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COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERU – CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA CAPITULO DE INGENIERIA DE MINAS

CURSOGEOMECANICA APLICADA AL

MINADO SUBTERRANEO

Ingenieros S.R.Ltda.DCRGeomecánica en Minería y Obras Civiles

Lima, Octubre 23, 24 y 25 del 2009MSc. Ing. David Córdova Rojas

Bl i t tBloques intactos(Roca intacta)

MECANICA DE ROCAS

“Ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de la

DEFINICION

“Ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de laroca y de los macizos rocosos; esto es, aquella rama de lamecánica que trata con la respuesta de la roca y de losmacizos rocosos al campo de fuerzas de su entorno físico”

Ref.: U.S. National Comitte on Rock Mechanics - 1974

MECANICA DE ROCASMECANICA DE ROCAS

SU APLICACION PRACTICA EFECTIVA DEMANDA:SU APLICACION PRACTICA EFECTIVA DEMANDA:

Su integración filosófica con otras áreas que tratan con la respuestamecánica de todos los materiales geológicos, al campo de fuerzas de

t fí isu entorno físico, como:

Geología estructuralHidrogeologíaHidrogeología GeofísicaMecánica de suelos

TODO ESTO EN CONJUNTO ES LO QUE SE DENOMINA:

GEOMECANICAGEOMECANICA

GEOMECANICA EN LA INDUSTRIA MINERA

SEGURIDAD Y ECONOMIA

• Tradicionalmente ha sido considerada como un asunto ligadoprimordialmente a la seguridad.

• Actualmente, además de la seguridad, hay un reconocimientocreciente sobre su impacto en los aspectos económicos delas operaciones mineras.

POR ESTAS RAZONES ESTA HABIENDO IMPORTANTES PROGRESOS EN INTEGRAR ESTA HERRAMIENTA TECNOLOGICA DENTRO DEL

PROCESO COTIDIANO DE TOMA DE DECISIONES.

GEOMECANICA Y SEGURIDAD

• Reducción en el número y frecuencia de caídas de rocas.

• Evitar o minimizar los daños al personal y a los equipos.

GEOMECANICA Y ECONOMIAG O C C CO O

• Reducción en los costos de rehabilitación de áreas inestables.

• Ahorro potencial por la no interrupción de la producción a causa de losproblemas de inestabilidad.

G i l d ió l d di ió d l l t t• Ganancia en la producción por la dedicación del personal a esta tarea enlugar de dedicarse a la rehabilitación de áreas inestables.

• Mayor recuperación del mineral por adecuados diseños geomecánicos.

• Reducción de costos por el minado masivo de grandes aberturas.

• Ahorro en el consumo de cemento de los rellenos cementados• Ahorro en el consumo de cemento de los rellenos cementados.

• Otros.

ESQUEMA DE UNA MINA

SUBTERRANEASUBTERRANEA IDEALIZADA

Chimenea de acceso

MINADO SUBTERRANEO

EXCAVACIONES

FORMAS TAMAÑOS ORIENTACIONES

FUNCIONES ESPECIFICASFUNCIONES ESPECIFICAS

TAJEOS ABERTURAS DE ACCESO ABERTURAS DE ACCESO YY SERVICIOS A TAJEOS SERVICIOS PERMANENTESY SERVICIOS A TAJEOS SERVICIOS PERMANENTES

VIDA CONDICIONADA A VIDA LIMITADA A LA VIDA COMPARABLE OLA EXTRACCION ACTIVA DURACION DEL MINADO SUPERIOR A LA VIDA

DEL MINERAL (TEMPORALES) DE LA MINA

INCREMENTAN SU TAMAÑO EJEMPLOS: EJEMPLOS:CRUCEROS DE ACCESO GALERIAS DE NIVELCHIMENEAS DE ACCESO RAMPASECHADEROS DE MINERAL PIQUESVENTANAS DE CARGUIO DUCTOS DE VENTILACIONETC. ETC.

CONSIDERACIONES DE DISEÑOTAJEOS• Excavaciones de mayor tamaño y zonas de influencia más grandes.• El control de la estabilidad está en función del comportamiento geomecánico y

económico de los tajeos individualmente y globalmenteeconómico de los tajeos individualmente y globalmente.• Condiciona la ubicación, diseño y rendimiento operacional de las excavaciones

circundantes.• Importante: Establecer adecuados esquemas y secuencias de avance para

producir mínima perturbación de la masa rocosaproducir mínima perturbación de la masa rocosa.

ABERTURAS DE ACCESO Y SERVICIOS A LOS TAJEOS• Están en zona de influencia de los tajeos.• Su vida de servicio puede imponer condiciones severas y adversas si no se

toman en cuenta las perturbaciones del minado.• Importante: Posición, forma y sostenimiento para asegurar su rendimiento.

ABERTURAS DE ACCESO Y SERVICIOS, PERMANENTES• Deben presentar especificaciones rigurosas de rendimiento.• Diseño comparable con otras áreas de la práctica de la ingeniería.

I t t Ubi ió d t i• Importante: Ubicación de estas excavaciones.

FACTORES QUE CONTROLAN LA ESTABILIDAD

FACTORES PRE-EXISTENTES A LA EXCAVACION

• Características del medio geológico• Comportamiento mecánico del medio geológico • Esfuerzos in-situ

FACTORES POSTERIORES A LA EXCAVACION

• Esfuerzos inducidos por el minado• Forma, tamaño y orientación de las excavaciones • Carácter dinámico de las excavaciones por el avance del minado

EFECTOS DE APERTURAR EXCAVACIONESEFECTOS DE APERTURAR EXCAVACIONES

CREACION DE UNA ESTRUCTURA ROCOSA

• Vacíos• Elementos de sostenimiento naturales y artificiales

Mi l t• Mineral remanente

PERTURBACIONES MECANICAS EN EL MEDIO ROCOSO

• Desplazamientos hacia el vacío creado• Nuevos estados de esfuerzos y deformaciones • Acumulaciones de energía de deformacióng

! SE REQUIERE CONTROLAR ESTAS PERTURBACIONES ! ….

INESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSASINESTABILIDADES POR PERTURBACIONES ADVERSAS

Fracturamiento y aflojamiento de la roca


Deslizamientos a través de superficies de discontinuidades


Deflexiones excesivas del techo


Convergencia o cierre de los contornos de la excavación


F ll i t bl d l (Lib i d í t i l)Fallas inestables de la roca (Liberaciones de energía potencial)

OBJETIVOS DE LA GEOMECANICA EN EL MINADOOBJETIVOS DE LA GEOMECANICA EN EL MINADO

• Asegurar la estabilidad global de la estructura de la mina.• Proteger las principales aberturas de servicio a través de su vida de

diseño.• Proveer accesos seguros a los lugares de trabajo en y alrededor de

los centros de producción de mineral.los centros de producción de mineral.• Preservar en condición de minables las reservas de mineral no

minadas.

! EL PROBLEMA TIPICO DEL PLANEAMIENTO Y DISEÑO ES DETERMINARLA SECUENCIA DE EXPLOTACION DEL YACIMIENTO SATISFACIENDO ESTOS OBJETIVOS SIMULTANEAMENTE! …..

! LA REALIZACION DE ESTOS OBJETIVOS REQUIERE DEL CONOCIMIENTO DELAS CONDICIONES GEOMECANICAS DEL YACIMIENTO Y DE LA CAPACIDADPARA ANALIZAR LAS CONSECUENCIAS MECANICAS DE LAS DIFERENTESOPCIONES DE MINADO!

PARTICULARIDADES DEL MINADO SUBTERRANEO

• El uso de cualquier abertura o labor minera, está bajo el control del operador de la mina y durante su utilización activa las superficies de una excavaciónde la mina, y durante su utilización activa, las superficies de una excavación deberán ser objeto de inspecciones virtualmente continuas por parte del personal de la mina.

• Los trabajos para mantener o restablecer condiciones seguras alrededor de• Los trabajos para mantener o restablecer condiciones seguras alrededor de una excavación, variarán desde el correcto desatado hasta la colocación de sostenimiento adecuado, y estos deben ser llevados a cabo en cualquier etapa, bajo la dirección de la supervisión de la mina.

• El diseño de una excavación minera refleja un grado de control inmediato sobre la utilización, inspección, mantenimiento y colocación del sostenimiento de la excavación, suministrado por el operador de mina.

• La estructura de la mina evoluciona durante la vida de la mina, por lo que la secuencia o estrategia de extracción de un tajeo o block de mineral asume gran importancia.

ORGANIZACION DEL TRABAJO GEOMECANICO EN EL MINADO SUBTERRANEOORGANIZACION DEL TRABAJO GEOMECANICO EN EL MINADO SUBTERRANEO

GERENTE OGERENTE OSUPERINTENDENTE

PLANEAMIENTO Y DISEÑO

OPERACIONES MINA

Y DISEÑO DE MINA

DEPARTAMENTOGEOLOGIA MINA GEOMECANICA

Interacción entre grupos técnicos involucrados en la ingeniería de minas

FUNCIONES DE:(EN RELACION A LA GEOMECANICA)

LA GERENCIA:• Definir el marco de referencia sobre la política y objetivos de la

l ióempresa en relación a:Restricciones corporativas particulares sobre las técnicas deminado como: las restricciones en las perturbaciones del área físicalocal las restricciones sobre las perturbaciones geohidrológicas laslocal, las restricciones sobre las perturbaciones geohidrológicas, lasrestricciones sobre las prácticas operativas como: el trabajo enexcavaciones verticales o bajo techos temporales sin sostenimiento,etc.

GEOLOGIA MINA:• Proveer información geológica estructural y de ingeniería geológica

del yacimiento sobre la base de un trabajo de rutina.PLANEAMIENTO Y DISEÑO:• Definir todos los componentes estructurales de la mina, sobre la

base de un trabajo interactivo con el Grupo de Geomecánica, de talmanera de definir la estrategia general de minado del yacimiento.

FUNCIONES DEL GRUPO DE GEOMECANICA(En interacción con Planeamiento y Diseño Mina)

• Diseño de aberturas mineras permanentes

• Diseño de esquemas y secuencias del avance delminado (En función de la evolución de la estructura de la mina,para un programa de minado operacionalmente aceptable)

• Diseño de los sistemas de extracción (Detalles de laconfiguración del tajeo y la recuperación del mineral del tajeo)

DISEÑO DE ABERTURAS MINERAS PERMANENTESDISEÑO DE ABERTURAS MINERAS PERMANENTES

• Ubicación de estas aberturas

• Dimensionamiento de las mismasDimensionamiento de las mismas

• Especificaciones del sostenimiento

• Diseños detallados de aberturas especiales (cabinas de winches, cámara de chancado, talleres subterráneos ...)

DISEÑO DE ESQUEMAS Y SECUENCIAS DEL AVANCE DEL MINADO(En función de la evolución de la estructura de la mina)(En función de la evolución de la estructura de la mina)

• Establecer dimensiones adecuadas de los tajeos y de los pilares.

• Establecer esquemas adecuados de los tajeos y de los pilares dentro del cuerpo mineralizado, tomando en cuenta sus ubicaciones y orientaciones respecto al arreglo estructural de la masa rocosa y a los esfuerzos actuantes.p g y

• Establecer la dirección general del avance del minado a través del cuerpo mineralizado.

• Establecer la secuencia de extracción de los tajeos o blocks mineralizados y de los pilares remanentes, protegiendo las instalaciones de servicios, manteniendo los accesos y preservando la estabilidad estructural de la mina.

• Especificar el sostenimiento temporal.

E ifi l á t d i t i d l i ti d ll• Especificar los parámetros de resistencia de cualquier tipo de relleno.

DISEÑO DE LOS SISTEMAS DE EXTRACCION

• Establecer las medidas de estabilidad de los contornos de los tajeos, a través de la vida de trabajo del mismo evaluando las posibilidades de fallasde la vida de trabajo del mismo, evaluando las posibilidades de fallas controladas estructuralmente desde las superficies de los tajeos y de los pilares.

• Establecer la dirección preferencial de retirada en los tajeos• Establecer la dirección preferencial de retirada en los tajeos.

• Asegurar el rendimiento adecuado de la masa rocosa involucrada con las ventanas de carguío, echaderos de mineral y de relleno, durante la vida del tajeotajeo.

• Anticipar ocurrencias de problemas de inestabilidad en las labores de extracción, debido a la densidad de las aberturas, influencia de los esfuerzos

d l l dy de la voladura.

• Apoyar en el diseño de la voladura primaria.

C t i ió d l iti

COMPONENTES Y LOGICA DE UN PROGRAMA GEOMECANICO

Caracterización del sitioDefinición de las condiciones geomecánicas dela 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 minadode esquemas y estrategias de minado

Monitoreo del rendimiento de la rocaMediciones de la respuesta operacional al minadoMediciones de la respuesta operacional al minado

de la masa rocosa del yacimiento

Análisis retrospectivopCuantificación de las propiedades in-situ de la masa rocosa e identificación de los modos de respuesta

dominantes de la estructura de la mina

Caracterización del sitioDefinición de las condiciones geomecánicas deDefinición de las condiciones geomecánicas dela masa rocosa del yacimiento para el minado

El primer paso del circuito es para definir las propiedades mecánicasy estado del medio en el cual ocurrirá el minado. Esto involucra:

• Determinación de las propiedades de resistencia y deformación de lasdiferentes unidades lito-estratigráficas asociadas al cuerpo de mineral.

y

• Definición de las propiedades geométricas y mecánicas de lossistemas de discontinuidades menores.

• Ubicación y descripción de las propiedades de las discontinuidadesy p p pmayores.

• 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.

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

del sitio

Representa la simplificación y racionalización de los datos generados en la caracterización del sitio para los análisis de diseño.

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

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

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

• Se dará una especificación representativa del estado de esfuerzos delpre-minado.

En esta etapa pueden haber discrepancias significativas en los datos p p p gde entrada debido a fallas en la consideración de rasgos particulares de la constitución geomecánica de la mina.

Análisis de diseñoSelección y aplicación de esquemas matemáticos

R t l ó d l á ti d l á i

y computacionales para el estudio de las alternativas de esquemas y estrategias de minado

• Representa el corazón de la práctica de la geomecánica.

• Aquí se puede predecir usando técnicas matemáticas o numéricas apropiadas,el rendimiento mecánico de las configuraciones de minado seleccionadas y deg ylas geometrías de las excavaciones, para las condiciones predominantes de lamasa rocosa.

• Las herramientas analíticas pueden variar desde las más simples como por• Las herramientas analíticas pueden variar desde las más simples, como porejemplo la teoría del área tributaria para el diseño de pilares, hasta las másavanzadas, como por ejemplo, los esquemas computacionales que consideranmodelos constitutivos bastante complejos del comportamiento tanto de lamasa rocosa como de sus elementos de fábricamasa rocosa como de sus elementos de fábrica.

• Producto de recientes desarrollos en la capacidad de los esquemascomputacionales hoy en día disponibles, ha habido avances significativos, ymejoramiento de la confiabilidad, en la calidad del diseño estructural en roca.

Monitoreo del rendimiento de la rocaMediciones de la respuesta operacional al minado p p

de la masa rocosa del yacimiento

• El objetivo de esta etapa es caracterizar la respuesta operacional de lamasa rocosa a la actividad de minado.

• Se intenta aquí establecer una comprensión del rol de los varios elementosd l t i t d f ióde la masa rocosa en su comportamiento carga-deformación.

• Los datos requeridos para este entendimiento son obtenidos pormediciones de desplazamientos y esfuerzos en ubicaciones claves de laestructura de la mina.estructura de la mina.

• Estas mediciones pueden ser efectuadas con inspecciones visuales o coninstrumentación de campo dentro y alrededor de las zonas de actividad deminado.

• Se debe buscar correlaciones entre el rendimiento local de la masa rocosay la productividad del tajeo.

Análisis retrospectivoCuantificación de las propiedades in-situ de la masa rocosa e identificación de los modos de respuesta

• El proceso de análisis cuantitativo de los datos generados por el monitoreointenta reafirmar y mejorar el conocimiento de las propiedades mecánicas in-

rocosa e identificación de los modos de respuesta dominantes de la estructura de la mina

y j p psitu de la masa rocosa, asimismo revisar la adecuabilidad del modelo de minaformulado.

• De esta manera se identificarán los parámetros geomecánicos claves quep g qdeterminan la respuesta deformacional del medio rocoso.

• Es particularmente valioso los datos generados por el análisis de fallas localesen el sistema. Estos proporcionan información sobre la orientación y magnitudrelativa de los esfuerzos in-situ así como de los parámetros de resistencia in-situ de la masa rocosa.

• Con toda esta información se puede formular en forma detallada diseños detajeos y criterios operativos, pudiéndose luego establecer los diferentesestándares de minado para los diferentes tipos de condiciones estructurales ylitológicas.

LOS DATOS GENERADOS POR EL ANALISIS RETROSPECTIVO SON USADOS PARAACTUALIZAR LOS DATOS DE LA CARACTERIZACION DEL SITIO, EL MODELO MINA YLOS PROCESOS DE DISEÑO, VIA RETROALIMENTACION.

PROGRAMA GEOMECANICO DE UNA MINA SUBTERRANEA

ASPECTOS CLAVES:

• Mantener un programa de obtención de información geomecánica básica, mediante mapeos geotécnicos, para la caracterización de la masa rocosa del yacimiento, que

d ifi ió á i d l iconduzca a una zonificación geomecánica de la mina.

• Realizar las diversas aplicaciones geomecánicas a la explotación de la mina, usando los datos de caracterización del sitio y aplicando diversos métodos de cálculo para evaluar varios esquemas y estrategias de minado.q y g

• Caracterizar la respuesta operacional de la masa rocosa a la actividad de minado, por medio de mediciones y observaciones.

• Acumular información in-situ sobre el comportamiento de la masa rocosa y los modos de respuesta de la estructura de la mina, para realizar procesos de retroalimentación.

• Establecer estándares de los parámetros geomecánicos y los procedimientos de control de calidad de los mismos.de calidad de los mismos.

• Capacitación permanente al personal de la mina.

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