estabilidad de taludes en mineria cielo abierto

1Estabilidad de taludes en minería cielo abierto – Héctor Geraldo Montero

UNIVERSIDAD DE LASERENA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN MINAS

ESTABILIDAD DE TALUDES EN MINERIA CIELO ABIERTO

PROFESOR

Alejandro Cruzat Gallardo

Ingeniero Civil de Minas

Dr.(c) en Proyectos de Ingeniería.

ALUMNO

Héctor Geraldo Montero

CARRERA

Ingeniería Civil de Minas

La Serena, Octubre de 2011

Departamento Ingeniería de Minas – Facultad de Ingeniería – Universidad de La Serena.


CAPITULO I PARTES DEL TALUD

1.1 Introducción.

Es de gran importancia para entender el resto del informe comenzar definiendo ciertos

conceptos necesarios y nomenclatura a utilizar, es por esto que se comenzara definiendo

ciertos conceptos.

1.2 Características del talud.

El talud es el ángulo formado entre una horizontal y la línea que conecta la pata con el tope

de un corte o banco. El tope corresponde a la parte más alta del talud, mientras que la pata

corresponde a la parte más baja de este.

Figura 1.2 Ubicación de la pata y el tope en un talud.

Fuente: Apuntes del curso de Minería Cielo Abierto, Universidad de La Serena.



1.3 Formas de medir el talud.

Existen dos formas distintas de medir los ángulos de talud.

a) En geomecánica se utiliza de pata a tope.

Figura 1.3.a Medición de ángulo de talud en geomecánica.

Fuente: Diseño de minas cielo abierto, U. de Chile.

b) En planificación se utiliza de pata a pata.

Figura 1.3.b Medición de ángulo de talud en planificación.




1.4 Importancia de los ángulos de Talud.

Los ángulos de talud correspondientes al de Rajo Final y al del Banco tienen gran

importancia en la determinación de los límites del rajo y los planes de explotación del

yacimiento.

Ambos ángulos son determinados de tal manera que puedan satisfacer tanto las condiciones

de estabilidad de las paredes como los resultados económicos de la explotación del

yacimiento. El ángulo de talud de los bancos en trabajo deben satisfacer las condiciones de

seguridad para los equipos y trabajadores.

Figura 1.4.1 Angulo inter rampa, correspondiente al ángulo del banco.




Figura 1.4.2 Angulo final del pit.




CAPITULO II IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES EN LA ESTABILIDAD

DEL PIT

2.1 Introducción.

Uno de los principales factores de la estabilidad del talud corresponde al tipo del material

sobre el cual se está trabajando, si no se conoce bien, el sistema que se pretende aplicar

para aumentar la estabilidad podría ser inefectivo o incluso contraproducente . En minería

generalmente hablamos del macizo rocoso.

2.2 Tipos de materiales.

La naturaleza del material está directamente relacionada con el tipo de inestabilidad que

puede producirse en un talud, condicionando y pudiendo estimarse de antemano la

susceptibilidad de cada material, a que se desarrolle un movimiento determinado.

Los terrenos en los que se producen los movimientos, pueden dividirse en tres grupos:

Macizos rocosos.

Suelos.

Materiales de relleno.



El primer grupo se identifica con los medios rocosos, en los que existen una serie de

discontinuidades naturales antes de iniciarse un movimiento, y que serán estudiados con

principal atención en este informe, ya que es el medio que generalmente conforma los

taludes mineros.

Los suelos constituyen un agregado de partículas sólidas con diferente grado de

consolidación, que pueden desarrollarse «in situ» formando una cobertera de los macizos

rocosos o bien pueden haber sufrido un cierto transporte.

Como materiales de relleno se consideran los depósitos acumulados debido a la realización

de determinadas obras o actividades, generalmente compuestos de materiales heterogéneos.

Sobre los diversos grupos actúan una serie de factores controladores, cuya interrelación

origina que se produzca uno u otro tipo de movimientos.



CAPITULO III PRINCIPALES TIPOS DE MOVIMIENTOS EN TALUDES DE

MINERIA CIELO ABIERTO

3.1 Introducción.

Los movimientos que principalmente afectan a un talud en minería cielo abierto

generalmente son aquellos que le afectan a la masa rocosa. Es por este motivo que se

estudiaran tres tipos de movimientos en este capítulo, los cuales son los que tienen mayor

importancia en minería y son prioridad dentro de los estudio de geomecánica.

En minería cielo abierto es de gran importancia conocer los tipos de movimientos e

inestabilidades a las que pueden estar los taludes. Para este informe se analizaran los tres

movimientos más comunes en minería cielo abierto.

3.2 Rotura Planar.

Se llama rotura planar o plana a aquella en la que el deslizamiento se produce a través de

una única superficie plana, denominada plano de deslizamiento.

Es la más sencilla de las formas de rotura posibles, además la más fácil de estudiar, y se

produce cuando existe una fracturación dominante en la roca y convenientemente orientada

respecto al talud.

Frecuentemente se trata de fallas que interceptan al talud.



También puede producirse en terrenos granulares en los que, entre dos terrenos de buenas

características resistentes, se intercala un estrato de poco espesor de material con menos

resistencia, el cual finalmente determina la estabilidad total del sistema.

Este tipo de rotura no es muy frecuente, ya que deben darse las dos condiciones siguientes:

Los rumbos o trazas horizontales del plano del talud y del plano de deslizamiento

deben ser paralelos o casi paralelos, formando entre sí un ángulo máximo de 20º.

Los límites laterales de la masa deslizante han de producir una resistencia al

deslizamiento despreciable.

Figura 3.2.1 Diversas vistas de una rotura planar.

Fuente: Elaboración propia, software Rocsience Rocplane.



Figura 3.2.2 Vista tridimensional de una rotura planar.


Estas condiciones permiten estudiar la estabilidad del talud como un problema

bidimensional.

3.2.1 Geometría de la rotura planar.

Si se representa el plano del talud y las discontinuidades en una red de Schmidt se puede

tener una rotura de tipo planar cuando existe una familia de discontinuidades de rumbo

similar al del talud y buzamiento menor que éste, pero tomando en cuenta que existe un

buzamiento limite, donde se puede decir que el talud esta “autosoportado”, debido a la

fricción.

αt > αp >αs


Superficie de deslizamiento


Donde:

αt = ángulo de buzamiento del talud.

αp= ángulo de buzamiento del plano de rotura.

αs= ángulo de buzamientos menores a este no se consideran como riegosos.

Imagen 3.2.1.a Vista de perfil del talud, con sus respectivos ángulos.



αtαp


Figura 3.2.1.b Representación en la red Schmidt de una situación común de rotura planar.

Fuente: Elaboración propia, software Rocsience Dips.

3.3 Rotura por cuñas.

Se denomina rotura por cuña, aquella que se produce a través de dos discontinuidades

oblicuamente a la superficie del talud, con la línea de intersección de ambas aflorando en la

superficie del mismo y buzando en sentido desfavorable.

Este tipo de rotura se origina preferentemente en macizos rocosos en los que se da una

disposición adecuada, en orientación y buzamiento de las diaclasas.



Figura 3.3.1 Diversas vistas de una rotura por cuñas.

Fuente: Elaboración propia, software Rocsience Swedge.

Figura 3.3.2 Vista tridimensional de una rotura por cuñas.



Superficie de deslizamiento


3.3.1. Geometría de la rotura por cuñas.

Si proyectamos el plano del talud y las discontinuidades en una red de Schmidt, la

disposición típica de los casos en que es posible este tipo de rotura (Figura 3.2.1.b). En ella

se aprecian dos familias de discontinuidades de rumbos oblicuos respecto al del talud,

quedando el rumbo de éste comprendido entre los de las familias de discontinuidades.

La dirección de deslizamiento es la de la intersección de las dos familias de

discontinuidades y ha de tener menos inclinación que el talud y mayor inclinación a un

ángulo determinado previamente, que se considera como ángulo de estabilidad, es decir

para inclinaciones de deslizamientos menores a este ángulo se puede decir que se tiene una

cuña auto soportada y estable.

Si se representa una sección vertical del talud por la línea de intersección de los dos planos

sobre los que desliza la cuña, la condición geométrica que hace posible el deslizamiento es:

αi < αti < αs

Donde:

αi = ángulo de inclinación de la línea de intersección, cuya dirección es la dirección de

deslizamiento.

αti = ángulo de inclinación del talud, medido en la sección vertical indicada, que sólo será

igual al talud, αt si la línea de intersección está contenida en una sección perpendicular al

mismo.

αs = ángulo de estabilidad, para inclinaciones de la línea de intersección menores a este

ángulo se considera que tenemos una cuña auto soportada.



Imagen 3.3.1.a Vista de perfil del talud, con sus respectivos ángulos.



αiαti

Línea de intersección


Figura 3.2.1.b Representación en la red Schmidt de una situación común de rotura por

cuñas.

Fuente: Elaboración propia, software Rocsience Dips.

3.4 Roturas circulares y curvas

Se llama rotura circular a aquella en la que la superficie de deslizamiento es asimilable a

una superficie cilíndrica cuya sección transversal se asemeja a un arco de círculo.

Este tipo de rotura se suele producir en terrenos homogéneos, ya sea suelos o rocas

altamente fracturadas, sin direcciones preferenciales de deslizamiento, en los que además

ha de cumplirse la condición de que el tamaño de las partículas de suelo o roca sea muy

pequeño en comparación con el tamaño del talud.

El método más utilizado para resolver el cálculo de estabilidad por rotura circular es el de

las dovelas o rebanadas, que es bastante laborioso, por lo que se suele realizar ayudándose

de programas de ordenador.

Figura 3.4 Modelo computacional de una rotura circular en el perfil de un talud.

Fuente: Elaboracion propia, software Rocsience Slide.



CAPITULO IV ANALISIS DE ESTABILIDAD

4.1 Introducción.

Tan importante como conocer los tipos de movimientos es poder identificar cuando se

producirán y que tipo, es por esto que existen diversas metodologías, basadas en factores

como geológicos, estructurales, hidrológicos, etc. Además es necesario cuantificar el riesgo

asociado a un posible movimiento, es por esto que además en este capítulo analizaremos el

factor de seguridad, para los tres tipos de movimientos principales analizados en este

informe.

4.2 Causas de los movimientos.

La ocurrencia de los deslizamientos es consecuencia de un complejo campo de esfuerzos

(stress es una fuerza por unidad de área) que está activo en una masa de roca o de suelo en

la pendiente. Básicamente, los dos parámetros más determinantes son:

• Un incremento del stress de corte

• Una disminución en la resistencia del material

4.2.1 Incremento en el esfuerzo de corte.



• Remoción del soporte lateral o de base (erosión, deslizamientos previos, cortes de

carreteras y canteras, taludes en minería)

• Incremento de carga (peso de la lluvia/nieve, rellenos, vegetación)

• Incremento de presiones laterales (presiones hidraúlicas, raíces, cristalización, expansión

de la arcilla)

• Stress transitorio (terremotos, vibraciones de camiones, maquinaria, explosiones)

• Inclinación regional (movimientos geológicos).

4.2.2 Reducción de la resistencia del material.

• Disminución de la resistencia del material (motorización, cambios en el estado de

consistencia)

• Cambios en las fuerzas intergranulares (presión de los poros de agua, disolución)

• Cambios en la estructura (disminución de la resistencia en el plano de falla,

fracturamiento debido a “descargas”)

4.2 Análisis de estabilidad en una rotura planar.

En el caso de rotura planar el factor de seguridad FS se obtiene de forma directa como

cociente entre las fuerzas que tienden a producir el movimiento y las fuerzas resistentes del

terreno que se oponen al mismo, proyectadas todas según la dirección del plano de rotura,

en una especie de diagrama de cuerpo libre. Al calcular FS de esta manera, se supone

implícitamente constante a lo largo de toda la superficie de rotura, lo cual se acepta a pesar

de no ser estrictamente cierto.

En el caso más general se considera que el plano de deslizamiento se encuentra limitado en

su parte superior por una grieta de tracción, que se puede suponer plana, total o

parcialmente llena de agua. En el plano de rotura aparecen unas presiones intersticiales que

dependen de la situación de la línea de saturación y de las características del terreno. Sobre



la masa deslizante puede considerarse la actuación de un terremoto cuyo efecto se asimila a

una aceleración vertical aV y una aceleración horizontal aH, esto con el fin de tener la

mayor cantidad de variables consideradas al momento de realizar el análisis de estabilidad,

ya qua la estabilidad es un factor importante a determinar en toda operación minera.

En este caso el factor de seguridad es:

Donde:

c’ = cohesión efectiva en la superficie de deslizamiento.

f = ángulo de rozamiento interno efectivo en la superficie de deslizamiento.

A = área de la superficie de deslizamiento, supuesta de ancho unidad.

W = peso de la masa deslizante, supuesta de ancho unidad.

ψp = ángulo que forma el plano de deslizamiento con la horizontal.

U = resultante de las presiones interstiales que actúan sobre el plano de deslizamiento.

d = ángulo que forma la grieta de tracción con la vertical.

V = resultante de las presiones intersticiales que actúan sobre la grieta de tracción.

g = aceleración de la gravedad.

La fórmula es aplicable al caso en el que no exista terremoto, haciendo aV = aH = 0, y al

caso en que se considere el terreno seco haciendo U = V = 0.



4.4 Análisis de estabilidad de una rotura por cuñas.

La obtención del factor de seguridad es tarea más compleja que en el caso de rotura planar,

debido a que existen dos planos que generan una cuña junto con el talud, es por esto que el

cálculo debe realizarse en tres dimensiones y no en dos como ocurría en la rotura plana.

A continuación se describe el caso más general, en que se aprecia el plano del talud, el

plano situado por encima de la cresta del mismo, los planos de deslizamiento A y B y una

grieta de tracción plana y denominada plano C. Se considera la presencia de presiones

intersticiales sobre los planos A, B y C y la acción de un terremoto cuyo efecto se asimila

estáticamente a una aceleración vertical aV y otra horizontal aH .

Figura 4.4.1 Partes de una rotura por cuñas.

Fuente: Manual de Taludes, IGME, 1era Ed.1987



Figura 4.4.2 Vistas de diversos perfiles de una rotura por cuñas

Fuente: Manual de Taludes, IGME, 1era Ed.1987

Las fuerzas actuantes son las siguientes:

UA, UB: resultantes de presiones intersticiales sobre los planos A y B. Actúan

perpendicularmente a esos planos.

V: resultante de presiones intersticiales sobre el plano C. Actúan normalmente sobre dicho

plano.

WV = W(1+ aV/g) Fuerza vertical debida al peso de la cuña y a la acción del terremoto. En

ocasiones el factor de seguridad es más bajo cuando se toma aV con signo negativo, por lo

que se recomienda realizar el cálculo con los dos signos y tomar el FS más pequeño.

WH = W(1+ aH/g) Fuerza horizontal debida al peso de la cuña y a la acción del terremoto.

W: Peso de la cuña.

g: aceleración de la gravedad.

Si la geometría de la cuña está definida, las direcciones de todas las fuerzas lo están

también.



Las fuerzas WV, WH y V se descomponen vectorialmente en tres direcciones: la dirección

de deslizamiento o dirección de la línea de intersección, y las direcciones normales a los

planos A y B.

En la notación que se empleará ahora, el subíndice D indica la componente según la

dirección de deslizamiento y los subíndices A y B indican las componentes normales a los

planos A y B.

Así por ejemplo,

El factor de seguridad FS se obtiene como cociente entre las fuerzas resistentes del terreno

y las fuerzas que tienden a provocar el deslizamiento.

Se supone despreciable el efecto sobre la estabilidad de la cuña de los momentos de las

fuerzas actuantes.

La expresión que define FS es:

Donde:

cA, cB: cohesión efectiva en las superficies de deslizamiento A y B.

jA, jB: ángulo de rozamiento interno efectivo en las superficies de deslizamiento A y B.

AA, AB: áreas de las superficies de deslizamiento A y B.

NA: es la reacción normal efectiva sobre el plano A.

NB: es la reacción normal efectiva sobre el plano B.

FD: es la resultante de las componentes de las fuerzas que tienden a producir el

deslizamiento.



4.5 Análisis de estabilidad de una rotura circular o curva.

Con el fin de resumir en este capítulo solo de detallara en detalle el método de BISHOP

para el cálculo del factor de seguridad en una rotura circular o curva.

El método de BISHOP supone la superficie de deslizamiento circular. Es un método de

cálculo por dovelas o rebanadas. Se supone una masa deslizante dividida en n fajas

verticales. En la figura se recogen las fuerzas actuantes sobre una de esas fajas.

Estableciendo el equilibrio de momentos de toda la masa deslizante respecto al centro del

círculo de deslizamiento y despejando FS se obtiene:



Figura 4.5.1 Equilibro de fuerzas en una faja en una rotura circular.

Fuente: Manual de Taludes, IGME, 1era Ed.1987.

De las ecuaciones de equilibrio de fuerzas verticales de cada faja se puede despejar los Ni y

sustituyendo en la ecuación anterior se obtiene:



En el método simplificado de Bishop se supone que se cumple:

Con esta simplificación la expresión queda:

Como FS aparece de modo implícito ha de obtenerse mediante un proceso iterativo que

suele converger rápidamente. La simplificación asumida por Bishop, hace que este método

no cumpla el equilibrio de fuerzas horizontales.

Se define un parámetro Mα, que recoge implícitamente el FS, de esta manera y ayudándose

del gráfico siguiente se puede conocer el factor de seguridad de una rotura circular,

conociendo el ángulo de rozamiento de la superficie de rotura y el ángulo α.



Figura 4.5.1 Grafico para estimar en valor de Mα.Fuente: Manual de Taludes, IGME, 1era Ed.1987.

4.6 Análisis de estabilidad a realizar en función del ángulo de talud y riesgo asociado.

Tabla 4.6Contenido de las investigaciones relacionadas con la estabilidad de taludes. (Geotechnical

Control Office, 1984)

Según el ángulo de talud predominante en la zona, además de un estimado sobre el riesgo

que existe (Revisar tabla 4.6) se sugiere realizar los siguientes estudios:

A) Examen de fotografías aéreas, terrestres y mapas geológicos.

B) Estudios:

1. Topográficos, geológicos y características hidrogeológicas.

2. Características hidrogeológicas.

C) Cartografía geológica de:

1. Rasgos superficiales.

2. Estructuras

D) Investigaciones in situ: zanjas y sondeos.

E) Toma de muestras:

1. Para obtención de características del terreno.



2. Para obtención del contenido en agua, examen de la estructura del terreno y propiedades

remoldeadas.

3. Para obtención de parámetros resistentes, compresibilidad, densidad, porosidad,

contenido en agua, estructura y propiedades inalteradas.

F) Medidas de campo:

1. Nivel freático.

2. Permeabilidad.

G) Ensayos de laboratorio:

1. Ensayos de clasificación.

2. De densidad para materiales de relleno.

3. De resistencia en suelos y discontinuidades.

CAPITULO V METODOS DE ESTABILIDAD DE TALUDES

5.1 Introducción.

Ya identificado el tipo de rotura y cuantificada la posibilidad de que el movimiento ocurra,

es necesario asegurar la estabilidad del macizo rocoso, con el fin de minimizar los riesgos

asociados, mediantes métodos de sostenimiento. El sostenimiento de Taludes considera las

siguientes alternativas:



Malla

Pernos de anclaje, cables

Hormigón Proyectado (Shotcrete)

Todos estos métodos aumentan la fuerza que se opone al movimiento, haciendo variar al

factor de seguridad a favor de una mayor estabilidad del talud.

5.2 Malla.

En general las mallas en taludes mineros se utilizan para prevenir caída de pequeñas rocas,

en macizos rocosos muy fracturados o diaclasados, no son recomendadas para sostener

grandes masas, además no son efectivas como medio de evitar los movimientos estudiados

en este informe.

La malla debe anclarse en la parte superior del talud y fijarse a este por intermedio de

grapas o anclajes.

5.3 Pernos de anclaje, cables.

Cuando el factor de seguridad de un talud determinado se considere insuficiente se puede

mejorar la estabilidad por medio de la colocación de anclajes con una cierta tensión T, con

lo que se consigue aumentar el valor de FS.

El anclaje realiza dos acciones beneficiosas para la estabilidad de la masa deslizante, por

una parte su componente horizontal se opone a las fuerzas que tienen al deslizamiento y por

otra parte, su componente vertical aumenta la resistencia al corte de la discontinuidad. En la



expresión del FS, se traduce en una disminución del denominador y un aumento del

numerador. Esto se traduce en un aumento considerable de la estabilidad.

Figura 5.3 Diagrama de fuerzas en la colocación de un sistema de anclaje.

Fuente: Manual de Taludes, IGME, 1era Ed.1987.

5.4 Shotchete.

El shotcrete u hormigón proyectado se utiliza en taludes con alta presencia de rocas de

tamaño pequeño, inevitables de ser sostenidas mediante mallas. Se debe tomar principal

intención en el flujo de agua en el cuerpo del talud al momento de utilizar este método, ya

que si el agua rompe la unidad entre el hormigón y el material podría producirse un

colapso, se recomienda tomar consideraciones de drenaje para una mejor aplicación del

método.



5.5 Métodos correctivos de estabilidad de taludes.

La reducción de fuerzas motoras, con el fin de aumentar el FS del talud, se puede lograr

mediante dos métodos, como lo son la remoción del material en la parte apropiada de la

rotura, esto implica un problema en planificación del pit, o mediante el drenaje, que

disminuye la presión de agua en el talud, además de disminuir el peso de este mismo, ya

que pierde el peso adicional que le confería el agua.

La inclusión de las medidas de drenaje en el proyecto del talud y su aplicación desde el

inicio de la construcción permite obtener el máximo beneficio pues se mantiene intacta la

resistencia- del terreno

Generalmente se busca utilizar el drenaje en combinación con estructuras de soporte como

pernos, mallas o shotcrete.

Otra forma de evitar posibles inconvenientes en los taludes es uso de tronadura controlada,

generando una línea de precorte al momento de la tronadura, la cual protege al macizo

rocoso remanente de la onda expansiva que tiene como finalidad la fragmentación de la

roca y que puede ser devastadora para el talud final si no se controla.


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