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I SIMPOSIO DE GEOTECNIA“La Geotecnia como solución en obras civiles y mineras”

Lima 25 de abril del 2019

LA GEOMECANICA EN EL PROCESO DE DISEÑO DE MINAS SUBTERRANEAS

1

Ingenieros S.R.Ltda.DCR

Geomecánica en Minería y Obras CivilesMSc. Ing. Néstor David Córdova Rojas


Geomecánica en Minería y Obras Civiles

PROCESO DE DISEÑO DEL MINADO SUBTERRANEO

Dimensionamiento de tajeos y pilares

undercuts y niveles de producción

Secuenciamiento de minado

(análisis de esfuerzos)

Accesos e

infraestructuraPlaneamiento del Minado

Selección del

método de minado

Planeamiento del Minado y Mecánica de Rocas

GeologíaA

spec

tos

de

Dis

eño G

lobal

Planeamiento del Minado


Caracterización de

la masa rocosa

Delineación

del mineral

Análisis

Económico Global


Geología y Mecánica de Rocas

NO Diseño

Global

Aceptable




3

PROCESO DE DISEÑO DEL MINADO SUBTERRANEO

Ref: E. VillaescusaNov-2008

Sostenimiento de la masa

rocosa de la excavaciónMecánica de Rocas

FIN

GeologíaPerforaciones

de delineación

Monitoreo de

la extracción

Análisis Económico

Detallado

SI

SI

Planeamiento del MinadoDiseño de la

perforación y voladura

Diseño

Detallado

Aceptable

Documento de

Resultados

Asp

ecto

s de

Dis

eño d

e D

etal

le

Diseño

Global

Aceptable

NO

Operaciones, Planeamiento del Minado

Geología y Mecánica de Rocas




4

Caracterización de la masa rocosa.

Selección del método de minado.

Dimensionamiento del minado.

Secuenciamiento del minado.

Sostenimiento.

Monitoreo de la extracción.

1

2

3

4

5

6



55

Caracterización de la masa rocosa.1

2

3

4

5

6



6

Caracterización del sitioDefinición de las condiciones geomecánicas de la masa rocosa del

yacimiento para el minado

Formulación del modelo de minaConceptualización de los datos de la caracterización del sitio

Análisis de diseñoSelección y aplicación de esquemas matemáticos y computacionales

para el estudio de las alternativas de esquemas y estrategias de

minado

Monitoreo del rendimiento de la rocaMediciones de la respuesta operacional al minado de la masa rocosa

del yacimiento

Análisis retrospectivoCuantificación de las propiedades in-situ de la masa rocosa e

identificación de los modos de respuesta dominantes de la

estructura de la mina

COMPONENTES Y LOGICA DE UN PROGRAMA GEOMECANICO

7

• Definir las diferentes unidades litoestratigráficas asociadas al cuerpomineralizado.

• Determinación de las propiedades de resistencia y deformación de lasunidades lito-estratigráficas.

• Definición de las propiedades geométricas y mecánicas de los sistemasde discontinuidades menores.

• Ubicación y descripción de las propiedades de las discontinuidadesmayores.

• Estimación de la resistencia in-situ del medio rocoso a partir de laspropiedades de sus elementos constituyentes.

• Determinación del estado de esfuerzos in-situ en el área de minado.

• Investigación de la hidrogeología del cuerpo mineralizado y su entorno.

CARACTERIZACION DE SITIO

8

El objetivo es tomar en cuenta los principales rasgos geomecánicos queserán considerados en el comportamiento del modelo. Por ejemplo:

• A las unidades litológicas se les asignará propiedades de resistencia ydeformación promedias “representativas”.

• A los rasgos estructurales mayores se les asignará una geometríaregular y propiedades de resistencia al corte promedias.

• Se dará una especificación representativa del estado de esfuerzosdel pre-minado.

FORMULACION DEL MODELO DE MINA

9

PLANO GEOLOGICO

ESTRUCTURAL NIVEL +0



10

PLANO GEOMECANICO

NIVEL +0



11

PLANO DE ZONIFICACION

GEOMECANICA NIVEL +0

12

PLANO DE ZONIFICACIÓN GEOMECÁNICA

SECCIÓN TRANSVERSAL 3

En la definición de losdominios estructuralesse combinan aspectos:

• Litológicos• Estructurales• Alteraciones• Calidad de la masa

rocosaPLANO DE ZONIFICACION GEOMECANICA

SECCION TRANSVERSAL 3



13

ZONEAMIENTO DE CALIDADES DE

MASA ROCOSA EN SECCIONES

14

ZONEAMIENTO GEOMECANICA

ZONA HORIZONTES

VISTA 3D

15


ZONA HORIZONTES

NIVEL 3300

16


ZONA HORIZONTES

DETALLE SECCION 8711400



1717

Selección del método de minado.

1

2

3

4

5

6



18

METODOS DE MINADO SUBTERRANEO



19

Parámetros

Económicos

Condiciones

Naturales del

Yacimiento

Seguridad e Higiene y

Medio Ambiente

Factores

Tecnológicos

Factores que influyen en la selección

del método de explotación

SELECCION DEL METODO DE MINADO



20

SELECCION DEL METODO DE MINADO

–Geología

–Morfología de la mineralización

–Reservas y distribución de leyes

–Condiciones geomecánicas de la masa rocosa

–Condiciones hidrogeológicas

Condiciones naturales del yacimiento

El método (o métodos) de minado debe(n) estar aparejado(s) a todas estascondiciones naturales del yacimiento, de tal manera que el minado seatécnicamente factible. La factibilidad técnica debe ser complementada con unaevaluación económica del método (o métodos) de minado, para asegurar unafactibilidad técnica – económica óptima. También se debe complementar conuna evaluación de los aspectos de Seguridad e Higiene y Medio Ambiente, yFactores Tecnológicos.

21

–Tasas de producción (t/h)

–Vida de la mina

–Productividad (t/hombre-hora)

–Costos de explotación de otros métodos posibles

–Costos de capital de otros métodos posibles

Parámetros económicos

–Facilidad para disponer de áreas de disposición de materiales

–Condiciones de seguridad de otros métodos posibles

–Subsidencia, o efectos que afectan a la superficie

Seguridad y Medio Ambiente

–Recuperación

–Rendimientos mineros y mineralúrgicos

–Dilución

–Flexibilidad del método a condiciones cambiantes

–Selectividad del método

–Concentración o dispersión de los trabajos

–Facilidad para mecanizar y automatizar

–Intensidad de capital y mano de obra

Factores tecnológicos



22

Orden Método de minado Abreviación

1 Block ó Panel Caving BC

2 Room and Pillar R&P

3 Sub Level Stoping SLS

4 Sub Level Caving SLC

5 Cut and Fill Stoping C&F

6 Vertical Crater Retreat VCR

7 Top Slicing TS

8 Shrinkage Stoping SHS

9 Square Set Stoping SQS

METODOS DE MINADO EN ORDEN DE COSTOS



2323

Dimensionamiento del minado.

1

2

3

4

5

6



24

• Establecer dimensiones y esquemasadecuadas de los tajeos y de todos loscomponentes estructurales asociadosal minado.

DIMENSIONAMIENTO DEL

MINADO



25

• Representa el corazón de la práctica de la geomecánica.

• Aquí se puede predecir usando técnicas matemáticas o numéricasapropiadas, el rendimiento mecánico de las configuraciones de minadoseleccionadas y de las geometrías de las excavaciones, para lascondiciones predominantes de la masa rocosa.

• Las herramientas analíticas pueden variar desde las más simples, comopor ejemplo la teoría del área tributaria para el diseño de pilares, hastalas más avanzadas, como por ejemplo, los esquemas computacionalesque consideran modelos constitutivos bastante complejos delcomportamiento tanto de la masa rocosa como de sus elementos defábrica.

• Producto de recientes desarrollos en la capacidad de los esquemascomputacionales hoy en día disponibles, ha habido avancessignificativos, y mejoramiento de la confiabilidad, en la calidad deldiseño estructural en roca.

ANALISIS DE DISEÑO

26

SOSTENIMIENTO PRELIMINAR

separación

D

A

<

Modificar

c

Modificar el diseño para limitar la rotura

interior del macizo

potencial y su importancia

E

Análisis del papel de las

sostenimiento

>

Aceptar el

Clasificaciones Geomecánicas: RMR de Bieniawski, Q de Barton

c

Hay

Curvas Características

y

el diseño

t

de roca en el entorno de la excavación

B

c

C

Modificar el

discontinuidades

especificar

REQUERIMIENTOS OPERACIONALES

No hay

diseño

Determinar del campo de esfuerzos naturales

>

deslizamiento

del terreno

Comparar con y

ó

Diseño del

<

Tolerable

diseño

DISEÑAR LA EXCAVACION SEGUN

diseño y

deslizamiento

y/o separación

t

sostenimiento

Calcular los esfuerzos en el

Determinar la extensión de rotura

Intolerableo

t

Aceptar el

No hay

METODOLOGÍA DE DISEÑO DE EXCAVACIONES

SUBTERRÁNEAS(Brady & Brown, 1993)

27

METODOLOGÍA DE DISEÑO

Ref: R. Pakalnis



28

ESTABILIDAD CONTROLADA POR ESTRUCTURAS

Análisis de cuñas – Programa UNWEDGE (Rocscience Inc. 2004)Tajeo Intermedio Central (Tajeo 287). Sección de la excavación 85 m x 65 m.

29

ESTABILIDAD CONTROLADA POR ESTRUCTURAS

Análisis de cuñas – Programa UNWEDGE (Rocscience Inc. 2004)Tajeo Intermedio Central (Tajeo 287). Sección de la excavación 85 m x 65 m.

Tajo Planta Excavación

Discontinuidad crítica Tipo de Inestabilidad Potencial

JuntaFalla

RegionalLajamiento Pandeo Biplanar

Cuñas

Colgada Desliza por:

Tajeo Techo Sist 3 - - - Sist 2, Sist 3 Sist 1,2,3 -

Intermedio Pared NW Sist 1 F4: 70/120 Sist 1 - - - Sist 1, Sist 3

Central Pared NE Sist 2 - Sist 2 - - - Rota por Sist 1

Secc. 3,4,5y6 Pared SE Sist 1 F3: 75/115 Sist 1 Sist 1 - - Sist 2

Nvs. 0,-30,-46 Pared SW Sist 2 - Sist 3 Sist 3 - - Sist 3

Tajeo Techo Sist 3 - - Sist 3 Sist 2, Sist 3 Sist 1,2,3 -

Intermedio Pared SW Sist 2 - - - - - Rota por Sist 1

Norte Pared NW Sist 1 - Sist 1 - - - Sist 1, Sist 3

Secc. 10y11 Pared NE Sist 2 - Sist 2 - - - Sist 3, Sist 2

Nvs. 0,-30 Pared SE Sist 1 - Sist 1 - - - Sist 2

Tajeo 240 Techo Sist 3 - - Sist 3 Sist 2, Sist 3 Sist 1,2,3 -

Secc. 5y6 Pared W Sist 1 - - - - - Sist 1

Nvs. -46,-65 Pared NW Sist 1 - Sist 1 - - - Sist 1, Sist 3

Pared NE Sist 2 - Sist 2 - - - Sist 1, Sist 3

Pared SE Sist 1 - Sist 1 - - - Rota por Sist 3

Pared SW Sist 3 - Sist 3 - - - Sist 2



30

ESFUERZOS INDUCIDOS EN EL MINADO DEL YACIMIENTO



31

Contornos de desplazamiento total Fase 1



32

Contornos de desplazamiento total Fase 3



3333

Secuenciamiento del minado.

1

2

3

4

5

6



34

SECUENCIAMIENTO DEL MINADO

• Establecer la dirección general del avance del minado a través del cuerpomineralizado.

• Establecer la secuencia de extracción de los blocks de mineral y de los pilaresremanentes, preservando la estabilidad estructural de la mina a nivel global ylocal.

Maximizar la recuperación del mineral. Extracción temprana de bloques que tienen soporte natural. Lograr tasas de extracción uniformes espacialmente. Ordenar la retirada del minado hacia áreas sólidas y estables. Evitar dejar pilares remanentes dispersos. Minimizar áreas de altos esfuerzos inducidos. Controlar la estabilidad global de la mina y la sismicidad. Proteger las principales instalaciones de la mina. Limitar la cantidad de trabajo realizado en áreas altamente

esforzadas o potencialmente inestables.

OBJETIVOS

35

SECUENCIA DE AVANCE DEL

MINADO

CASO MINA CHUPA



36

Explotación Preparación

4,010 6 2

3,990 6 2

3,970 6 2

3,950 - - 1

Total 18 6 1

Nivel Nº de draw point Desarrollos

Desarrollo

Nv. 4010

Nv. 3990

Nv. 3970

Nv. 3950

Zona explotada

Zona por minar

NW SEARRIBA

ABAJO

PreExplotació

n

PreExplotació

nPreExplotació

n

OBJETIVO:Minimizar los riesgos a los recursos empleados.Mantener mineral preparado.Mantener una distribución de leyes promedio.


MINADO

CASO MINA ROSAURA



37

En retirada.De NW a SE.De caja piso a caja techo.

Zona explotada

Zona por minar

NW SECAJA

PISO

CAJA

TECHO

Explotació

n

Pre


MINADO

CASO MINA ROSAURA



38


MINADO

CASO MINA TINYAG

39


MINADO

CASO MINA YAULIYACU



40



41


MINADO

METODO SARC



4242

Sostenimiento.

1

2

3

4

5

6



43

SOSTENIMIENTO CON ESTRUCTURAS NATURALES Y ARTIFICIALES

• Estructuras naturales: efecto arco, pilares y escudos.

• Estructuras artificiales para sostenimiento activo y pasivo: pernos de roca,cablebolt, malla, cintas, shotcrete, cimbras, gatas, madera, relleno y otras.

• Importante: Controles de calidad antes, durante y después de la instalación delsostenimiento: materiales, equipos, procedimientos de instalación y rendimientodel sostenimiento.



44

METODOS DE DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO

• Utilización de los criterios de clasificación geomecánica de la masa rocosa: RMR,Q, y otros.

• Análisis de equilibrio límite o de estabilidad estructuralmente controlada.

• Aproximación “Convergencia – Confinamiento” o RSI (Interacción Roca –Sostenimiento).

• MATM (Nuevo Método Austriaco de Tunelería).

• Métodos numéricos: MEF, MEB, MED.

• Modelos físicos a escala reducida (maquetas).



45

CRITERIOS DE CLASIFICACION GEOMECANICA



46

CRITERIOS DE CLASIFICACION GEOMECANICA



47

ESTABILIDAD ESTRUCTURALMENTE CONTROLADA

Alternativa de estabilización con cablebolts de grandes cuñas potencialmente inestables formadas en el techode tajeos – Método de minado subniveles con taladros largos.



48

GRAFICO DE ESTABILIDADGRAFICO DE ESTIMACION DEL

SOSTENIMIENTO CON CABLEBOLT

METODO GRAFICO DE ESTABILIDAD



49

CONVERGENCIA – CONFINAMIENTO O RSI

equilibrio

de sostenimiento

Pre

sió

n d

el s

ost

enim

ien

to

Desplazam. radial hacia el interior

fluencia del sistema

Respuesta del sistema desostenimiento al desplazamientode la pared del túnel, resultanteen el establecimiento delequilibrio.



50




51




52

NATM - NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA

• El más común: Uso de la teoría de falla por corte (Rabcewicz and Golser, 1973).Entrada: profundidad de la excavación, parámetros de resistencia de la masarocosa, dimensiones de la excavación. Salida: resistencia requerida incluyendo elarco rocoso.

• Análisis del anillo de carga portante como un cilindro de pared gruesa (Egger,1973).

• Método de elementos finitos, usando variables de profundidad, diferentesrelaciones de esfuerzos, parámetros de resistencia de la masa rocosa y de lasdiscontinuidades, zonas de plastificación, desplazamientos, cargas sobre elrevestimiento, momentos de pandeo y fuerzas axiales en el revestimiento ydeformación en el revestimiento (Egger, 1973 y Kovári, 1969).

• Algunas personas usan solo el sistema de clasificación geomecánica de la masarocosa. Pero esto no es generalmente recomendado y no reemplaza a los cálculosde diseño detallado apropiado.

METODOS DE DISEÑO



53




54




55




56

METODOS NUMERICOS

Sostenimiento de cámara de echadero con pernos, cablebolts y shotcrete estimado con el programa PHASE2.



57

SELECCIÓN DEL SOSTENIMIENTO

58

MODELOS FISICOS A ESCALA

REDUCIDA



5959

Monitoreo de la extracción.

1

2

3

4

5

6



61

EJEMPLOS DE MONITOREO

SISMICO



62

REGISTRADOR :Paladin de 6 canales

PC de recepcion de data de los Registradores (paladin)

subterraneo

PC de Proceso en Superficie

63

S - 23

P 4

S - 21

S - 20

S - 22

S - 19

P3

S - 10

S - 11

S - 12

Raise 799-1 to

Lv. 4 ,120Alt. to Shaft

PC de

Adquisicion

MASTERSHAFT

Projected Heading

Extension

Projected

Heading

Extension

Projected

Heading Extension

S - 24

Ubicaciones Preliminares

Registradores y Sensores

Nivel 4,060Ing. David Regalado P. 09/06/2006

Ing. David Pegalado P.

Ing. Daniel I. Briones A.

A4

1/1 A

U

Geomecánica

Dibujo

LEYENDA

PALADIN (REGRISTRADOR)

SENSOR (GEOFONO)



64

CN4

V3N



65



66

CONCLUSIONES

El control de la estabilidad de las excavaciones asociada a la explotación de unyacimiento nace con el buen Planeamiento y Diseño del minado.

La caracterización de la masa rocosa para el minado es de suma importancia por lo queen todo proyecto u operación minera se debe mantener actualizada esta información.

Si bien es cierto que la selección del método de minado es una tarea de Planeamiento, sinembargo, en la decisión final los aspectos geomecánicos juegan un rol importante.

El dimensionamiento del minado tiene sus propias características según cada método deexplotación. Cada método tiene sus aspectos geomecánicos propios.

Una de las herramientas más importantes para controlar la estabilidad local y global dela mina es el secuenciamiento del minado, por lo que se le debe prestar mucha atención.

Para el sostenimiento (incluyendo el relleno) se deben establecer estándares de controlde calidad antes, durante y después de su instalación para: materiales, equipos,procedimiento y rendimiento.

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Gracias

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