Caracterizacin

Propiedades fsico mecnicas

Las propiedades fsico mecnicas de las rocas son el resultado de su composicin mineralgica. Fabrica e historia geolgica, deformacin y ambiental, incluyendo procesos de meteorizacin.

A continuacin se mencionaran las propiedades fsico mecnicas del este sector de estudio que han sido tomadas bibliogrficamente de trabajos anteriores en esta zona.

propiedades fsico mecnicastipo de roca peso especfico (t/m3)resistencia a la compresin simple (kg/cm2)Angulo de friccin interno

Carbn 1,35240320

Arcillolitas1,15270340

Anlisis de discontinuidades

Para el anlisis estadstico de las discontinuidades se realiz con ayuda del programa Dips. El cual ayuda a identificar de una manera fcil las familias predominantes presentes en el macizo.

Representacin estereogrfica de las familias de discontinuidades

Para este caso se observa la presencia de tres familias de diaclasas y un plano de estratificacin (fam1 56/134, fam2 53/210, fam3 63/059, E 51/270) estas tres familias de discontinuidades y la estratificacin estn de manera conjugada formando tres posibles bloques en el techo los cuales se analizarn ms adelante. Estas discontinuidades presentan unas condiciones de relleno de la misma arcillolita y predomina las grietas onduladas rugosas con abertura de 2-5 mm.

Direccin de los esfuerzos principales (sigma1, sigma2, sigma3)

En el estudio de las relaciones estructurales de grupos de diaclasas, fallas o cualquier tipo de discontinuidad, uno de los objetivos que se persigue es el poder correlacionar la direccin de los esfuerzos que se presenta con la formacin de los posibles bloques que se formaran por la intercesin de estos planos de discontinuidad para una ves determinado el bloque que recibe el esfuerzo se identifique para tomar las medidas pertinentes para controlar la cada de este.

Las direcciones predominantes de las labores son las siguientes:Inclinado N22oE con una inclinacin de 48oLos niveles N30oW Transversales N40ow

Direccin de esfuerzos principales respecto a los tneles

Una vez identificados los bloques se y las direcciones se puede observar que para el inclinado se debe prestar atencin al sostenimiento en la direccin S-E, para el caso de los niveles y las transversales ser de mayo cuidado tanto la parte N-E como la N-W pues el esfuerzo sigma2 acta en un gran bloque generado en esta zona.

Clasificacin del macizo rocoso

Clasificacin geomecnica de Bieniawski (RMR)

Esta clasificacin geomecnica se basa en el ndice RMR Rock Mass Rating, que da una estimacin de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores:

Resistencia Compresiva de la roca. ndice de la Calidad de la Roca - RQD. Espaciamiento de Juntas. Condicin de Juntas. Presencia de Agua. Correccin por orientacin.

Estos factores se cuantifican mediante una serie de parmetros definindose unos valores para dichos parmetros, cuya suma, en cada caso nos da el ndice de Calidad del RMR que vara entre 0 100. Para esta clasificacin revisa la tabla que se muestra a continuacin dndole un valor obtenido por las diferentes condiciones que se presentan en esta.

Para este caso especfico para el clculo del RQD que se refiere al grado de fracturacin de la roca en una recuperacin de testigos se hizo y ya que no se cuenta con este trabajo de campo el calculo se realiza de la siguiente manera: en un tramo longitudinal de pared expuesta RQD = 100 ( -0.1 ) x (0.1 1 + )Priest y Houston,1967Donde: = Nro. De Fisuras / Espacio (m)

Segn esto se obtuvo un valor de RQD de 70%.

El clculo realizado por medio de la tabla que a continuacin se muestra se obtuvo el valor para el RMR de 59 lo cual lo clasifica en un macizo de tipo III con un tipo de roca regulas y un claro activo de 5 m para una semana.

Sistema de Clasificacin de Macizos Rocosos (RMR) (Bieniawski (1989))

A. Clasificacin de tos parmetros y su evaluacin

ParmetroRango de Valores

1Resistencia de la roca intactandice de resistencia a la carga puntual> 10 Mpa4-10 Mpa2 - 4 Mpa1 - 2 MpaPara esta escala tan baja se prefiere la prueba de compresin uniaxial

Resistencia a lacompresinsimple> 250 Mpa100 - 250 Mpa50- 100 Mpa25 - 50 Mpa (30 Mpa)5 - 251 - 5 Mpa< 1 Mpa

Puntuacin151274210

2RQD90%-100%75% - 90%50% - 75%25% - 50%< 25%

Puntuacin20171383

3Espaciado de las discontinuidades< 2 m.0.6 - 2.0m200-600mm60-200mm< 60mm

Puntuacin20151085

4Condicin de las discontinuidades,Superficies muy rugosas, No continuas, sinseparacin, paredes de rocainalteradaSuperficies algo rugosas, separacin < a 1mm, paredes algo meteorizadasSuperficiesalgo rugosas,Separacin 5mm espesor o separacin mayor a 5mm, fisuras continuas

Puntuacin302520100

Puntuacin1510740

B. Ajuste en la puntuacin por orientacin de las discontinuidades

Orientacin de rumbo y buzamientoMuyfavorable FavorableRegularDesfavorableMuydesfavorable

ValuacionesTuneles y Minas-2-5-10-12

Cimentaciones0-2-7-15-25

Taludes0-5-25-50-60

C. Clasificacin de Macizos Rocosos determinado a partir de la valuacin total

Valuacin100-8180- 6160-4140-21< 21

Clasificacin No.lIIIIIIVV

DescripcinRoca Muy buenaRoca buenaRoca RegularRoca pobreRoca muy pobre

D. Significado de la clasificacin del macizo rocoso

Clasificacin No.IIIIIIIVV

Tiempo medio deautosoporte20 aos para 15m de claro1 ao para 10m de claro1 semana para 5m de claro10 horas para 2.5m de claro30 min. de claroPara 1m

Cohesin del macizo rocoso (Kpa)> 400300 - 400200 - 300100-200< 100

Angulo de Friccin del macizo rocoso (grados)> 4535-4525-3515-25< 15

Sistema de Clasificacin de Macizos Rocosos (RMR) (Bieniawski (1989)Indice Q de Barton (rock mass quality)

El ndice q de Barton se puede calcular fcilmente con la siguiente expresin:

En nuestro caso quedara de la siguiente manera remplazando los valores de RMR

Donde que Q ser: 5.29Lo cual indica un macizo de regular calidad.Para determinar el tipo de comportamiento o el estado del sostenimiento se podr calcular con el cuadro que se muestra en el anexo (cuadro), que de termina los parmetros para el sostenimiento de este.Con la siguiente expresin se podr determinar De.

Por ser una excavacin minera se da un valor de ERS=4 y la altura de la excavacin es de 2m por lo cual la expresin queda asi: con estos valores podemos ingresas al Abaco el cual da de tipo (1) que requiere de un sostenimiento normal sin ninguna otra clase de refuerzo adicional. Muy favorable para excavaciones mineras.

Estimacin del sostenimiento por medio de Q de Barton.

Mtodo del ndice GSI

El ndice de resistencia geolgica, GSI, fue desarrollado por Hoek (1994) para subsanar los problemas detectados con el uso del ndice RMR para evaluar la resistencia de macizos rocosos segn el criterio generalizado de Hoek-Brown. Este ndice de calidad geotcnica se determina en base a dos parmetros que definen la resistencia y la deformabilidad de los macizos rocosos.

Si se utiliza la versin 1989 del ndice RMR (Bieniawski (1989)), deber suponerse que el macizo rocoso est completamente seco y no deber efectuarse ajuste por orientacin de las estructuras. El valor resultante del ndice RMR89 se relaciona con el ndice GSI de la siguiente forma:Si RMR89 23 entonces GSI = RMR89 - 5Si RMR89 < 23 entonces no puede estimarse el valor de GSI (la estimacin es poco confiable)Entonces GSI=54

Criterio generalizado de Hoek y Brown.

Para la realizacin de este mtodo se utiliza el software para este (ROCLAB) utilizando parmetros de entrada como los son: GSI, mi, D, Ei. De los cuales la mayora se obtuvieron por tablas bibliogrficas como lo fue el Ei, el cual determin con la pendiente de la recta de la grfica del laboratorio de compresin simple realizado en un trabajo anteriorLos resultados obtenidos fueron los siguientes:

Hoek Brown Classificationsigci2MPaGSI54mi7D0.8Hoek Brown Criterionmb0.452854s0.000939938a0.504342Failure Envelope RangeApplicationTunnelssig3max2.40156MPaUnit Weight0.0115MN/m3Tunnel Depth550mMohr-Coulomb Fitc0.159432MPaphi11.3783degreesRock Mass Parameterssigt-0.00415117MPasigc0.0594891MPasigcm0.180566MPaEm1068.23MPa

Anlisis de esfuerzos en la roca usando Roclab

Como la lnea mogui est por encima de la envolvente de esfuerzos esto indica un comportamiento con rotura fragil.

Esfuerzos residuales por discontinuidades.

Para clculo de estos esfuerzos se determinaron a una profundidad de 500 m esta profundidad se decidi as por ser un punto medio en toda la mina. Por del mtodo gravitacional se determino un esfuerzo vertical.

Donde quedara.

Y el esfuerzo vertical estar dado por: y replazndo siendo k=0.49 quedara asi:

Por medio del crculo de Mohr se calculan el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante en este caso.Esto solo para el clculo en la estratificacin y observar el comportamiento de esta segn los esfuerzos generados por la excavacin.

Circulo de Mohr

Y en esta figura se puede observar un esfuerzo normal de 3.92 MPa y un cortante de 1.43 MPa, en el plano de las discontinuidades.

Mtodo de Barton y Choubey.

Es un mtodo emprico deducido a partir del comportamiento de las discontinuidades en ensayos de laboratorio y viene dado por:

En donde y son los esfuerzos tangencial y normal , es el ngulo de rozamiento residual. JRC es el coeficiente de rugosidad de la discontinuidad. JCS es la resistencia a la compresin de las paredes de la discontinuidad.

Para el clculo de , se puede utilizar el ngulo de friccin bsico pues estas no estn meteorizadas, el valor de este es de 27 30 grados y se toma un valor de 28 grados, esto gracias a la recopilacin de datos de Barton y Choubey para este parametro.Para el JCS es la resistencia a la compresin simple pues este se usa cuando la discontinuidad no est meteorizada.Y el JRC segn el perfil de la discontinuidad ver anexo figura y es igual a: 17

Anlisis de esfuerzos alrededor de la excavacin

En la apertura de una excavacin cambia localmente la geometra del macizo rocoso lo cual hace que el estado tensional sea re distribuido. La determinacin de las tenciones inducidas por la excavacin exige un conocimiento del comportamiento del terreno, el cual es pertinente estudiarlo por la teora de la elasticidad.

Por medio del programa Face2 se puede analizar el comportamiento del terreo realizando un anlisis en las partes en que la excavacin presenta una mayor relacin de esfuerzo, y el estado deformaciones de la excavacin, para el anlisis se tiene tres tipos de excavacin que estn actuando de manera diferente con el macizo (niveles, inclinados, transversales)Estas tendrn que ser analizadas una por una.

El caso de los niveles se presenta con las siguientes condiciones, donde los respaldos estn constituidos por arcillolitas como se muestra en la siguiente figura.Donde los respaldos de arcillolita estn representados por el color morado y el manto de carbn esta representado por el color negro.Esta es la figura ms representativa para el anlisis de los niveles la cual genera unos esfuerzos alrededor de la excavacin como los muestra las figuras 6,7.

Representacin grafica de los niveles respecto al macizo

representacin grfica del esfuerzo sigama1 en los niveles

En la figura 6, se observa que en la esquina superior izquierda e inferior derecha se presentan los dos esfuerzos mximos de 6.5MPa y 4.5MPa, tambin se observa que el resto de las paredes de la excavacin falla a traccin por las condiciones del carbn, lo cual requiere una prevencin en estos tneles de una buena implementacin de forros entre puertas.

Respecto al esfuerzo sigma3 no presenta tanto problema como el esfuerzo sigma1, ya que este esfuerzo no genera muchos problemas a traccin, lo cual indica que es ms fcil de controlar por medio de un buen sostenimiento.

Representacin grfica del esfuerzo sigma3 en los niveles

Los esfuersos maximos que se pueden observar son de 4MPa en la esquina izquierda superior y derecha inferior, de igual manera para sigima1, esto se presenta de esta manera por la posiscion de los estratos respecto a la excavacion.

Los esfuerzos que generan problema alrededor de la excavacin son los generados por sigma1 de igual manera el mayor esfuerzo se genera en las esquinas ya antes mencionadas y la causa es la misma (ver figura 8.) por otra parte los esfuerzos generados por el esfuerzo sigma3 es mucho menor que en de sigama1 pero presenta su mayor concentracin en las mismas esquinas, por lo cual se puede ir concluyendo que se debe tener un trato especial en estas partes de la excavacin.

Representacin grfica del esfuerzo sigma1 en las transversales

Representacin grfica del esfuerzo sigma3 en las transversales

El caso del inclinado respecto sigma1 no genera gran problema el cual es fcil de controlar con un sostenimiento normal sin ningn reforzamiento especial. En la parte superior del tnel no presenta un esfuerzo muy alto y en las paredes y en el piso es donde se presenta un grado mayor de esfuerzos.

Representacin grfica del esfuerzo sigma1 en los inclinados

En el caso de los esfuerzos generados por sigma3 son totalmente nulos lo cual recalca que este tnel presenta condiciones de estabilidad adecuados, lo nico que se puede recalcar es el posible agrietamiento del carbn por las paredes del tnel el cual es una caracterstica normal del carbn (Ver figura 11).

Representacin grfica del esfuerzo sigma1 en los inclinados

Anlisis de cuas

La interseccin de los planos de discontinuidad y los tneles que se desean proyectar siempre darn como resultado cuas que no se presentan en todo el tnel per si en ciertos sectores de este. El poder identificarlas es un gran aporte para la prevencin de cada de bloques y en algunas ocasiones se disea un sostenimiento con base en la presin que estas generan.

Para poder determinar las cuas que se presentan en los tres tipos de tneles se realiz el anlisis con la ayuda del programa Ungedwe, las figuras siguientes muestran la representacin grfica de las cuas en los niveles, inclinados y transversales. Adems proporciona informacin de la cua como peso y factores de seguridad recomendados. Aunque este valor de factor de seguridad no se recomienda mucho utilizarlo, es de preferencia el calculado por el ingeniero.

Cuas formadas en los niveles

En los niveles se presenta las cuas que estn numeradas en la figura 12. Estas tienen las siguientes caractersticas.

Floor wedge [1]FS: stableWeight: 0.030 MN

Upper Left wedge [6]FS: 2.747Weight: 0.005 MNUpper Right wedge [7]FS: 2.747Weight: 0.005 MN

Roof wedge [8]FS: 0.000Weight: 0.009 MN

Para el caso de las transversales se presenta la figura 13.

Cuas formadas en los niveles

En las transversales se presenta las cuas que estn numeradas en la figura 13. Estas tienen las siguientes caractersticas..

Floor wedge [1]FS: stableWeight: 0.036 MN

Lower Right wedge [3]FS: 6.180Weight: 0.018 MN

Upper Left wedge [6]FS: 2.701Weight: 0.033 MN

Roof wedge [8]FS: 0.000Weight: 0.011 MN

Para el caso de los inclinados se presenta la siguiente situacin donde igual que las anteriores se presenta cuatro cuas una por cada pared del tnel. (Ver figura 14.)

Cuas formadas en los inclinados

En los inclinados se presenta las cuas que estn numeradas en la figura 14. Estas tienen las siguientes caractersticas.

Lower Left wedge [2]FS: 6.546Weight: 0.016 MN

Roof wedge [4]FS: 1.802Weight: 0.010 MN

Floor wedge [5]FS: 6.951Weight: 0.032 MN

Upper Right wedge [7]FS: 2.673Weight: 0.045 MN