ficaciones geomecanicas, como es el caso de la clasificación CSIR propuesta por Bieniawski, el RQD, y el empleo de los criterios de ruptura, los cuales en conjunto son importantes para analizar el estado tensional de las rocas en cualquier punto dentro del macizo rocoso, así como también para evaluar la puntuación global de este y su grado de estabilidad.

Palabras clave: caracterización geomecánica, clasificación geomecánica, estabilidad, macizo ro-coso, propiedades físicas, propiedades mecánicas, resistencia a la compresión.

GEOMECHANICS DESCRIP-TION ROCK MASS OF THE IRON MINE "EL UVO"

AbstractThis document contains concise information

concerning geomechanics description of the un-derground iron mine "The Uvo", for it was neces-sary to use primary sources of information such as books, theses and some research articles who

helped and provided important studies, which were used for the interpretation of the current state in which the solid rock on which it is operat-ing the mine is located. Basically this report con-tains the results related in the first instance to the mechanical properties of the rock mass within which are both physical and mechanical proper-ties, and secondly contains the results of some geomechanical classifications, such as the classifi-cation CSIR Bieniawski proposed by the RQD, and the use of the criteria of rupture, which to-gether are important to analyze the stress state of rocks at any point within the rock mass as well as to evaluate the overall score of this and degree of stability.

Key words: physical properties, geomechanical characterization, geomechanical classification, mechanical properties, resistance to compression, rock mass, stability.

1. Intro-duc-ción

Para realizar la clasificación de un macizo roco-so es necesario cuantificar factores geomecánicos como lo son el índice de calidad de la roca, las ca-racterísticas de las discontinuidades, y la resisten-cia a la compresión, entre otros; estos factores de-finen el comportamiento mecánico de las rocas que lo componen, al igual que las posibles inci-dencias estructurales que pueden presentarse al realizar una excavación subterránea en dicho ma-cizo.

De otro lado es de vital importancia tener en cuenta que las propiedades físico-mecánicas de una roca no son las mismas, sino que varían de acuerdo a condiciones tales como: Profundidad de yacencia, tectónica, edad geológica, erosión, entre otras.

1

Diego Andrés,Lara Fernán-

dez

1 Estudiante In-geniería en Minas UPTC.

Jaime William,Jojoa Muñoz

2 Profesor de la Facultad de In-geniería en Minas. UPTC seccional Sogamoso.

La gran importancia de la determinación de las propiedades físico-mecánicas de las rocas que componen un macizo, radica en que con ellas se puede valorar una serie de índices necesarios para poder caracterizarlo, por lo que una primera apro-ximación para obtener estos índices, es someter a las rocas a pruebas de carga uniaxial o triaxial, de-pendiendo de la disponibilidad económica con la que se cuente. Los ensayos deben ser a compre-sión y tracción ya sea a nivel de laboratorio o si es posible in-situ.

Cabe anotar que los resultados obtenidos en la-boratorio no representan realmente el comporta-miento de los macizos, pues cuando se extrae una muestra de roca de un conjunto litológico, esta pierde su estado intacto dejando de interactuar con el macizo como un solo conjunto.

2. Desa-rrollo del te-ma

El presente estudio representa un trabajo en me-cánica de rocas realizado sobre la mina de hierro subterránea “El Uvo”. Para empezar el estudio tie-ne una amplia base-experimental pues se utiliza-ron los resultados de una serie de ensayos físico-mecánicos, así como los estudios geológicos que durante más de cuarenta años ha realizado la mi-na. El análisis de estabilidad estructural se funda-menta en el levantamiento de discontinuidades, el cual se ha realizado sistemáticamente en la mina a lo largo de todos sus años de existencia.

2.1. Propiedades del macizo Rocoso

2.1.1. Propiedades Físicas

2.1.1.1. Peso unitario, humedad, y porosidad. (γ, W, η)

El peso unitario de una roca es la relación exis-tente entre el peso y el volumen que ocupan sus partes sólidas, es uno de los factores de mayor im-portancia para los cálculos que se realicen en la determinación del comportamiento físico del ma-cizo. Se determinó que el peso unitario aproxima-do para la roca de techo es de 3,14 y para la roca de piso es de 2,82 T/m3.

La humedad se define como la cantidad de agua que esta roca o cuerpo contiene en sus poros, grie-tas y otros vacíos, se calculó por ensayos, y para el caso del mineral de hierro esta no supera el 15% , mientras que para la lutita y la limolita es cercana al 9%. Éste último dato se calculó me-diante la gravedad específica, el peso específico, y la humedad de este material.

2.1.1.2. Índice de Anisotropía e índice de Desleimiento

El índice de anisotropía se calcula para determi-nar el comportamiento isotrópico de las rocas, mientras que el índice de desleimiento mide la re-sistencia de los materiales a los efectos mecánicos periódicos, los resultados de los ensayos muestran que la lutita es un material de mala calidad.

2.1.2. Propiedades Mecánicas

2.1.2.1. Resistencia a la Compresión Simple (σc)

Para la determinación del límite de resistencia a la compresión de las rocas, las muestras deben ser sometidas a cargas triaxiales debido a que en un macizo en profundidad estas rocas están ex-puestas a estados triaxiales de esfuerzos; ya que estos ensayos son algo complicados, la determina-ción se realiza mediante cargas uniaxiales obte-niéndose datos no muy precisos pero que dan una primera aproximación a cerca del comportamiento mecánico de los materiales.

El estudio del doctor Álvaro Correa A, conside-ró 52 ensayos a testigos de roca tanto de techo, pi-so, como de mineral de hierro, obteniéndose que para la roca de techo la resistencia a la compre-sión es de 580,83 Kgf/cm2, para el mineral de 558,14 Kgf/cm2, y para la roca de piso de 568,84 Kgf/cm2.

2.1.2.2. Resistencia a la tracción (σt)

Es uno de los principales índices de resistencia de las rocas y se puede calcular por diferentes en-sayos, para el caso del estudio realizado en la mi-na de hierro, la resistencia a la tracción se deter-minó mediante el ensayo brasilero a 42 testigos para los tres tipos de roca, obteniéndose que para el mineral de hierro su valor es de 40,66 Kgf/cm2, para la roca de piso 60,19 Kgf/cm2, y para la roca de techo 21,60 Kgf/cm2.

2.1.2.3. Módulo de Elasticidad (ε)

Este parámetro se define como la relación exis-tente entre el incremento de la tensión y el incre-mento de la deformación y se calcula mediante los resultados del ensayo a la compresión simple. Es uno de los factores de mayor importancia para la determinación del factor de seguridad.

Los resultados de los ensayos hechos a testigos de mineral de hierro para la determinación de las propiedades físico - mecánicas muestran una gran variabilidad en su valor ya que sus límites o ran-gos oscilan entre 104169.9 y 261399.8.

2

2.1.2.4. Coeficiente de Poisson (ν)

Se define como la relación entre el módulo de Young que es la pendiente de la curva tensión de-formación axial y el módulo de deformación dia-metral que es análogamente la pendiente de la curva tensión – deformación diametral.

Los resultados de los ensayos hechos a testigos de mineral de hierro para la determinación de las propiedades físico - mecánicas muestran que el mineral de hierro presenta un coeficiente de pois-son que presenta unos rangos numéricos entre 0.12 y más o menos 0.07.

2.2. Clasificación del macizo RocosoPara realizar la clasificación de un macizo roco-

so es necesario cuantificar factores geomecánicos; estos factores definen el comportamiento mecáni-co de las rocas que lo componen, al igual que las posibles incidencias estructurales que se pueden presentarse cuando sobre el macizo se realiza una excavación que puede romper el equilibrio natural de esfuerzos al que anteriormente estaba someti-do.

2.2.1. Clasificación CSIR

Esta clasificación fué propuesta por Bieniawski del Concejo de África del Sur para la Investiga-ción científica e Industrial (CSIR); este modelo se basa en cinco parámetros y una serie de ajustes en relación a la incidencia sobre las excavaciones; estos parámetros tienen valuaciones particulares, que al ser sumadas dan la valoración general del macizo (RMR)

2.2.1.1. Resistencia de la roca Inalterada (σci)

La resistencia a la compresión se determinó me-diante los ensayos realizados por el doctor Álva-ro Correa a testigos de mineral de Hierro donde se obtuvo como resultado promedio un valor de σci = 52.02 MPa.

2.2.1.2. Índice de calidad de la roca (RQD)

Para calcular este índice es necesario determinar la relación existente entre la longitud de los nú-cleos recuperados mediante la perforación con diamante y la longitud del barreno.

RQD = 100*(Long. de los núcleos > 100mm /Long. del barreno) (1)

Para cuando no es posible realizar perforaciones el valor para el RQD, se estima como la relación entre el número de fisuras por unidad de volumen (Jv):

RQD (%) = 115 – 3,3 Jv (2)

Para la determinación del RQD es empleado el índice Jv, pues las perforaciones con que se cuenta, fueron realizadas en zonas consideradas como es-tables y lo que se busca con el estudio es evaluar las condiciones críticas del macizo. Según los le-vantamientos y las observaciones hechas en la mi-na, se tomó un valor para el (Jv) de 6 Fis/m3, obte-niéndose un RQD de 95.2%.

2.2.1.3. Espaciamiento de Discontinuidades

Este parámetro hace referencia a todas aquellas fisuras tales como fallas, diaclasas, planos de es-tratificación que son observados tanto en las pa-redes como en el techo de las excavaciones. Para el caso de la mina de hierro se tomó un valor de espaciamiento entre 1 y 3m.

2.2.1.4. Estado de las Discontinuidades

En la mina se observa que las discontinuidades son rugosas y duras con separaciones muy peque-ñas.

2.2.1.5. Condiciones de Agua Subterránea

La cantidad fluencia de agua por las fisuras y grietas al igual que la acumulada en las excava-ciones, hace que dentro del macizo se presenten problemas de estabilidad. La mina presenta secto-res con alguna fluencia de agua, pero en general se puede decir que la situación es ligeramente hú-meda.

2.2.1.6. Análisis de la Evaluación general del Ma-cizo rocoso

Con el análisis de los parámetros descritos ante-riormente se puede concluir que la valoración del macizo rocoso según el RMR es de 72 puntos, re-presentando un macizo de CALIDAD MEDIA TI-PO II, con valores estimados para un claro activo de 6m, tiempo de sostén de 6 meses, ángulo de fricción de 40 a 45 grados y cohesión de 200 a 300 KPa; estos datos se aproximan al caso real que se presenta en los frentes de explotación de la mina aunque por las condiciones de profundidad a las que se trabaja y por seguridad los techos de las excavaciones son pernados tan pronto se realiza el avance.

2.3. Criterio de ruptura de Hoeck y Bro-wn

El citerio generalizado de Hoeck y Brown (1980), determina la envolvente que entrega valo-res de resistencia del macizo para cualquier esti-mación de esfuerzo normal, está definido en base a los esfuerzos principales máximos y mínimos, mb que es una constante del macizo rocoso, s y a que también son constantes dependiendo de las características del macizo rocoso, y el esfuerzo de

3

compresión uniaxial de la roca (σci).

2.3.1. Estimación del GSI

Desde el punto de vista de la descripción geoló-gica, probablemente el paso más delicado en el proceso de estimación del comportamiento del macizo rocoso, es la evaluación del GSI.

La estructura del macizo rocoso de la mina de hierro “El Uvo” es de tipo CRUSHED (macizo rocoso con tratamiento muy pobre fuertemente fracturado), y las condiciones de las superficies de las fisuras son de tipo POOR (superficies estria-das, altamente meteorizadas), con un valor esti-mado para la roca de las paredes del túnel de 30.

De igual manera, el tipo de estructura en la par-te del techo está clasificada como tipo CRUS-HED, igualmente para el techo del túnel, el valor para la estructura del macizo es del tipo CRUS-HED, pero para las condiciones de las superficies de las fisuras es del tipo VERY POOR (Superfi-cies estriadas, altamente meteorizadas, rellenas o cubiertas con arcilla reblandecidas).

2.3.2. Valuación de la constante mi de Hoek y Brown para piezas intactas de roca

La constante mi para piezas intactas de roca puede determinarse en pruebas de laboratorio de tipo triaxial con alto grado de dificultad.

Sin embargo, mi puede ser calculado por medio de un análisis de regresión descrito por Hoek -Brown (1980) o se puede emplear la aproxima-ción de la valuación presentada en un cuadro de estimación, en este caso para la mina “El Uvo” se optó por emplear un valor de 4 tanto en la roca de las paredes, como también en el material del te-cho, asumiendo que los dos materiales son del mismo tipo, pero con diferentes propiedades.

3.

Conclusiones

La mina de hierro subterránea “El Uvo”, desde hace mucho tiempo ha sido objeto de estudio por diferentes autores, ya que en ella se ha vis-to la necesidad de emplear el manejo adecuado de la mecánica de rocas para la solución de problemas relacionados con la estabilidad, así como también el comportamiento de la matriz rocosa ante la perturbación o desequilibrio de sus condiciones naturales a las que esta origi-nalmente se encontraba antes de ser alterada.

Gracias al estudio de mecánica de rocas que se ha venido realizando a lo largo del tiempo en la mina “El Uvo”, se ha hecho posible el mejo-ramiento de algunos aspectos técnicos en cuanto al empleo de los métodos de explota-

ción, puesto que a partir del estudio de esta ra-ma se ha hecho posible la realización correcta del dimensionamiento de las cámaras y los pi-lares, aspecto fundamental para la extracción técnica y racional del mineral en cuestión.

Según los resultados obtenidos en la consecu-ción de este artículo, se pudo determinar que el macizo rocoso sobre el que actualmente se encuentra laborando la mina, presenta una puntuación general de 72 según los parámetros establecidos por el CSIR, de este valor se pue-de deducir además que en general el macizo, presenta una calidad media es decir del TIPO II, en el cual se pueden diseñar claros activos de 6m, con un tiempo de sostén de 6 meses.

Según los resultados obtenidos del análisis de las propiedades físico – mecánicas del mineral de hierro, se pudo determinar que éste presenta una humedad cercana al 15%, y un peso uni-tario de 2,82 T/m3, también de otro lado se lo-gró determinar que el hierro que compone la estructura rocosa presenta una resistencia a la compresión de 558,14 Kgf/cm2, mientras que su comportamiento ante la resistencia a trac-ción es de más o menos 40,66 Kgf/cm2.

4. Refe-ren-cias Biblio-gráfi-cas

[1] Bieniawski Z.T, Engineering Classification, Of Jointed Rock Masses. Transactions, Inst Of Civil Engineers, Vol 15, No.12, 1973, South African, pp 335-344.

[2] E.Joek, E.T Brown, Excavaciones Subterráneas en roca. Mc Graw Hill. Inc., México, México D.F, 1980, Paginas 319.

[3] Gonzáles de Vallejo, L.I. Las Tensiones Naturales en las Rocas. Monografía No 6. Master de Ingenie-ría Geológica. Universidad Complutense de Ma-drid. España, 1991.

[4] Jaime William, Jojoa Muñoz. Módulos de Mecáni-ca de rocas aplicada, U.P.T.C facultad seccional Sogamoso, escuela de Ingeniería de Minas, Soga-moso, Colombia. 2013.

[5] Luis I. Gonzales de Vallejo, Mercedes Ferrer, Ingeniería Geológica, Editorial. Prentice Hall.Inc, Madrid, España, 1980, Paginas 118-262.

[6] Oscar Ramírez, Principios de Geotecnia Básica, Madrid, España, 2008, Páginas 131-150.

4