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CURSO DE ESPECIALIZACIÓN EN CIERRE DE MINAS Y PASIVOS AMBIENTALES

CURSO TÉCNICO

Guía para el Diseño de Tapones

Luiz Castro, Ph.D., P.Eng.Golder Associates Ltd

Julio de 2006Día 2, Grupo Técnico – Presentación 1

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¿Por qué sellar un túnel?

• Retornar los niveles del agua subterránea a sus condiciones previas al minado.

• Saturar el macizo rocoso para reducir el drenaje ácido de roca.• Reducir el flujo de descarga al medio ambiente.• Reducir o regular los flujos hacia la planta de tratamiento de

agua.• Retener el agua, relaves o relleno• Evitar el ingreso de material de cubierta (avalancha de lodo) en

las aberturas subterráneas• Limitar el grado de inundación de las labores mineras durante

el cierre de una mina para evitar el drenaje ácido de roca• Sellar las labores abandonadas y evitar el ingreso de agua a

una mina adyacente• Sellar los túneles de derivación de la presa

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Aplicaciones de Tapones Permanentes de Túneles

Drenaje de Mina a TajoAbierto y Túneles de Exploración

Prevenir el ingreso de agua del tajo a la mina subterránea

Inundación de laboressubterráneas para evitar el Drenaje Ácido de Mina

Aquifer

Diversion Tunnel

Tailings Pond

Sellado de una parteinundada de una mina

Taponeo del Túnel de Derivaciónalrededor de la Presa de Relaves

Ref.: TSS (1999) – Diseño y Construcción de Tapones de Túneles

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Mina Britannia – Medidas de Prevención de Contaminación


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Clasificación de Estructuras de Contención

• Nivel de carga hidráulica• Estructuras temporales o permanentes• Secciones de concreto simple (monolítico) o

múltiple (núcleo hueco o compuesto)• Forma:

– indentados– de lados paralelos– cónicos– de núcleo hueco

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Presión en Tapones

Grande Dixence Dam, La presa de concreto más alta del

mundo, 285 m

Tapones de Túneles de Mina frecuentemente diseñados para alturas de 500 m. Algunos diseñados sobre 1000m.

0 m

100 m

200 m

300 m

400 m

500 m

600 m

Tapóndel Túnel


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Carga Hidráulica vs Estructuras Temporales y Permanentes

Temporal, Carga Hidráulica Baja

Permanente,Carga Hidráulica Alta

Cercos de relleno, Barricadas

Presas Subterráneas

Muros de Separación

Tapones

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Definición de Estructuras de Contención - Presas

•Presas (Temporal)– Usadas para almacenar agua para perforación, sumideros o para derivar agua– Presión baja < 2 m

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Cercos de Relleno• Cercos o Barricadas de Relleno

– Presiones de diseño < 100 kPa (10 m de agua o 5 m de relaveslicuados)

– Contener relleno húmedo hasta el fraguado del relleno– Suficiente resistencia para la presión del relleno húmedo– La presión máxima del diseño depende de:

• Tiempo tomado para el fraguado del relleno• Altura del relleno al tiempo de fraguado

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Estructuras de Contención Temporales y Permanentes

• Muros de Separación– Presión baja (10 – 100 m or 100 - 1000 kPa) – Usados para:

• Contener el relleno (uso temporal o permanente)• Sellar el agua de una parte de la mina• Contener la solución en el tajeo de lixiviación in situ• Proteger un pique en caso de colapso de un pilar

corona

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Estructuras de Contención Permanentes - Tapones

• Tapones– Estructuralmente idénticos en

función a los muros de separación

– Principales diferencias:• Estructuras permanentes que no

requieren mantenimiento o monitoreo diario

• Es posible que soportenpresiones más altas que los muros de separación

• Posiblemente con presiones queexceden significativamente 100 kPa (>10 m)

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Estructuras de Contención Permanentes - Tapones

• Tapones que permanecen después del cierre de minas

• Diseñados con altos factores de seguridad• Requieren un control de calidad riguroso

• Sólo se usará el término Tapón (comobarrera permanente o muro de separaciónpara la contención de fluidos bajo presión) en este curso.

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Ejemplos de Tapones de ConcretoIndentado

Tapón Cónico(monolítico)

Tapón de LadosParalelos (monolítico)

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Ejemplos de Tapones de Concreto de Núcleo Hueco

Tapón de Núcleo Hueco(o compuesto) Sección sólida con muescas másNúcleo húecoDebajo de la galería del relleno

Tapón de ladosparaleloscon acceso parapersonal

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Núcleo Monolítico y Hueco

• Tapones de Concreto Monolítico– Túnel de diámetro pequeño < 6 m– Construido mediante vaciado simple o múltiple

de concreto sin refuerzo de acero• Tapones de Núcleo Hueco

– Túneles con diámetros grandes > 6m – Usados para facilitar relleno de contacto– La galería puede quedar sin rellenarse en caso

que el diámetro del tapón sea igual o mayor que3 veces el ancho de la galería de relleno

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Forma del Tapón: Núcleo Hueco

Sección Longitudinal

Sección cruzada

• Diseño común para los túneles de derivación de presas hidroeléctricas (túnel de diámetrogrande)

• Considera la aspereza natural del túnel para la resistencia al corte

• relleno de contacto alrededor del túnel• inyección de concreto de contacto y de

consolidación desde la galería de inyección de concreto

• contiene juntas de construcción


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Pasos para el Diseño de Tapones

1. Definir:– Tipo, características y control de altura de presión del

fluido a contenerse– Área y perímetro de la sección del túnel– Cargas dinámicas (impactos) potenciales

2. Colección de datos geotécnicos e hidrogeológicos– Material de cubierta y macizo rocoso

3. Evaluación de la estabilidad4. Materiales y especificaciones de construcción5. Control de Calidad y Monitoreo

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Ingeniero Calificado• Deberán realizarse estudios geotécnicos y estructurales

apropiados para determinar la estabilidad a largo plazo del tapón

• Estos estudios deberán ser realizados y certificados poringenieros estructurales y geotécnicos profesionalesdebidamente calificados

Ingeniero Calificado“Ingeniero o grupo de ingenieros con experiencia en el diseño de tapones y desarrollo y aplicación de especificaciones para concreto, encofrado, refuerzo de acero y/o relleno.”

También se requiere de personal experimentado para realizar la inspección geotécnica de la ubicación del tapón y para asegurar unaconstrucción adecuada de los tapones de túneles. Deberá contarsecon la disponibilidad de un ingeniero calificado para toda la construcción de los tapones. Por lo general, esta persona serácontratada por el proponente como contacto con el contratista, segúnsolicitud específica.

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Datos Generales

• Composiciones químicas básicas del fluido– pH, metales disueltos y sulfatos

• Datos sobre las condiciones de la superficie, incluyendo:– La topografía superficial cerca al área del futuro

tapón, incluyendo carreteras, edificios, puntos de referencia y detalles de los estudios

– Presencia o ausencia de un cuerpo de agua– Área superficial que sería afectada por la caída

de un pilar corona– Topografía de interfase del lecho de roca y

material de cubierta

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Colección de Datos Geotécnicos e Hidrogeológicos

• Geología y geología estructural• Características del material de cubierta

– geotécnicas– hidrogeológicas

• Características del macizo rocoso– geotécnicas– hidrogeológicas

• Esfuerzo in situ de la roca que rodea al tapón

• Actividad sísmica

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Ubicación del tapón

• El tapón deberá ubicarse:– Cuando la roca sea competente y esté libre de

significativas características geológicas como rupturas, zonas de corte, etc…;

– En un área que no esté altamente comprimida y lejos de otras aberturas minadas

– Aguas abajo de cualquier filtración, todo el agua queingresa es contenida

– En donde el esfuerzo in situ excede al aplicado por la alturadel agua para evitar la abertura de fracturas

– Cuando la permeabilidad general de la roca circundante esbaja

– A una distancia adecuada de cualquier tajeo, punto de extracción o de zonas mineras activas

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Evaluación de la Estabilidad – Tipos de Inestabilidad

1. Ruptura por corte– Ruptura por corte en el concreto, a lo largo del contacto del concreto y roca o

en el macizo rocoso

2. Ruptura por flexión de viga gruesa– Generalmente ocurre como ruptura confinada en el mismo material del tapón

3. Ruptura por levantamiento hidráulico– Ocurre a lo largo de la interfase concreto y roca del tapón o en

discontinuidades del concreto en la roca que rodea el tapón

4. Ruptura debida a filtración excesiva– Falta de contacto en la interfase, efectos de erosión bajo gradientes hidráulicos

muy altos a lo largo del eje del tapón

5. Ruptura física y química a largo plazo del concretodel tapón, inyecciones, o capas o inclusiones en la roca circundante.

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Criterios de Diseño para Tapones Permanentes

F.S. > 1.3 condición normal (análisis del esfuerzo total)F.S. > 1.1 condición de terremoto (análisis del esfuerzo total)

3) LevantamientoHidráulico de la rocaque rodea el tapón.

Esfuerzo de flexión permisible según el código de ACI. F.S. > 3.0 condición normal F.S. > 1.5 condición de terremoto

2) Ruptura porflexión de VigaGruesa

Esfuerzo cortante permisible de acuerdo, por ejemplo, al criteriode ruptura de Hoek-Brown. Esfuerzo cortante permisible de acuerdo a ACI (American Concrete Institute), CSA (Canadian Standard Association) o el código equivalente aprobado en Perú.

F.S. > 3.0 condición normal F.S. > 1.5 condición de terremotos y para la presión hidrostáticatotal de lodo y relaves (con gravedad específica igual a 2)F.S. > 1.1 para la condición (impacto directo) de avalancha de lodo (dinámica)

1) Diseño por Corte– ruptura por corte a lo largo del contacto roca/concreto o en el macizo rocoso, o a lo largo de las discontinuidadesde orientación adversa

Criterios de diseñoTipo de Caída Potencial

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Criterios de Diseño para Tapones Permanentes

> 30 MPa resistencia a la compresión.Mezcla de concreto a diseñarse con los mejores estándaresposibles para su resistencia al ataque de acidez, sulfato, y reactividad a agregados de alcalis.

5) Desintegracióndel concreto a largo plazo

a) Gradiente hidráulica en base a los métodos empíricos de diseñob) Para las condiciones estáticas, debe usarse un factor de seguridad mínimo de 2.5 para asegurar la gradiente de presiónen el muro de separación, usando el enfoque de Sudáfrica (i.e., Garret & Campbell-Pitt, 1958 and 1961).c) Para condiciones (dinámicas) de avalancha de lodo, se debeadoptar un factor de seguridad de 1.5.Además, para los tapones construidos para retener el drenajeácido de roca deberá verificarse los siguientes criterios de “Rendimiento” :d) Reducción de la conductividad hidráulica del contacto y macizo rocoso que inmediatamente rodea al tapón al menos a 10-7 m/s con inyección de concreto (si fuera necesario).e) Limitar filtración a gotas ocasionales en el tapón y menores a 1 L/s medidas a 20 m debajo del tapón.

4) GradienteHidráulica y Filtración (o Filtraciónexcesiva) alrededor del tapón para evitar el socavamiento y erosión de las paredes del túnel aguasabajo.

Criteros de DiseñoTipo de caída potencial

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Diseño por CorteFuerza Resistente = τPL

Fuerza Desestabilizante= Aγg(h2+h1)/2

h2

h1

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Diseño por Corte - Concreto

(a) Verificar la Resistencia al Corte del Concreto

• El esfuerzo cortante permisible (fs′) para el concreto no reforzado es determinado porACI (1972):

En donde: fc′ está en MPa y fs′ esdeterminado por kPa

• Para el concreto 25 MPa - fs′ = 830 kPa y para 30 MPa, fs′ = 910 kPa

'1.166' cs ff =

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Diseño por Corte - Concreto

• Estándares Británicos, para la estimacióndel esfuerzo cortante permisible para el concreto reforzado (Audi, 1983)

BendingCompression

Directcompressionor bearing,

Concrete to rock

interfacebearing*,

Beam shear(Manning, 1961)

Punching shear(Manning, 1961)

Pc Pb Pbc (=3.75Ppe) 0.1Pc Pp(=0.2Pc)(MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa)

f cu/2.73 0.75f cu/2.73 0.75f cu/4 (f cu/50)+0.27 0.75f cu/4Max.=0.90

Grade 25 9.16 6.87 4.69 0.77 0.92 1.84 1.25(characteristic 30 10.99 8.24 5.63 0.87 1.10 2.2 1.5

strength, 35 12.82 9.62 6.56 0.90 1.28 2.56 1.75f cu, MPa) 40 14.65 10.99 7.5 0.90 1.47 2.94 2

45 16.48 12.36 8.44 0.90 1.65 3.3 2.2550 18.32 13.74 9.48 0.90 1.83 3.66 2.555 20.15 15.11 10.31 0.90 2.02 4.04 2.75

* Based on a factor of safety = 4† British Standards Institution (1969)

Concrete torock interface

punchingshear*, Ppe

CP114:1969value†

Beam shear(MPa)Type of Stress

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Resistencia al Corte del Macizo Rocoso

• Criterio de Resistencia por Hoek & Brown– Basado en la clasificación del macizo rocoso– Estimación del Índice de Resistencia Geológica (GSI)– Puede usar el programa Roclab (www.rocscience.com)– Considera un confinamiento de 0 MPa para tapones no

inyectados y de 0.5 MPa para tapones inyectados a presión.

– Se debe aplicar al menos un factor de seguridad de 3

• Criterio Empírico– Benson (1989) – Práctica de ingeniería civil

• Ya incluye un factor de seguridad > 3• Considera tapones no inyectados

– Garrett & Campbell (1961) – Práctica minera en Sudáfrica

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Diseño de Resistencia al Corte y Gradientes Hidráulicas(según Benson, 1989)

Nota: Características erosivas debajo del tapón a ser tratado localmente

30 - 403 - 4150 (50)Roca muy mala

Muy débil, posiblemente erosionableRMR < 20

50 - 605 - 6300 (100)Roca mala

Débil, con muchas discontinuidades21<RMR<40

70 – 907 - 9600 (200)Roca Regular

Moderada a débil, con discontinuidadesmoderadas

41<RMR<60

100 - 14010 - 14900 (300)Roca BuenaDura a moderadamentedura, con discontinuidades moderadas

61<RMR<80

150 - 20015 - 201500 (500)Roca Muy Buena

Masiva, dura, con pocas discontinuidades81<RMR<100

kPa/mm/m

Gradiente a Presión Máximo

Permisible

Gradiente HidráulicaMáxima Permisible2

Resistencia al Corte (Esfuerzo cortante

máximo permisible)(kPa)1

Condición General de la Roca RMR –Clasificación del Macizo Rocoso

1 Considerando un factor de seguridad de al menos 3.0. 2 Las gradientes hidráulicas permisibles pueden ser mayoressi se aplica inyección de concreto

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Prácticas Mineras en Sudáfrica

• Garrett & Campbell Pitt (1961)– Para el concreto colocado (o vertido) de manera

normal (i.e., tapones no inyectados)• Esfuerzo cortante permisible = 590 kPa

– Para tapones inyectados a presión• Esfuerzo cortante permisible = 839 kPa

• Obsérvese que los valores de Ingeniería Civil presentados por Benson (1989) son conservadores, al compararlos con la experiencia minera en S.A.

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Corte – Experiencia en Sudáfrica• Longitud del tapón en base al Esfuerzo Cortante en la

Interfase del Concreto/Roca ( Garrett & Campbell-Pitt,1961):

Donde:Pf = presión de fluido aplicada (Pa) = ρ • g • HH = altura del fluido en el tapón (m)

ρ = densidad del fluido (kg/m3)g = constante gravitacional (9.81 m/s2)

A = Área de la parte frontal del tapónPe = perímetro de la sección cruzada del tapónPara la sección rectangular, A = w • h y Pe = 2 (w + h)

w = ancho del túnel o del tapón (m)h = altura del túnel o del tapón (m)

L = longitud del tapón (m)f's = Esfuerzo cortante permisible de la roca o concreto en la

interfase, el que fuera menor (Pa)

sf ' PAPL

e

f •=

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Corte – Interfase de Concreto/Roca

• Densidad del Fluido– Agua, densidad = 1000 kg/m3

– Lodo o relaves típicos, densidad = 2000 kg/m3

– Naturalmente, si la densidad ya está expresadacomo kN/m3, no es necesario multiplicar la densidad por la constante de gravedad.

• Para los impactos por avalancha de lodos, se puede aplicar una presión de hasta 4 veces la presión hidrostática

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Corte - Ejemplo• Estimar la longitud de un tapón típico en un túnel rectangular

de 4m x 5 m de ancho, con una carga de 250 m de agua a construirse en un macizo rocoso con RMR = 80. Se aplicanlos siguientes pasos:– Evaluar el esfuerzo cortante permisible a lo largo de las

descontinuidades o en un macizo rocoso de muy buenacalidad = (1500 kPa)/3 = 500kPa (en base a los valores de Benson).

– Esfuerzo cortante permisible en un concreto de 25 MPa = 830 kPa

– La Guía de S.A., indica que 839 kPa, asumiendo un grouting en la interfase del concreto y la roca.

– Para H = 4 m y w = 5 m, Área = 20 m2 y Perímetro = 18m– La caída por corte será controlada por la resistencia del

macizo rocoso:

mPa

L 5.5)18)(500000(

)20)(250)(81.9)(1000(==

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Corte – La Experiencia Sudafricana• Longitud del tapón en base a la Resistencia del Concreto o

Roca en la interfase (Garrett & Campbell-Pitt, 1961):

Donde:Pf = presión aplicada al fluido (Pa or KPa)A = Área de la parte frontal del tapónPe = Perímetro cruzado del tapónPara la sección rectangular, A = w • h y Pe = 2 (w + h)

w = ancho del túnel o tapón (m)h = altura del túnel o tapón (m)

Para una sección circular del radio r, A = π r2 y Pe = 2 π rL = longitud del tapón (m)fc = Resistencia a la compresión permisible de la roca o

concreto en la interfase = 3.75 fs

ce

ff P

AP2L ••=

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Corte – Enfoque de Esfuerzo Admisible

• El enfoque de esfuerzo admisible resulta en unalongitud del tapón significativamente menorcomparado a la evaluación de la resistencia al cortedel concreto o roca en la interfase

• Los dos enfoques son sobre simplificaciones de unacondición más compleja de esfuerzo

• La verdadera resistencia probablemente se encuetra entre ambos extremos

• Se recomienda el uso del enfoque más conservador(i.e., en base a la resistencia al corte) para los requerimientos a largo plazo

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Diseño por Flexión de Viga Profunda

•No se requiere refuerzo de acero cuando la relación del ancho a la longitud del tapón es ≥ 1.25 (i.e., condiciones de flexión de viga profunda)•La longitud del tapón requerido se obtiene del:

Donde:Mu = momento de flexión del diseño (kN m) = [(w l2) / 8]/0.65w = carga por metro para una altura de viga de 1 m (kN / m)

= (H ρw α) x 9.81 / 1000l = ancho del túnel (m)H = altura del fluido que actúa en el tapón (m)ρw = densidad del fluido (kg/m3)α = factor de carga = 1.4 (en base a ACI, 1989)b = peso unitario de la vigaft = resistencia permisible a la tensión y flexión del concreto (kPa)f'c = resistencia a la compresión del concreto (MPa)

t

u

fbML 6

=

ct ff '2.415=

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Sección Longitudinal

σ3ρgh

Fractura o Levantamiento Hidráulico

• El levantamiento hidráulico ocurrirá si la carga hidráulica en el túnelexcede el esfuerzo mínimo principal (σ3)

• Regla General:– El espesor de la cobertura rocosa sobre el tapón deberá ser al

menos la mitad de altura estática dentro del túnel• No es válido para túneles cerca a tajeos, flancos de valles o en

condiciones geológicas que presenten bajos esfuerzos in situ

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Mina Marcopper – Levantamiento Hidráulico– mina de cobre a tajo abierto en Filipinas– se rellenó el tajo con relaves– se construyó un tapón de concreto de 6m de largo en

el túnel de drenaje– cobertura rocosa (o presión de confinamiento)

inadecuada– levantamiento hidráulico seguido de erosión– descarga de 4 millones de toneladas de relaves en el

sistema fluvial

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Fractura o Levantamiento Hidráulico

• En áreas de significativa intemperización tropical y donde exista la posibilidad de levantamiento de planoshorizontales (e.g., planos de estratificación o combinaciones de uniones), se podrá usar la siguienteecuación:

Donde: Hr = altura de la roca sobre el túnel (m);γr = densidad de la roca (t/m3);Hs = altura del suelo sobre el túnel (m);γs = densidad del suelo (t/m3); yHw = altura estática máxima (m)

• Incluye un factor de seguridad de 1.3 en comparacióncon el levantamiento de planos horizontales

rγsγHsHw1.3

Hr−

=

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Representación Esquemática – Criterio Noruego

• Válido para tajeos de hasta 60°.• Para tajeos más inclinados, se requiere mediciones del esfuerzo in-

situ (e.g., técnicas de overcoring o pruebas de fracturas hidráulicas)

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Fracturamiento Hidráulico – Criterio Noruego

• Para túneles ubicados cerca a un valle, puedeusarse la siguiente ecuación:

Donde:CRM = cobertura rocosa mínima medida desde el túnel de manera oblícua hasta el punto más cercano a la superficie del terreno (i.e., la menor distancia hacia la superficie) (m)hs = carga hidráulica estática de diseño (m)γw = peso unitario del agua (MN/m3)γr = peso unitario de la roca (MN/m3)β = ángulo de talud promedio de la ladera

(varía con el talud)FS = deberá aplicarse un factor de seguridad,

de un mínimo de 1.3

cosβγFShγ C

r

swRM =

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Estimación de la Formación de Rupturas

• En base a las pruebas de hidrofracturamiento, la presión de la formación puede estimarse mediante :

Donde: Ts = resistencia a la tracción (MPa)Smin (MPa) = esfuerzo mínimo normal en el sondajeSmax (MPa) = esfuerzo máximo normal en el sondaje yPf = presión de poros de la formación (MPa)

• Para una verificación simple y rápida, donde no se cuente con datos de pruebas de hidrofractura en campo, es posiblesimplificar la ecuación de la presión en:

Donde: σv = esfuerzo del material de cubierta (MPa)

• Puede usarse para la estimación de la presión máxima a aplicarse para la inyección de cortinas de concreto.

fSo PSSTB −−−= maxmin3

vo 2σB =

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Filtración Excesiva (Altas Gradientes Hidráulicas)• La ruptura por erosión ocurre cuando la gradiente excede la gradiente

permisible para el macizo rocoso• Es también originada por las prácticas de construcción• El diseño del tapón debe demostrar que la potencial filtración, en base a las

gradientes hidráulicas aplicadas, no afecte estructural o ambientalmente la integridad del tapón para cuyo propósito ha sido diseñado

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Gradiente Hidráulica Máxima

• La gradiente hidráulica máxima (HGmax) no deberá exceder los valoresempíricos recomendados, por ejemplo, según Benson (1989).

• Para las distintas calidades de macizo rocoso, los valores de Benson pueden aproximarse con la expresión HGmax (kPa/m) ≅ 2 * (RMR-5)

• Este crierio asegurará que la posibilidad de una filtración a través de la roca alrededor del tapón sea minimizada al grado de mitigar la erosiónde materiales de relleno, así como la consecuente inestabilidad

• Se recomienda que la longitud del tapón sea incrementada paracumplir con este criterio

tapón)delinferior esuperior extremos los (entre tapóndel longitudimpactos) depresión (incluye aplicada máxima hidráulica alturaHG max =

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Gradiente Hidráulica Empírica – Práctica en S.A.

• La gradiente de presión (P/L) en el tapón no debe exceder los siguientes criterios:– 475 kPa/m donde el contacto entre el tapón y la roca es no inyectado, o– 3660 kPa/m donde la presión del relleno aplicado en el macizo rocoso

alrededor del tapón es al menos el doble de la presión hidrostática del diseño

donde: P = altura del fluido del diseño (o presión) (kPa)L = longitud del tapón (m)

• Garret y Campbell-Pitt (1958) recomiendan que debe aplicarse un F.S. mínimo de 4:– HGmax = 118 kPa/m para interfases concreto/roca no inyectadas, o

915 kPa/m para interfases concreto/roca inyectadas

• F.S. recomendado = 2.5 y 1.5 para las condiciones y/o impactos de avalancha de lodo

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Filtración Permisible

• Directamente proporcional a la conductividad hidráulica del macizorocoso (k)

• Donde k < 10-7 m/s, los tapones pueden construirse normalmentepara alcanzar índices de filtración menores a 1 L/s (Lang, 1999)

• En caso de mayor conductividad hidráulica, pueden ser efectivos la inyección de cortinas y la inyección de la formación, pero puedealterar de manera simple la filtración subterránea

• Regla general - la inyección de cemento es efectiva sólo para unaconductividad hidráulica mayor a 1 Lugeon, o 1 x 10-7 m/s

• Garrett y Campbell Pitt (1961) indican que un índice de filtraciónaceptable es 0.25 L/s a 1L/s

• Como referencia general, puede usarse una filtración máximapermisible de 1L/s ocurriendo 20 m aguas abajo de los tapones de ARD, según los criterios de la guía para tapones de cierrepermanente

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Resumen de Gradientes Máximas de Presión

200 a 500 kPa/m permisible500 para macizo rocoso con fracturas espaciadas,

de muy buena calidad

Dahlø et al. (1992) –Norwegian Civil Eng.

experience

-905 (300 kPa/m

permisible para F.S. = 3)

565 (188 kPapermisible para F.S. =

3)

Mining Eng. Handbook (1973)

-565 (188 kPa / m permisible para un F.S. de 3)U.S. Guidelines (1985)

-3660 (permisible = 915

kPa / m, para un F.S. de 4)

475 (permisible = 118 kPa/m para un

F.S.=4)

S. African – Garret & Campbell-Pitt (1958)

-

permisible ≅ 2 * (RMR-5) * 10(No mayor a 50 kPa/m para roca de mala calidadhasta 200 kPa/m para macizos de roca dura, dura

y con pocas discontinuidades)

Benson (1989)

1 (e.g., 1L/s ocurriendo20 m debajo de lostapones de ARD)

--Lang (1999)

0.25 a 1--Garret & Campbell-Pitt (1961)

Interfaz concreto/rocainyectada (kPa/m)

Interfaz concreto/rocano inyectada (kPa/m)

Índice de FiltraciónAcceptable (L/s)

Gradientes Máximas de Presión( Gradientes de Presión Permisibles)

Propuesto por

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Mecanismos Químicos y Físicos a Largo Plazo

• El ataque químico puede reducir la integridad del concreto con el tiempo o causar corrosión en el acero de refuerzo o tubos

• Por lo general, si las condiciones reunen uno o másde los siguientes criterios, se considerará la ubicación como agresiva:– pH < 4.5;– resistencia < 2000 ohm-cm;– Sulfuros y sulfatos presentes; y– Historia de un ataque químico a las estructuras previas de

concretos

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Mecanismos Químicos y Físicos a Largo Plazo

• Los análisis de calidad de agua típicos (incluyendoaguas de relaves, si aplicara) son:– pH (campo)– Sólidos Totales Disueltos (TDS)– Sulfato – importante para definir el tipo de cemento– Amonio– Calcio– Cloruro– Cobre (disuelto, cuando sea aplicable)– Concentración de otros metales

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Guías para Límites Químicos AceptablesLímites Químicos para Agua de Mezcla (según ASTM C94)

AASHTO T2650,000Sólidos Totales

600Alcalis, como (Na2O + 0.658 K2O)

ASTM D5163,000Sulfato, como SO4

CSA A23.3-5B

500a

1,000a

Cloruro, como Cl

Concreto Pretensado

Otro concreto reforzado en ambienteshúmedos o incrustaciones con contenido de alumino u otros metaleso con formas de metal galvanizado

Método de Prueba**Concentración Máxima* ppmQuímicos

•* Puede permitirse el reuso de agua de lavado como agua de mezcla en concreto a fin de excederlas concentraciones de cloruro y sultado mencionadas si se demuestra que la concentracióncalculada en el agua de mezcla total, incluyendo el agua de mezcla en los agregados y otrasfuentes, no excede los límites establecidos.•** Puede usarse otros métodos de prueba que se ha demostrado generan resultados comparables.•a En condiciones que permitan el uso de acelerador de CaCl2 como un aditivo, el Propietario puederechazar la limitación de cloruro.

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Riesgo Sísmico

• La consideración de riesgo sísmico es necesariapara el diseño del tapón si existe la posibilidad de licuefacción de materiales susceptibles inducido porterremotos (e.g., con respecto a los relaves y/o con algunos otros tipos de material de cubierta limosoetc.)

• El diseño deberá:– Evaluar la susceptibilidad del material de cubierta (o

relaves contenidos aguas arriba de un tapón) hasta la licuefacción durante movimientos sísmicos, particularmentepara limos y arenas sueltas

– Evaluar el potencial de flujo (flujo de lodo) aguas arriba de un tapón permanente

– Lidiar con los impactos dinámicos potenciales (fuerzas de impacto, como martillo) que afectan la estabilidad del tapón

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Carga Dinámica – Ariete Hidráulico

• Durante un terremoto, la fuerza motriz debetambién incluir la fuerza debido al arietehidráulico

• El ariete hidráulico es la onda de impactocausada por un terremoto que podríapropagarse a través de la longitud del túnel y considerablemente incrementar la presióndel tapón

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Carga Dinámica – Ariete Hidráulico

• El efecto del ariete hidráulico es modelado con el deslizamiento del pistón en un cilindro lleno con fluido en estado de calma. La presiónadicional (PH) (Westergaard, 1931) requerida para establecer la velocidad del fluido en movimiento (v) puede estimarse con:

donde: c = velocidad del sonido en el agua (1437 m/s)v = velocidad del terreno (m/s)ρ = densidad del agua (kg/m3)

ρ(v)cPH =

Tubo

Pistón v

c∆t

cPH

v∆t

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Carga Dinámica – Ariete Hidráulico (cont.)

• Relación entre la velocidad máxima del terreno y la aceleración máxima del terremoto (Seed and Idriss, 1983):

• Esta presión adicional PH (debida al arietehidráulico) debe agregarse a la presión del fluidoestático para el diseño del tapón

)(sec//55max

max rockforgcmav

=

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Carga Dinámica – Por Avalancha de Lodo

• La ruptura de pilares corona delgados con material de cubierta podría originar una potencial avalancha de lodoque podría impactar a los tapones

• Requerimientos de presión estática de diseño:– El lodo presenta una densidad desconocida– La gravedad específica puede variar de 1.8 a 2, dependiendo de

la porosidad del material – A medida que ocurre la avalancha de lodo, la gravedad

específica del flujo puede ser de 1.5

Nota: La gravedad específica es la peso unitario dividido por el peso unitario del agua. Se considera como peso unitario del agua 1000 kg/m3 (or 0.01 MN/m3).

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Carga Dinámica – Debida a Avalancha de Lodo

• Requerimientos de Presión Dinámica de Diseño :– La velocidad de la columna de lodo dependerá de:

• Detalles de la tortuosidad (convolución) de los pasajes• Las propiedades (viscocidad y densidad del fluido) del lodo

• El diseño considerará:– La presión hidrostática total del lodo a profundidad (i.e.,

gravedad específica de 2.0 o 2 x hidrostática) – La presión del impacto del lodo en el tapón a 100% de la

presión hidrostática del lodo (efecto del ariete hidráulico), i.e.• PTotal = Pmud + Pimpact

que generalmente resulta en,• PTotal = 4 x hidrostática

• El Factor de Seguridad puede reducirse a aproximadamente 1.1

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Mecanismos de Ruptura del Tapón: Disolución

• La ruptura puede ocurrir por disolución de– roca (sal, gypsum)– rellenos de discontinuidades (carbonato)– inyecciones (e.g., de cemento)– concreto

• Diseñar contra la ruptura por disoluciónseleccionando adecuadamente los materiales

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Discusión del Diseño del Tapón• Las dimensiones del tapón deben encontrar un balance entre:

– Una longitud adecuada para la estabilidad del tapón estructural – el Diseño por Corte será el factor de control principal, versus

– La longitud requerida para lograr las filtraciones mínimas aceptables – la Gradiente Hidráulica determinará la longitud del tapón – ya que se relaciona con las limitaciones ambientales potenciales – puede controlarla calidad del agua en un punto de descarga aguas abajo del tapón.

• En los tapones construidos cerca al portal de la mina – la fracturahidráulica a lo largo de la perifieria del tapón constituiría un criteriomás riguroso para la determinación de la longitud del tapón

• En tales casos, la posición del tapón, y la competencia del macizorocoso circundante son las principales limitaciones en el dimensionamiento del tapón, y puede fácilmente cumplirse con los criterios para la reducción de las gradientes hidráulicas máximas.

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Inyección de concreto (grouting)

• Se requiere Inyección para:– Reducir la conductividad hidráulica del macizo rocoso– Consolidar la roca y mejorar el contacto del concreto y la roca

• Factores para el programa de inyecciones:– El número, espacio y profundidad de los huecos; – La selección apropiada de los materiales y equipos de inyección; – El control de los volúmenes de inyección y presión de la

inyección; y – Conocimiento de los estratos a ser inyectados.

• Las inyecciones de microfinos basados en escorias y aditivosde humos de sílice proporcionan una mejor resistencia al aguasubterránea agresiva

• Para la inyección de contacto, el cemento de microfinos con humos de sílice y un superplastificador mejorarán la penetración en las fracturas finas

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les


CURSO TÉCNICO

Ejemplo de Diseño de Tapón Indentado


Julio 2006Día 2, Grupo Técnico - Conferencia 2

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les Ejemplo de Diseño de un Tapón Indentado

• Una mina desea construir un tapón indentadopara cerrar el acceso al portal de acarreo 130 (cota 130 m) como parte del plan general de cierre de la mina.

• Se requiere el tapón para contener el agua luego del cierre de la mina y se estima que el nivel estático del agua subterránea esté a una cota de 465 m.

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les Ejemplo de Diseño de un Tapón Indentado

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les Ejemplo de Diseño de un Tapón Indentado (Cont.)

• El análisis químico del agua indicó que presenta un pH aproximado de 7 y que no contiene sólidos en suspensión. Cualquier fuga de agua desde el tapón no seráempleada para efectos domésticos.

• El socavón tiene 3.7 m de ancho y 3.4 m de altura en la ubicación planificada para el tapón y el macizo rocoso de granito se ha clasificado como de regular calidad a través de la caracterización de macizo rocoso.

• Se emplearán las especificaciones para el concreto y encofrado presentadas.

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les Diseño General de un Tapón Indentado

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les Diseño General de un Tapón Indentado

Espaciamiento mínimo de barras:

“s” = Dia. de barra (db) + el mayor de :• 25 mm; o• db; o• 1.33 x tamaño máx. del agregado

El método que aquí se presenta sigue las “Guías de Diseño de Compuertas y Presas para Minas Subterráneas” publicadas por el Ministerio de Trabajo de Ontario, Sector Salud y Seguridad Ocupacional (1995).

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les Capacidad de Carga de la Roca

• Para la carga uniforme en un área de roca con ancho W, la capacidad de carga está determinada como :

donde: γ = peso unitario de la rocac = cohesión de la roca

yNγ y Nc son factores de capacidad de cargaNc = (Nq - 1) cot φNγ = 1.5 (Nq - 1) tan φNq = e πtanφ tan2 (π/4 + φ / 2)φ = ángulo de fricción de la roca

CNcNWbq += γγ21

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les Ejemplos de Cohesión y Ángulo de Fricción

35 - 4510000 - 30000

Roca Sedimentaria− caliza− dolomita− areniscas

30 - 4020000 - 40000

Roca Metamórfica− cuartzita− gneis− pizarra

35 - 4535000 - 55000

Roca Ígnea− granito− basalto− pórfido

Ángulo de Fricción (φ)

(grados)

Cohesión (c) (KPa)Tipo de Roca

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les Condiciones Iniciales

• Abertura (lado largo x lado corto), la x lb = 3400mm x 3700 mm

• Carga de Agua, H = 335 m (elev. 465 m – elev. 130m)• Resistencia a la Compresión del Concreto f’c = 30 MPa• Resistencia de las barras de acero fy = 400 MPa• Carga viva debida a presión hidrostática (w):

w = H x ρw x g = 3287 kN/m2

Donde g = 9.81 m/s2

ρw = 1000 kg/m3, (densidad del agua)

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les Requerimientos de Diseño del Tapón

• El diseño del tapón debería justificar las dimensiones del tapón, la profundidad a la cual se enganchará (acuñará) el tapón a la roca, así como los siguientes componentes relevantes de diseño: – Cargas ponderadas– Cargas de corte ponderadas– Momentos ponderados (y requerimientos de

refuerzo)– Espaciamiento de barras y espesor de la losa– Anclaje en la roca– Cargas en el concreto

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les Carga Ponderada Total

• Carga Ponderada Total (Wf):

Wf = αD D + γ ψ (αLL + αQQ +αTT) (CSA 9.2.2)

Donde D = carga muertaL = carga vivaQ = viento, sismoT = Temperatura

• Factores de Carga ( α):αD = 1.25, αL = 1.50, αQ = 1.50, αT = 1.25

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les Carga Ponderada Total (Cont.)

• Factor de Combinación de Cargas (ψ):ψ = 1.0 - una carga (de entre L, Q y T)ψ = 0.7 - dos cargas (de entre L, Q y T)ψ = 0.6 - tres cargas (de entre L, Q y T)

• Dado que sólo se considera una carga viva en este diseño, ψ = se considera 1.0

• Factor de Importancia (γ):γ = 1.0 (CSA 9.2.6)

• Así, la carga ponderada total (Wf) se resuelve como :Wf = Wdf + Wlf = 1.25D +1.50L

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les Carga Ponderada Total (Cont.)

• Para tapones verticales (carga que actúa horizontalmente a través del tapón), como en el caso hipotético analizado, D = 0.0.

• Para tapones horizontales (e.g., construidos en chimeneas verticales, la carga actuaría verticalmente a través del tapón) la carga muerta se debe estimar en base al volumen del tapón y la densidad del concreto.

• Para este ejemplo, D = 0 yWf = 0 + 1.50 x 3287 kN/m2

= 4931 kN/m2

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les Resultados del Diseño del Tapón Indentado

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CURSO TÉCNICO

Especificaciones para la Construcción deTapones de Concreto



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les Funciones y Responsabilidades

ContratistaLa empresa contratada para ejecutar las actividades de construccióndescritas en el Alcance del Trabajo y todos los subcontratistasinvolucrados por el Contratista.

SuperintendenteEl representante del Contratista responsable de la planificación del trabajo y de la dirección y supervisión de las cuadrillas.

Ingeniero CalificadoEl ingeniero o grupo de ingenieros con experiencia en el diseño de tapones y en desarrollo y aplicación de especificaciones para el concreto, encofrado, refuerzo con acero y/o inyección. Asimismo, se requiere personal con experiencia para completar la inspeccióngeotécnica de la ubicación del tapón y garantizar la construcciónadecuada de los tapones del túnel. Se deberá contar con un ingenierocalificado y asignado durante toda la construcción del tapón. Típicamente, esta persona podría ser contratada por el proponente parainteractuar con el contratista en base a requerimiento específico.

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les Normas Técnicas Canadienses

Aditivos químicos para concretoA266.2CSA

Aditivos para aereación del concretoA266.1CSA

Mortero e Inyección para Mampostería UnitariaA179CSA

Materiales de Refuerzo para el ConcretoG30 SeriesCSA

Materiales Complementarios de CementaciónA23.5CSA

Diseño de las Estructuras de ConcretoA23.3CSA

Métodos de Prueba para el ConcretoA23.2CSA

Materiales y Métodos de ConcretoA23.1CSA

Concreto y Concreto ArmadoA23CSA

Cemento PortlandA5CSA

Asociación Canadiense de Normas Técnicas (CSA)

TítuloNorma No.Autoridad o Institución

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les Normas Técnicas ASTM

Mallas de Cable plano de Acero Soldado para Refuerzo de Concreto

A185-85ASTM

Cable plano de Acero para el Refuerzo del AceroA82-88ASTM

Barras Deformadas de Acero de Baja Aleación para el Refuerzo de Concreto

A706ASTM

Acero de Lingotes Deformados y Barras Lisas para Refuerzo del Acero

A615 y 617ASTM

Práctica Estándar de Detalle de RefuerzosA315-92/315R-94ASTM

Requerimientos del Código de Construcción para ConcretoEstructural

A318-95/318R-95ASTM

Método Estándar para Ensayos de Reistencia a la CompresiónC39-96ASTM

Aditivos Químicos para el ConcretoC494-98ASTM

Aditivos de aereación para ConcretoC260-97ASTM

Especificaciones Estándar para Mezcla ListaC94-98ASTM

Especificaciones Estándar para ConcretoC33-97ASTM

Especificaciones para Cemento PortlandC150-97aASTM


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les Normas Técnicas del Instituto Americano de Concreto (ACI)

Guía para el Encofrado del Concreto347-R88ACI

Práctica Estándar para el Detalle de Refuerzos315-92/315R-94ACI

Requerimientos de Código de Construcción para el ConcretoEstructural

318-95 y 318R-95ACI

Práctica Estándar para la Consolidación del Concreto309ACI

Práctica Estándar para la Cura del Concreto308-92ACI

Especificaciones Estándar para Concreto en Clima Frío306.1-90ACI

Especificaciones Estándar para Concreto en Climas Cálidos305R-91ACI

Guía para la Medición, Mezcla y Transporte de Concreto304R-89ACI

Guía para Pisos y Losas de Concreto302-1R-96ACI

Especificaciones para Concreto Estructural301-96ACI

Normas Técnicas del Instituto de Concreto Americano (ACI)


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les Notas Generales

• El tapón se diseñará de conformidad con las normas técnicaslistadas o las normas técnicas previamente aprobados por el Representante del Propietario.

• Los tapones no se cargarán hasta haber verificado la resistenciadel concreto a 28 días mediante ensayos de testigos, de conformidad con CSA A23.

• Antes de la colocación del concreto, el Contratista presentará los diseños de mezcla al Representante del Propietario para suaprobación por escrito.

• No se hará ninguna construcción de tapón (vaciados de concreto) antes de haber recibido por escrito la aprobación de la mezclapor parte del representante del Propietario.

• No se variará la mezcla aprobada sin contar con la aprobaciónpor escrito.

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les Notas Generales

• Un ingeniero calificado en métodos de construcción examinará los trabajos de encofradosy refuerzos antes de iniciar el vaciado.

• Se mantendrá un registro de todos los vaciados de concreto, indicando fecha, lugar de vaciado, cantidad, temperaturas de aire (al momento de colocación de concreto), los testigos tomados paraensayos y los resultados de estos ensayos.

Ø El ingeniero calificado designado remitirá una cartaal término de la construcción del tapón, manifestando que éste fue construido de acuerdocon el diseño de ingeniería.

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les Preparación del Sitio en la Ubicación del Tapón

• Garantizar que no existen estructuras geológicasadversa (e.g., zonas de falla o de corte).

• Un geólogo/ingeniero en mecánica de rocascalificado examinará y aprobará la competencia de la roca en la ubicación del tapón antes de la construcción

• Es muy importante la preparación cuidadosa del sitio – un sello deficiente en la interfaz concreto/rocapuede ocasionar fugas.

• Se descamará exhaustivamente las superficies de roca de toda la roca suelta y se limpiará mediantechorro de agua/aire comprimido.

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les Preparación del Sitio en la Ubicación del Tapón (Cont.)

• Las superficies de roca estarán completamente limpias y libresde desechos, roca suelta, semi-desprendida y fragmentospoco sólidos, corrosión, lodo, aceite y recubrimientosinaceptables.

• Las superficies limpias y preparadas deben contar con la aprobación del supervisor de construcción antes de la colocación del concreto.

• Se controlará completamente el flujo de agua a través del túnelen el sitio del tapón antes de la colocación del concreto, de modo que el agua no se pueda mezclar con el concreto fresco durante la colocación.

• Al término de la construcción del tapón, cualquier tubería o tuberías de drenaje empleadas durante la construcción estaráncompletamente recubiertas con concreto e inyectadas paraevitar dejar vacíos a lo largo de la tubería.

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les Preparación del Sitio - Construcción

• Movilización (desmovilización)

• Acceso al lugar– La elección del lugar (de ser posible) tomará en

consideración la proximidad y la accesibilidad a fin de reducir el acarreo de material y equipos

• Voladura y/o limpieza de la roca– Limitación del sector clave aislado que necesita

voladura y limpieza

• Los servicios de aire, agua, electricidad y ventilación son siempre necesarios en esta clasede construcción

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les Mezcla de Concreto y Ensayos

• Un ingeniero calificado preparará las especificacionesexactas para el concreto y se presentarán al Representante del Propietario para su aprobación.

• Se sugieren las siguientes especificaciones para el concreto propuesto a utilizarse en cualquier tapón:– Todo el concreto tendrá una resistencia a la compresión mínima a

28 días (f′c) de 30 MPa.– Diseñar y ensayar las mezclas de concreto de conformidad con

CSA A23. Prestar cuidado especial durante los meses de invierno.

– Deberán prepararse testigos de concreto para cada vaciado.– El slump será 75mm ±15mm en el lugar del tapón.– Todo el concreto expuesto a ciclos de congelamiento/

descongelamiento contendrán un agente de aereación. El contenido total de aire será tal como se especifica en la Norma A23 de CSA para el tamaño o agregado particular que se utilice.

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les Mezcla y Prueba de Concreto (Cont.)

– El tamaño máximo de agregado grueso será 25 mm.– Se recomienda el uso de cemento resistente al sulfato, a

menos que la composición química del agua haya sidoespecíficamente determinada como no agresiva.

– El concreto que no sea colocado dentro del lapso de una horade mezclado deberá contener un agente retardante en cantidadsuficiente para retardar la preparación inicial durante el tiemporequerido para colocar y compactar el concreto o serádescartado y no será utilizado en las obras.

– Todos los aditivos de concreto como agentes de retardo, agentes reductores de agua y/o agentes de aereación, seráncompatibles entre sí y de conformidad con la Norma A23 CSA. No se utilizarán con estas mezclas cloruro de calcio o productos que lo contengan.

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les Mezcla y Prueba de Concreto (Cont.)

• La mezcla exacta de concreto será especificada por un ingenierode diseño calificado en el diseño de mezclas de concreto. Las formulaciones de diseño de mezcla justificarán el slump especificado, la disponibilidad de agregados y cualquierrequerimiento exigido por el método de colocación del concreto.

• El agua para uso de mezclado será limpia y libre de sales, alcalinos u otros minerales que puedan reaccionar de maneraindeseable con el cemento (i.e., tendrá una calidad apropiada paraconsumo humano). Puede no ser adecuado emplear agua del proceso minero.

• Todos los agregados a usarse en la mezcla de concreto serán no reactivos al silicio o alcalinos.

• El diseño del concreto estipulará la prueba requerida para el control de calidad del concreto, incluyendo el número de ensayosa realizarse y el intervalo de tiempo para los especímenes curados(e.g., 3 días, 7 días y/o 28 días).

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les Encofrados - Construcción

• Selección del tipo de encofrado (madera, acero, concreto lanzado, etc.)

– Uso de pieza central de acero con cubierta de madera paragarantizar una mayor solidez

– La selección de las piezas de madera es importante– El concreto lanzado proporciona una buena impermeabilidad

y puede utilizarse con encofrados de madera o acero– Los puntales empleados en la construcción serán

seleccionados en base a la calidad del agua (ácida, salada, etc.)

• Preparación de las tuberías (para drenaje e inyección)– Seleccionar las tuberías de conformidad con las necesidades

específicas (tiempo usado, corrosión, abrasión, etc.)

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les Encofrados

• Planificar ventanas– Para controlar niveles; y– Permitir una buena vibración si se está utilizando un

concreto convencional (vs. concreto de auto-compactación - SCC)

• Monitoreo de presióndurante el vaciado

– Utilizar un manómetro de dial a fin de controlar la velocidad y la presión al término del llenado

– Al final siempre ocurrerotura o abertura del encofrado: la bomba de concreto puede creargran presión.

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les Encofrados - Construcción

Cortesía de Marc Brault de D’Aronco et Associés

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les Encofrados


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les Refuerzos de Acero

• Según el tipo de tapón. Todo el refuerzo tendráuna resistencia a la fluencia de 400 MPa.

• Cantidad del Concreto– Deberá encontrarse un equilibrio entre la cantidad de

acero a preparar y de concreto a acarrerar y manipular

• Preparación del Anclaje– Perforación e inyección– Se deberá considerar el costo del material y la

instalación– El calibre y la profundidad del anclaje se elegirán de

acuerdo con la calidad de la roca

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les Refuerzo del Acero

• Barras de Refuerzo– Utilizadas a menudo como anclaje– Se ajustan en el sitio– Se insertan en los agujeros de taladro que

se han llenado con lechada

• Productos sellantes– Muchos selladores disponibles: resina,

material epóxico, químicos e inyecciones– Elija el más simple para los operadores

(mineros)– El más económico y simple de utilizar es

inyección de cemento

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les Detalles del Refuerzo del Acero


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les Detalles del Refuerzo del Acero

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les Concreto - Construcción

• Selección del sistema de colocación– Gravedad– Bombeo

• Hidráulico• Neumático• Pistón• Manual

• Minimizar el manejo de material– Se encuentra disponible un amplio rango de nuevos

productos: concreto de auto-sedimentación– El enemigo No. 1 del concreto es el manipuleo y el

transporte– El concreto que cae en los encofrados a menudo

causa segregación (cangregeras)

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les Bomba Hidráulica


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les Bomba Neumática

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les Bomba Neumática


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les Concreto

• Concreto Auto-Compactante (SCC):– De mucha ayuda durante el vaciado y la preparación– A pesar de su alto precio: proporciona muchas ventajas de

calidad y facilidad de acarreo

• Resistencia total influida por:– Agentes no-consolidantes– Tamaño del agregado

• Llenado: ventilación, vibración, retiro de la línea– Se recomienda el uso de tuberías de doble ventilación para los

grandes “retornos”– Al término del vaciado, llene las cavidades mediante la

aplicación de una ligera presión de sobrecarga en la descargade la bomba

– Los vacíos de aire serán “llenados” entonces con concreto– Las tuberías podrán ser usadas posteriormente para la

inyección luego que el concreto del tapón haya curado

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les Concreto – Compuerta para Cerrar el Encofrado

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les Inyección

• Los tapones requieren inyección para minimizar la cantidad de fugas desde la interfaz cemento / roca.

• La inyección se aplicará a lo largo del tapón luegode haber vaciado el concreto.

• La inyección garantiza que la zona de roca másdañada, de alta permeabilidad, se selle en forma adecuada y que se maximice la adhesión / adherencia a la interfaz.

• Las fugas alrededor del tapón son posibles si la inyección de la interfaz tapón/roca no se ejecuta de conformidad con un estándar suficientemente alto.

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les Inyección (Cont.)

• La inyección se desarrolla mejor en dos pasos principales:Inyección por contacto (para vacíos en la zona de

contacto, i.e., entre el concreto y la roca) – usadapara evitar fugas a través de cualquier vacío de contracción; e

Inyección por Cortina (o consolidación) – usadapara garantizar que las discontinuidades de la roca están llenas y selladas en forma adecuada –para reducir la permeabilidad del macizo rocosoen el área inmediata alrededor del tapón.

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les Inyección por Contacto – Hermeticidad Completa

• Los taladros para inyección de contacto estándiseñados para interceptar los vacíos en la corona del tapón y se deberán perforar e inyectar antes de que proceda la perforación e inyección de cortina.

• La inyección por contacto se aplica a baja presión(alrededor de 0.2 MPa) y antes de que el concretoalcance la resistencia requerida para la inyección de cortina.

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les Inyección de Cortina

• Los taladros de inyección de cortina se perforanalrededor de toda la circunferencia del tapón a la profundidad que se especifica en el diseño (e.g., 5m a 10m en la roca).

• Las presiones iniciales de inyección variarán, pero, en general, se recomienda para esta inyección unapresión correspondiente a alrededor de 2 a 2.5 veces la presión que el tapón deberá resistir (Garret and Campbell Pitt, 1961).

• En caso que los tapones se construyan en rocassuaves a poca profundidad, la presión de inyeccióncorresponderá a alrededor de 1.25 veces la presiónhidrostática en relación con el nivel de superficie.

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les Inyección – Aspectos de Construcción

• La parte posterior de una abertura es el lugar con mayor posibilidad de formar vacíos

– Las tuberías dobles para ventilación e inyección son realmente importantes

– Si tenemos planificado alcanzar una presión de carga mayor que la carga estática de la compuerta:

• Recuerde que la tubería plástica tiene resistencia limitada• Podría ser necesario instalar tubería de acero para la

perforación y ventilación del encofrado durante el vaciado– Si el objetivo es un área en particular, podríamos instalar

tuberías que guíen los taladros de perforación futuros para la inyección

• El procedimiento de inyección considerando los productos y la presión es típico a cada ambiente

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les Inyección– Aspectos de Construcción (Cont.)

• Instalar tubo de ventilación (respirador) – en la mayoría de los casos

• Técnicas de bombeo

• Existe una amplia variedad de mezcladoras y bombas de inyección

– Nuestro programa pre-establecido de inyección determinarálos tipos de equipo que serán necesarios

– Necesitaremos saber de manera precisa el tipo de agua quedeberá soportar el tapón para seleccionar el productoapropiado de inyección

• Si el objetivo de la inyección es sólo llenar los vacíos, emplearemos inyecciones con propiedades similares a las del concreto

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les Perforación para Inyección


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les Bomba de Inyección

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les Tipos de Cemento

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les Sellante

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les Tuberías de Acero para Inyección


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les Ejemplo del Programa de Inyecciones

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les Cara Frontal del Tapón

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les Inyección desde la Porción Anular del Tapón

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les Vista del Tapón Aguas Abajo

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les Instrumentación

• Puede ser útil conocer la presión contra el tapón

– Monitoreo de la presión– Monitoreo de la temperatura

• Si planificamos monitorear la presión y/otemperatura o muestrear el agua u otroelemento, debemos asegurarnos de que el(los) instrumento(s) tengan resistencia a la corrosión

– Los depósitos de caliza y/o la acidez puedenafectar a algunos instrumentos

– Planificar la posibilidad de recambio mediante la instalación de válvulas y una capa impermeable (grasa) sobre el dial de lectura

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les Instrumentación

• Si se especifica el monitoreo de sustancias químicas y/ode la presión, se podrán instalar bombas de acero en uno o ambos lados del tapón. Estas tuberías seráninyectadas y se podrá requerir taparlas posteriormente.

• Se podrán instalar piezómetros de cable vibratorio paramedir la presión del agua en el macizo rocoso quecircunda el tapón.

• Estos piezómetros se instalarán en perforaciones con un diámetro mínimo de 76mm y un diámetro máximo de 152mm en las ubicaciones y a las elevaciones indicadasen el diseño y las especificaciones del tapón.

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les Instrumentos para la Medición de la Presión


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les Detalles del Medidor de Presión


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les


CURSO TÉCNICO

Ejemplo de Diseño de Tapón de LadosParalelos



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les Ejemplo de Diseño de Tapón de Lados Paralelos

• Una mina desea construir un tapón de lados paralelos para cerrar el acceso al portal de acarreo 130 (elev. 130m) como parte del plan general de cierre de la mina.

• Se requiere el tapón para retener el agua luego del cierre de la mina y se estima un nivel estático de agua subterránea a una elev. de 465m.

• En la ubicación planificada del tapón, el espesor del material de cubierta es aproximadamente 10m y el espesor de la roca es de alrededor de 150m. El portal de acarreo se ubica cerca de un talud natural de alrededor de 35°.

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les Ejemplo de Diseño de Tapón Lados Paralelos

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les Ejemplo de Diseño de Tapón Lados Paralelos (Cont.)

• El análisis químico del agua indicó:– ph ≅ 5; – Concentración de sulfato en el rango de 500 a 1000mg/L;– Concentración de cloruro que varía entre 50 mg/L y 400

mg/L y no contiene sólidos en suspensión.

• Cualquier fuga de agua del tapón podría ingresar a las fuentes de agua de uso doméstico.

• El socavón tiene 3.7m de ancho y 3.4m de alto en la ubicación planificada para el tapón y el macizo rocoso de granito ha sido clasificado como de “buena calidad”, según la caracterización del macizo rocoso.

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les Ejemplo de Diseño de Tapón Lados Paralelos (Cont.)

• La evaluación de peligro sísmico del sitio planificado para la mina indica el potencial de un sismo con aceleración máxima de 0.4 g.

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les Parámetros de Diseño

• El túnel tiene forma rectangular con 3.7m de ancho por 3.4m de altura (área = 12.6m2; perímetro = 14.2m)

• La carga hidráulica máxima en la ubicación del tapón = 335m (cota 465m – cota 130m)

• Espesor del material de cubierta vertical = 10m y espesor de roca = 150m

• Buena calidad de macizo rocoso (RMR > 60). Resistencia al corte del macizo rocoso = 1200 kPa, produciendo un esfuerzo de corte máximo permisible = 400 kPa (i.e., 1200 / 3, para un Factor de Seguridad = 3)

• Resistencia a la compresión uniaxial para el concreto = 30MPa• Gradiente hidráulica máxima aceptable = 14 m/m (ó 140

kPa/m) para una buena calidad de macizo rocoso (según Benson, 1989)

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les Evaluación de Estabilidad – Modos Potenciales de Inestabilidad

• Ruptura por corte – definido como ruptura de corte a través del concreto, a lo largo del contacto roca/concreto o a través del macizo rocoso;

• Ruptura por flexión de viga gruesa – que generalmente ocurre como ruptura confinada sólo a través del material del tapón propiamente dicho

• Ruptura debido a fuga excesiva, que generalmente resulta de la pérdida de contacto de interfaz, principalmente debido a los efectos de erosión bajo una gradiente hidráulica demasiado alta que existe a lo largo del eje del tapón;

• Ruptura por levantamiento hidráulico que ocurre a lo largo de la interfaz roca/concreto del tapón o que ocurre en discontinuidades discretas dentro de la roca que circunda el tapón; y/o

• Ruptura debida a disgregación química/física a largo plazo del concreto del tapón, la inyección, o de los estratos o inclusiones dentro de la roca circundante.

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les Diseño por Ruptura de Corte - Concreto

(a) Verificación de la Resistencia la Corte del Concreto• Es esfuerzo de corte permisible (fs′) del concreto

no armado se determina mediante ACI (1972), como:

donde: fc′ se expresa en MPa y fs′ se proporciona en kPa

• Para fc′ = 30 MPa, fs′ ≅ 910 kPa. Nótese que este esfuerzo de corte permisible del concreto ya incluye un factor de seguridad de 3.

'1.166' cs ff =

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les Diseño por Rotura de Corte – Macizo Rocoso

(b) Verificación de la Resistencia al Corte del Macizo Rocoso

• El esfuerzo de corte máximo aceptable para una buena calidad de macizo rocoso es de 400kPa (Benson, 1989).

• Para una buena calidad de macizo rocoso, la práctica sudafricana también sugiere fs′ = 590kPa para tapones no inyectados ó 839 kPa para tapones inyectados a presión en la interfaz concreto/roca (Chekan, 1985), donde se asegura el contacto positivo entre el concreto y la roca circundante mediante la inyección posterior.

• Para este ejemplo, fs’ será considerado = 400kPa.• Como resultado de ello, para este caso, la rotura por corte se controlará

mediante la resistencia al corte permisible desarrollada en la roca, no en el concreto.

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les Corte por Penetración – Experiencia Sudafricana

Longitud del Tapón en Base a Resistencia al Corte en la Interfaz Concreto/Roca ( Garrett & Campbell-Pitt,1961).

donde:Pf = presión aplicada de fluido (Pa) = ρ • g • HH = carga hidráulica del fluido en el tapón (m)

ρ = densidad del fluido (kg/m3)g = constante gravitacional (9.81 m/s2)

A = área de la cara aguas arriba del tapónPe = Perímetro de la sección transversal del tapónPara la sección rectangular, A = w • h y Pe = 2 (w + h)

w = ancho de túnel o tapón (m)h = altura de túnel o tapón (m)

L = longitud de tapón (m)f's = resistencia al corte permisible de la roca o concreto en la interfaz,

el que resulte menor (Pa)

De a) y b), la resistencia permisible al corte (fs′) del concreto = 910 kPay de la roca = 400 kPa.

sf ' PAPL

e

f •=

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les Rotura por Corte – Experiencia Sudafricana

• Resolviendo L :

• Notar que si un valor de 590 kPa (S.A. aprox.) ha sido usado, el largo del tapón se reduce a 4.9 m.

mPa

L 2.7)2.14)(400000(

)6.12)(335)(81.9)(1000(==

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les Diseño del Tapón por Flexión de Viga Gruesa

Data Input by User

1 Tunnel Width l 3.7 m

2 Unconfined Compressive Strength of Concretef c 30 MPa

3 Allowable Tensile Stress in Downstream Face f t 2274 kPa

4 Head of Fluid Acting on Plug H 335 m

5 Density of Fluid ρw 1000 kg/m3

6 Load Factor

α 1.50

'ct f415.2f =

ACI 318-95, Section 9.5 requires a load factor of 1.4 for definable fluid loads

No se requiere refuerzo de acero cuando la relación ancho del tapón/longitud del tapón ≥ 1.25 (i.e., condiciones de flexión de haz profundo).

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les Diseño del Tapón por Flexión de Viga Gruesa (Cont.)

7 Fluid Load (w)w 4930 kN/m

8 Maximum Bending Moment (Mn)Mn 8436 kN m

9 Capacity Reduction Factor0.65

10 Factored Design Bending Moment (Mu)

Mu 12978 kN m

11. Required Plug Length

L 6 m

Notes:

2. Deep beam defined as Plug Width/Plug Length<53. Moment of inertia = bL3/12 and the centroidal distance = L/2, yielding ft = 6 Mu / bL2

1. Above Design based on American Concrete Institute's Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-95).

)(6

t

u

fbM

L =

65.0nn MM

Mu ==φ

Mn = wl2/8

ACI factor for unreinforced concrete analysis

Load per meter for 1 m high beam

where b is the unit width of the beam, assumed = 1 m

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les Fractura Hidráulica – Criterio Noruego

• Para túneles ubicados cerca de un valle, se puede emplear la siguiente ecuación :

donde:CRM = Cobertura de roca mínima medida desde el

túnel oblicuamente hasta el punto más cercano en lasuperficie del terreno (i.e., distancia más corta a lasuperficie) (m)

hs = Carga hidráulica de diseño estático (m)γw = Peso unitario de agua (MN/m3)γr = Peso unitario de roca (MN/m3)β = Ángulo de talud promedio de ladera (varía según el

talud)FS = Factor de seguridad, se aplicará un mínimo de 1.3.

cosβγFShγ C

r

swRM =

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les Representación Esquemática – Criterio Noruego

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les Fractura Hidráulica – Criterio Noruego

• Ingresando FS = 1.3, hs = 335m, γw = 1 MN/m3, γr = 2.6 MN/m3, β = 35° en la ecuación produceCRM = 205 m

• Nuevamente, sugiere que el tapón necesitaráconstruirse bastante dentro del túnel.

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les Gradiente Hidráulica

La gradiente hidráulica máxima (HGmax) (definida como la relación entre la carga hidráulica máxima aplicada, incluyendo las presiones de impacto y la longitud del tapón, entre los extremos aguas arriba y aguas abajo del tapón es:HGmax = 335 m / 7.2 m = 46.5.

Este valor se considera demasiado alto. Se debe incrementar la longitud del tapón.

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les Gradiente Hidráulica

Para una buena calidad del macizo rocoso, la Tabla 1 (según Benson,1989) sugeriría una gradiente hidráulica máxima permisible entre 10 y 14, que es mucho menor que el estimado HGmax= 46.

Así, la longitud mínima de tapón tendría que ser igual que 335m / 14 = 23m.

Como se observa, este criterio de gradiente hidráulica entonces se convierte en el control principal de la estimación de la longitud requerida de tapón.

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les Peligro de Sismo

• Potencial de sismo con aceleración máxima de 0.4g. • Se deberá verificar cualquier potencial de

licuefacción del material de cubierta que pudiera comprometer la estabilidad del tapón o el área de portal.

• Evaluar el potencial de impacto dinámico que podría afectar la estabilidad del tapón. Estas fuerzas de impacto dinámico pueden desarrollarse como resultado de los efectos de impacto de un “martillo”de agua en el tapón.

• Este tipo de sobrecarga se analiza normalmente como un incremento sustancial efectivo en la presión comparado con el estado del nivel de agua estática inicialmente considerado.

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les Peligro de Sismo – Martillo de Agua

• El martillo de agua se define como una onda de golpe causada por un sismo que podría propagarse a través de un túnel e incrementar considerablemente las presiones aplicadas al tapón.

• El efecto del martillo de agua está modelado como un pistón que se desliza en un cilindro lleno con un fluido en descanso. Se puede estimar la presión adicional (PH) (según Westergaard, 1931) requerida para determinar el fluido en movimiento en relación con la velocidad (v) mediante:

donde: c = velocidad acústica del agua (1437 m/s)v = velocidad del suelo (m/s)ρ = densidad del agua (kg/m3)

ρ(v)cPH =

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les Peligro de Sismo – Martillo de Agua

• Usando la relación propuesta por Seed and Idriss(1983) como:

• Para el ejemplo: – Velocidad del suelo vmax = 55 cm/sec/g x (0.4 g) = 22 cm/s– Presión en exceso

– Presión total = 3286 kPa (i.e., 335m * 9.81) + 316 kPa

– Regresando a verificar la gradiente hidráulica, la longitud requerida del tapón sería (335 + 316/9.81)/14 = 26m

– Longitud requerida del tapón = 26m

)(sec//55max

max rockforgcmav

=

kPaPamkgsmsmPH 316316140)000,1)(/22.0)(/1437( 3 ===

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les Mecanismos Físico-Químicos a Largo Plazo

Límites químicos para el agua de mezcla (según ASTM C94)

AASHTO T2650,000Sólidos Totales

600Alcalinos, como (Na2O + 0.658 K2O)

ASTM D5163,000Sulfato, como SO4

CSA A23.3-5B

500a

1,000a

Cloruro, como ClConcreto pretensadoOtro concreto armado en ambientes húmedos o que contengan recubrimientos de aluminio o metales disímiles o con formas metálicas galvanizadas fijas en el sitio

Método de Ensayo**

Concentración Máxima* ppmSustancia Química

•* Se puede permitir que el agua de lavado reutilizada como agua de mezcla en el concreto exceda las concentraciones listadas de cloruro y sulfato si se puede demostrar que la concentración calculada en el agua de mezcla total, incluyendo agua de mezcla en el agregado y otras fuentes, no excede los límites determinados.•** Se pueden emplear métodos de ensayo que hayan demostrado producir resultados comparables.•a Para las condiciones que permitan el uso de aceleradores de CaCl2 como aditivo, el Propietario podrá renunciar a la limitación de cloruro.

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les Observaciones – Calidad de Agua Subterránea

• pH < 7, significa que el agua es ácida. Se proporcionará la documentación que analiza las tasas potenciales de corrosión, particularmente si se ha planificado instalar tuberías de acero a través del tapón de concreto.

• La concentración de cloruro es menor que 500 ppm. Una preocupación específica son los altos contenidos de cloruro en el agua de mezcla, debido al posible efecto adverso de los iones decloruro en la corrosión del acero armado.

• La preocupación por el alto contenido de sulfato se relaciona principalmente con la protección del tapón contra posibles reacciones expansivas y/o deterioro por ataque de sulfato.

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les

• La concentración de sulfatos disueltos sugiere un potencial de ataque “suave pero positivo” al concreto.

• Aunque pueda que no se requiera cemento especial, se considerará un cemento resistente al sulfato

• Según la Asociación Canadiense de Normas Técnicas (CSA), se usarán, respectivamente, los cementos Portland tipo 20 (Moderado) o Tipo 50 (resistente al sulfato) cuando es importante la precaución ante ataque de sulfato moderado o severo.

• Debido al potencial uso doméstico de cualquier agua subterránea que se pudiera infiltrar alrededor del tapón, se recomienda perforaciones de inyección de cortina y de contacto (o consolidación).

Observaciones – Calidad del Agua Subterránea (Cont.)

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• Se ha estimado una longitud total de tapón de 26m para garantizar la retención apropiada de la carga hidráulica estática y minimizar la fuga de agua desde el tapón, que se puede emplear como suministro de agua para propósitos domésticos.

• Sólo se requeriría 7.2m para retener la presión de agua estática, por lo que se deberá considerar la construcción de un tapón de tipo compuesto, como el que se muestra en la siguiente figura.

Ejemplo de Dimensiones de Tapón de Lados Paralelos

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• El tapón puede estar comprendido por una sección de concreto sólido de 7.2m aguas arriba y una sección poco profunda de 18.8m de longitud aguas abajo con una abertura interna de alrededor de 2m de ancho x 1.8m de alto. Se requerirá análisis adicional para confirmar las dimensiones de la sección del hoyo.

• La sección de concreto sólido aguas arriba se puede alargar ligeramente para ‘enganchar’ el tapón a fin de permitir un mejor contacto concreto/roca, mejorar la resistencia al corte y ayudar a limitar la fuga.

• Como se indicó durante el proceso de diseño, se requerirán perforaciones de inyección por contacto y cortina.

Diseño de Tapón Compuesto

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les Relaves

Si el tapón retiene relaves y se considera que en caso de sismo pudiera haber liquefacción, la presión se elevaría a 2000 x 9.81 x 335 = 6573 kPa, asumiendo una densidad típica de 2000 kg/m3 (es muy importante determinar la densidad de los relaves). Esta presión sería equivalente a 657 m de agua,

Así, la longitud mínima de tapón tendría que ser igual a 657m / 14 = 47m para un factor de seguridad de 3 o 657 / 28 = 23.5 m para un factor de seguridad de 1.5 ( lo que es aceptable para el caso deliquefacción).

Si las inyecciones de cimiento son consideradas, la máxima carga hidráulica permisible también aumentaría, reduciendo la longitud.

Finalmente, se podría recomendar la construcción del tampón con 26 m para las condiciones normales con agua y colocar bloques deroca (“rockfill”) adelante del tapón para reducir la carga hidráulica que podría desarrollar durante el sismo.

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les Inyección desde la Porción Anular del Tapón

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les Vista del Tapón Aguas Abajo

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les CURSO DE ESPECIALZIACIÓN EN CIERRE DE

MINAS Y PASIVOS AMBIENTALESCURSO TÉCNICO

CASO EJEMPLO :EVALUACIÓN DEL CIERRE DE MINAS

Trevor Carter, Ph.D., P.Eng.Golder Associates Ltd

Julio de 2006Day 2, Grupo Técnico – Presentación 5

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les

INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO

ALCANCE DEL TRABAJO

ØCierre de la Mina ABC

ØExaminar el pilar corona y las condiciones de estabilidad del pilarcorona

ØVerificar la geometría de los cortes de tajeos minados y los rellenos

ØDesarrollar estrategias de cierre

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les


ALCANCE DEL TRABAJO

ØCierre de la Mina ABC

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les

CONDICIONES DEL SITIO

ABC, tajo intermedio (rellenado)

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les


EXPLOTACIÓN DE LA MINA

ØEn producción desde 1906

ØLos métodos de explotación incluyeron; extracción a tajo abierto, explotación subterránea almacenamientoprovisinal (srinkage), excavación a subniveles, tajeo de corte y relleno y explotación vertical en retirada

ØLas profundidades han alcanzado 1,274 m

ØTres tajos abiertos/glory holes (Oeste, Intermedio, Principal) que comunican con labores mineras, fueronrellenados e inundados parcialmente

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les


SECCIÓN LONGITUDINAL BB’

ØSólo extracción en zonaprincipal de mineral

ØLa zona verde muestra el relleno del tajo abierto en proceso al momento de la entrega del informe

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les


RELLENO PARCIAL DEL TAJO PRINCIPAL

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les


CONDICIONES DEL SITIO DEL TAJO OESTE

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les

EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD EN EL CIERRE DE MINAS

RECOLECCIÓN DE DATOSØLos datos recuperados incluyeron:

ØPlanos de los nivelesØSecciones geológicas cruzadasØSecciones transversales de diseñoØPlanos de la superficie y topografíaØEvaluaciones geotécnicasØEvaluaciones del soporte del terrenoØLogueo de testigosØLevantamineto del Monitoreo de Cavidades (CMS)

ØFue difícil verificar los planos y datos anteriores, se encontraron y solucionaron algunas discrepancias

ØSe usaron fotografías aéreas de la mina con planos y seccionesbase para interrelacionar los datos

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les

CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL DE CUBIERTA Y MACIZO ROCOSOØLos datos tabulados y graficados incluyeron…

ØGeología básica:ØTipo y estructuras de la roca del yacimiento de mineralØIntrusionesØZonas de corteØRocas de la caja pisoØRocas de la caja techo

ØCondiciones del material de cubierta:ØEspesor aproximadoØÁreas rellenadasØMaterial de cubierta mínimo

ØCondiciones del macizo rocoso:ØRegistro de núcleos e información del mapeo de los afloramientosØRMR y Q para los macizos rocosos de la caja techo, mineral y caja piso de los tres tajos


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les

CONDICIONES DEL MACIZO ROCOSO – ÁREA DE LA MINA

RMR 49-80;Prom~64.6Q~1.7-15 Prom~8.4

RMR~ 49-75; Prom~59.4Q~1.7-31.5 Prom~5.5

RMR~53-87; Prom~70.1 Q~2.7-23.8; Prom~13.3Rango

Piedra verdeMapeo de la Superficie RMR~53-75;

Q~15.0Mapeo Subterráneo

RMR~60-80;Q~11.7

Metavolacánicos/Pizarras + Testigo de Perforación del mineral

RMR~49-75; Q~1.7-31.5

NoritaMapeo de la Superficie RMR~79-

87; Q~23.8Tajo Principal

Greenstone /MetavolcánicosTestigo de Perforación

RMR~ 49-68;Q~1.78-15

Metavolacánicos/Pizarras + Testigo de Perforación del mineral

RMR~49-75; Q~1.7-31.5

Norita/GabroTestigo de Perforación

RMR~53-70; Q~2.8-17.1

Tajo Intermedio

Greenstone /MetavolcánicosMapeo de la Superficie

RMR~ 53-75; Q~15Mapeo Subterráneo

RMR~60-80; Q~11.7Testigo de Perforación RMR~49-68

Q~1.78-15

Metavolacánicos/Pizarras +Testigo de Perforación del mineral

RMR~49-75; Q~1.7-31.5

Norita/GabroMapeo de Superficie

RMR~ 79, 87, 83 (Mín., Máx., Promedio);

Q~ 48.9, 22.5Testigo de Perforación RMR ~ 53-

70;Q~2.8-17.1

Tajo Oeste

Macizo Rocoso Sur(Caja Piso)

Macizo Rocoso de la Zona del Mineral1

Macizo Rocoso Norte(Caja Techo)

Ubicación

EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD EN EL CIERRE DE MINASCurs

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les

ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD

ØLos análisis incluyeron:ØEstabilidad de los pilares corona

ØCondición de los Tajos Oeste, Intermedio y Principal en términos de fallapotencial de la caja techo (HWF) y cinemática de paredes y bancos

ØSe usaron las siguientes evaluaciones de estabilidad:ØEnfoque Empírico del Ancho Escalado del Pilar Corona (Golder 1990, Carter 1992)

ØHWF Analítico en interacción con la minería subterránea (Hoek 1974)

ØEvaluación de la Estabilidad de las paredes mediante la Cinemática a Escalade Paredes (Hoek 1971)


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ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD - GEOMETRÍA

ØRevisión de los planos y secciones de los niveles de la mina

ØMínimo espesor del pilar corona en las áreas de los tajos Oeste, Intermedio y Principal de 50 ft, 60 ft, y 42 ft

ØAlgunos de los pilares están totalmente excavados formando pozosen la superficie


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ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD - GEOMETRÍA


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les

EVALUACIÓN DEL ANCHO ESCALADO(GOLDER ASSOCIATES/CANMET 1990)

ØPara una determinada geometría y calidad de roca, se graficó Q o RMR respecto al ancho escalado

ØSe determinó el índice de ancho escalado del pilar corona (Cs) a partirde:

ØConociendo Q, se determinó el ancho máximo estable (ie. Anchocrítico, Sc):


( )( )[ ]5.0

cos4.011

−+=

θγ

R

SST

Sc

Sc = 3.3 x Q0.43 x[sinh (Q)]0.0016 Sc = ancho crítico en metrosQ = valor NGI-Q

Cs = ancho escalado en metrosS = ancho real del pilar corona en metros

= densidad del macizo rocoso en toneladas/m3

Sr = relación ancho/longitud del pilar corona= buzamiento del mineral o exfoliación (grados)

T = espesor del pilar corona en metros

γ

θ

Curs

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EVALUACIÓN DEL ANCHO ESCALADO - RESULTADOS


9

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Pas

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EVALUACIÓN DE ANCHO ESCALADO – PROBABILIDAD DE FALLA

ØEn base a Sc y Cs se determinó el factor de seguridad aproximado:

Fc = Sc/Cs

ØSe estimó la Probabilidad de Falla a partir de:

ØSe comparó con la tabuación del “nivel de preocupación” o realizar unaEvaluación de Riesgos


Pf = Probabilidad de Falla (%)erf = función de error

−

−=4

19.21 cf

FerfP

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EVALUACIÓN DE ANCHO ESCALADO – SIGNIFICANCIA DE Pf


NIVEL DE RIESGONIVEL DE RIESGO

10

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EVALUACIÓN ANCHO ESCALADO – RESULTADOS (TAJO OESTE)


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TAJEOS ABIERTOS Y ÁREAS DE TAJOS – VERIFICACIÓN DE LA CAJA TECHO

Ø Se intentó definir la potencial geometría del “Break-Back” (expansión del tajo por falla de taludes)

11

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ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LA CAJA TECHO

ØSe evaluó la estabilidad de la caja techo después de la excavación debajo de la caja, socavando el macizo rocoso

ØEventual desprendimiento del macizo rocoso originando el colapso o caídade la caja techo (HWF)

ØSe asumió que el colapso progresivo de la caja techo ocurriría mediantemecanismos de falla por corte y regresión de la zona de grietas por tensión

ØEl análisis permitió la evaluación de los retrocesos de los taludes, paraefectos de colocación de cercos.


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ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LA CAJA TECHO – MECANISMOS DE FALLA ….


12

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ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LA CAJA TECHO – MODELO DE RUPTURA (Brown y Ferguson 1979)


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ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LA CAJA TECHO – MODELO DE RUPTURA (Brown y Ferguson 1979)

• Profundidad de la fracturacrítica de tensión

• Inclinación del plano críticode falla

• Ángulo de rotura

) - ( 2

Z c2 - c2

= Zp2p2

ww

2 φψψ

φγφγ

′

′•

′′

′

sincos

sincos

′

)Y + X(X +

21 =

22 1/21-

p2 cosφψ

α

ψψα

ψ

αψψψ

Z - ) + ( H

) - ( Z + =

2o

o2p2

p22p2b

cossin

sincos

sintantan


13

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ABC Mine

ANALISIS DE ESTABILIDAD DE LA CAJA TECHO –

ØPASO 1 – Determinación de la Profundidad Crítica de la Mina


Diferentes Supuestos de AguaSubterránea

…..usados para establecer el menor Factor de Seguridad y profundidad crítica del diseño, determinando el máximo break-back posible

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ABC Mine

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE LA CAJA TECHO – RESULTADOS DEL BREAK-BACK


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CONSIDERACIONES SOBRE ESTABILIDAD DE TALUDES DEL TAJO ABIERTO

Ø Controles cinemáticos para la caja piso en base al enfoque del ángulo críticode falla plana (Hoek 1971):

ØSe halló que las alturas estables de los taludes del tajo abierto (para un taludde 60˚) están entre 60m, 100 m y 210 m para una resistencia débil, promedioy fuerte a la falla plana.

ØEnfoque determinístico ligeramente conservador en 2D


( )φψψ += fPcrit 21 = ángulo crítico de falla plana

= ángulo de la cara del talud

= fricción del macizo rocoso que controla la falla

Pcritψ

fψ

φ

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RESUMENØInspección visual para informar las inestabilidades observablesØEventos de subsidencia no reportados al el momento del informeØSe recomendaron las siguientes opciones de remediación, dependiendodel área de la mina, profundidad y condiciones del macizo rocoso:

Ø En algunas áreas – cerco perimétrico en la línea de break-backØ Relleno de tajos abiertos/glory holes hasta 25 m por debajo de la cresta + cerco perimétrico en la línea de break-back correspondiente a este nivelØ En algunas zonas – relleno completo, de modo que no se requiere cerco perimétrico

ØSe recomendaron geometrías de cercos que también rodeen las zonas de pilares corona de estabilidad marginal ØAnálisis de costos realizado para optimizar el cerco perimétrico, opcionesde relleno, etc.ØInforme presentado al Gobierno y aprobado para el cierre


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EJEMPLO DEL TALLER ESTABILIDAD DEL PILAR CORONA

APLICANDO EL MODELO DE ANCHO ESCALADO

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PROBLEMA

ØUsar el ejemplo del caso anterior (Cierre de la Mina ABC) como base

ØAsumir que muchas labores mineras subterráneas han sido excavadasdesde socavones en las paredes del tajo

ØDada la geometría de los pilares corona de la mina y los valores Q del macizo rocoso, obtenga lo siguiente:

Ø Ancho Escalado (Cs)

Ø Ancho crítico (Sc)

Ø Graficar Cs vs Q para toda la geometría

ØCalcular el factor de seguridad (Fc)

ØDeterminar la probabilidad de falla (Pf)

ØDeterminar qué debe hacerse con estas áreas después del cierre

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ÁREA DEL PROYECTO

ØProyección de la superficie de la ubiación de los tajeos:

1

2

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PARÁMETROS

ØDada la geometría y la calidad del macizo rocoso de los pilares corona indicados en la tabla:

Se asume como densidad de la roca de la zona del mineral = 2.8 g/cm3

Ore DipLength SpanThicknessQaveQmaxQmin

603515325.917.91.952

60458265.931.51.91

Measured Geometry (m)Rock Mass QualityArea

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CÁLCULOS

ØCompletar la siguiente tabla:

ØEscriba sus conclusiones teniendo en cuenta el área y el tipo de remediación que debe emplearse.

QaveQmax

Probabilidad de Falla (Pf)

Qmin

Ancho Crítico (Sc)

QminQaveQmaxQminQaveQmax

2

1

Factor de Seguridad (Fc)AnchoEscalado

(Cs)Área

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Ancho escalado crítico del Pilar Corona

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Ø Tablas para estimar el Pf ….

• NB – Estas son sólo soluciones aproximadas. Se recomienda utilizar métodos probabilísticos tales como la simulación Montecarlo, hipercubo latino, etc

Métodos de Estimación del Pf

−

−=4

19.21 cf

FerfP

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Solución

Ø Usaremos el Area 2 con Qavg como en el ejemplo

1. Cálculo del Ancho Escalado (Cs):

2. Cálculo del Ancho Crítico (Sc):

( )( )[ ]5.0

cos4.011

−+=

θγ

R

SST

ScCs = ancho escalado en mS = ancho actual del pilar corona en m = 15

= densidad del macizo rocoso en t/m3 = 2.8Sr = relación ancho/longitud del pilar corna

= buzamiento del cuerpo mineralizado o foliación (grados) = 60

T = espesor del pilar corona en m = 32

γ

θ

( )( )( )[ ]154

6040135151328215

50.

)cos(./. .

=

−+=cS

Sc = 3.3 x Q0.43 x[sinh (Q)]0.0016Sc = ancho crítico en mQ = valor NGI-Q = 1.9Sc = 3.3 x (5.9)0.43 x[sinh (5.9)]0.0016 = 7.14

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CÁLCULOS

ØComo ustedes no tienen computadora o calculadora científica aquí:

ØLos valores en negrita son los que se acaban de calcular…

ØAHORA …. Complete la tabla y lleve los valores al gráfico

ØIdentifique si son estables o no … y

ØDecida qué tendría que remediar

QaveQmax


4.41

4.36

Qmin

Ancho Crítico (Sc)


7.1411.734.152

7.1415.282.701

Factor de Seguridad (Fc)AnchoEscalado

(Cs)Área

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Gráfico del Pilar Corona

Area 2Area 2

Area 1Area 1

( )( )[ ]5.0

cos4.011

−+=

θγ

R

SST

Sc

Cs = 4.15Cs = 4.15

Cs = 2.70Cs = 2.70

Q=1.9Q=1.9 Q=31.5Q=31.5Q=5.9Q=5.9

Q=1.9Q=1.9Q=17.9Q=17.9

Q=5.9Q=5.9Critical Scaled SpansCritical Scaled Spans

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Ejemplo Gráfico

• GeometríaRMRcrit = 21 ln(Cs)+19• Pf ~ variabilidad

en la Calidad de Roca

Cs=4.15

50 70

1.9 18

1.74

49

5.9

.60

10

60

1149

14%1.1

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Solución

Ø Factor de Seguridad calculado de acuerdo a:

Fs = Sc/Cs= 7.14/4.15 = 1.72

Ø Llevando los resultados al Gráfico de Ancho Escalado, esimmamos la probabilidad de falla usando el méto gráfico descrito en Carter & Miller, 1995.

Nota: Qav = 5.9 Qmax = 17.9 (1SD > Qav); Qmin = 1.95 (1SD < Qav)

RMR = 9 ln (Q) + 44

RMRav = 60 RMRmax(84%) = 70 RMRmin(16%)= 50

Asumiendo distribución normal: SD = (70 - 50)/2 = 10,

Ø RMRcrit = 21 ln (Cs) + 19 …para Cs=4.15; RMRcrit = 49

Ø (RMRav-RMRcrit)/SD = (60 – 49)/SD;

=> 11/10 = 1.1SD unidades desde la media

Ø De la Fig. 6 de C&M; Pf ~ 14%

21

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ØObteniendo un estimado para Pf ….

• Solución aproximada, deben usarse métodos de simulación de montecarlo o hipercubo latino, etc.

Gráficos Pf

−

−=4

19.21 cf

FerfP

Pf ~ 13%Pf ~ 13%

Fc ~ 1.72Fc ~ 1.72

Curs

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Resultados

Ø Los siguientes son los resultados del análisis de ancho escalado:

13%

2%

Qave

<0.5 %

<0.5 %

Qmax


4.41

4.36

Qmin

Ancho Crítico (Sc)


48%1.722.831.067.1411.734.152

15 %2.645.651.617.1415.282.701

Factor de Seguridad (Fc)Ancho Escalado (Cs)

Area

22

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Consideraciones de Remediación

Ø ¿Qué acciones se recomiendad para el riesgo calculado?:

13%

2%

Qave

<0.5 %

<0.5 %

Qmax

Probability of Failure (Pf)

Qmin

48%2

15 %1

Area

Curs

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Esp

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No se requiere monitoreoSin preocupación

Libre>100Plazo muy largo (coronas permanentes sobre túneles

civiles)

>>2Mayor que99.5

Menosde 0.5

G

IncidentalsuperficialMonitoreo

De preocupación

limitada

Permitido50 -100

Largo plazo (coronas casipermanentes, portales civiles, cerca de túneles de desagüe

superficial)

298.5-99.50.5-1.5F

Monitoreo superficial exhaustivo

Algo de preocupación

No alentado15-20

Mediano plazo (coronas semipermanentes,

posiblemente debajo de lasestructuras)

1.895-98.51.5-5E

Monitoreo simple continuoPreocupaciónEvitado5-10Corto plazo (coronas semitemporales, eg., debajo de

infraestructura minera no sensible)

1.590-955-10D

Monitoreo continuo con instrumentos

Muchapreocupación

Evitadoactivamente

2-5Plazo muy corto (coronas de labor escalonada casi

temporales – riesgo no deseadode falla de trabajos civiles

temporales)

1.280-9010-20

C

Continuoussophisticated

monitoring

NotAcceptable

Forcibly prevented

1.0Very very short term (temporary mining purposes only -

untenable risk of failure for temporary civil tunnel portals)

1.050-8020-50B

IneffectiveTotallyUnacceptable

Forbidden<0.5Effectively zero<10-5050-100A

SupervisiónOperativa Requerida

Actitud de Cierre

Normativo

AccesoPúblicoVida Útil del Pilar Corona (Años)

Criterio de Diseño para la Probabilidad Aceptable de FallaMinF de

S

Confiabilidad (%)

Prob. de

falla(%)

Clase

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDADRECORDANDO LOS RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD

LÍNEA VERDELÍNEA VERDE

NIVEL DE RIESGONIVEL DE RIESGO REQUERIMIENTOS DE REMEDIACIÓN Y MONITOREOREQUERIMIENTOS DE REMEDIACIÓN Y MONITOREO

COSTOSA Y DIFÍCIL REMEDIACIÓN

COSTOSA Y DIFÍCIL REMEDIACIÓN

LÍNEA ROJALÍNEA ROJA

OK – NO REMEDIACIÓNOK – NO REMEDIACIÓN

REMEDIACIÓN FACTIBLEREMEDIACIÓN FACTIBLE

1

Curs

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les

CURSO DE ESPECIALIZACIÓN EN CIERRE DE MINAS Y PASIVOS AMBIENTALESCURSO TÉCNICO

Resumen de Principios y Requerimientos de Aprobación

Trevor Carter y Luiz CastroGolder Associates Ltd

Julio 2006Grupo Gerencial – Conferencia 5

Cu

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Guías para Estabilidad de Pilar Corona y Diseño del Tapones

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• La Dirección General de Asuntos Ambientales Mineros (DGAAM) del Ministerio de Energía y Minas (MEM) solicitó el desarrollo de un método estandarizado para los diseños presentados por las compañías mineras.

• Esto se realiza en el marco del Reglamento de Cierre de Minas (D.S. N° 033-2005-EM).

Guías para Estabilidad de Pilar Corona y Diseño del TaponesC

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les • Objetivo

• Requerimientos de Estudio• Colección de Datos

– Caracterización de Suelos y Macizo Rocoso– Calidad del Agua

• Evaluación de la Estabilidad• Planos y Especificaciones de Construcción• Monitoreo

Guía para Diseño de Tapones - Contenidos

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les

Se incluyen diversos anexos:

• Anexo A Caracterización de Suelos• Anexo B Caracterización del Macizo Rocoso• Anexo C Especificaciones Típicas para la

Construcción de Tapones de Concreto• Anexo D Ejemplo de Diseño de Compuerta Indentada• Anexo E Ejemplo de Diseño de Tapón de Lados

Paralelos

Guía para el Diseño de Tapones - AnexosC

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les

• LINEAMIENTOS ADICIONALES para el PERSONAL EVALUADOR DEL MEM proporcionan material adicional y orientación al personal del MEM para asistirlos en la evaluación y la revisión de los informes presentados, a fin de verificar que los procedimientos de construcción y diseño sugeridos para los tapones propuestos sean los adecuados para los propósitos de planificación del cierre de minas.

• Esta sección separada de Guía ha sido preparada específicamente para asistir al personal del MEM en la revisión de los informes presentados por los Proponentes.

Guía para el Diseño de Tapones– Material Adicional

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• La Guía para los PROPONENTES ha sido preparada para asistirlos en la elaboración de diseños de tapones para el cierre de minas y proporcionar orientación al personal del MEM para evaluar y revisar el diseño y la construcción de los tapones que se consideren adecuados para los planes de cierre de minas.

Guía para el Diseño de Tapones - ObjetivoC

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les • Cada vez que se requiera la construcción de un tapón de

cierre, se deberán realizar los estudios geotécnicos y estructurales apropiados para determinar la estabilidad a largo plazo del tapón.

• A fin de mantener la seguridad pública estos estudios deberán ser certificados por ingenieros) geotécnicos y estructurales profesional(es) calificado(s).

Guía para el Diseño de Tapones– Requerimientos del Estudio

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Ingeniero CalificadoIngeniero Calificado

“Un ingeniero o grupo de ingenieros con experiencia en diseño de tapones y en desarrollo y aplicación de especificaciones para concreto, encofrados, refuerzos de acero y/o inyección”.

También se requiere personal con experiencia para completar la inspección geotécnica de la ubicación del tapón y asegurar la construcción apropiada de los tapones del túnel. Se deberádisponer de un ingeniero calificado designado durante toda la construcción del tapón. Típicamente, esta persona será contratada por el proponente para interactuar con el contratista en base a un requerimiento específico.

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• Se requiere control de calidad• Antes del inicio de la construcción del tapón, el

Proponente presentará especificaciones de :– Todos los materiales y mezclas de concreto;– Detalles del encofrado propuesto; – Procedimientos para el vaciado de concreto; y– Equipo a utilizarse para dosificación, mezcla y transporte de

concreto– Inyección – calidad de mezcla y presiones aplicables

• El Proponente también presentará – detalles de sellos y secuencia de construcción, indicando la secuencia para la colocación de rebordes, tubería de acero y/o sellado de la compuerta empotrada en el tapón.

• El Proponente también presentará los Planos de Construcción detallando todos los aspectos del tapón

Guía para el Diseño de Tapones– Control de Calidad

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• El Superintendente (representante del Contratista) deberá tener experiencia en operaciones de concreto e inyección.

• También deberá ser capaz de detectar cuándo se necesitará efectuar variaciones a los procedimientos especificados o cuándo se requerirá prestar especial atención en relación a :1. La inspección de la preparación del macizo rocoso y

condiciones de agua subterránea del área de colocación. Un ingeniero o geólogo calificado firmará la conformidad;

2. Encofrado y Refuerzo – un ingeniero calificado en métodos de construcción deberá examinar y firmar la conformidad del trabajo de encofrado y refuerzo antes del inicio del vaciado de concreto;

3. Preparación del concreto;4. Ensayo de materiales;5. Selección del equipo de construcción; e6. Inyección – calidad de la mezcla y presiones aplicables.

Guía para el Diseño de Tapones– SuperintendenteC

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• Al término de la construcción del tapón (incluyendo la inyección), el ingeniero calificado designado presentaráun plano de lo construido (“as-built”) a escala real de los trabajos de construcción.

• El plano as built estará acompañado por una carta en la que se manifieste que la construcción se realizó de acuerdo al diseño de ingeniería previamente aceptado y/o si se requirieron modificaciones o cambios debido a las condiciones del campo. Esto deberá estar totalmente documentado.

Guía para el Diseño de Tapones– Aprobación

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• Objetivo• Requerimientos de Estudio• Consecuencia y Riesgo de Falla• Colección de Datos

– Caracterización de Suelos y Macizo Rocoso• Evaluación de la Estabilidad• Monitoreo de la Estabilidad Física del Pilar

Corona• Medidas de Remediación – Planos y

Especificaciones de Construcción

Guía para la Estabilidad de Pilares Corona - ContenidosC

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• Se incluyen diversos anexos:

– Anexo A Caracterización de Suelos– Anexo B Caracterización del Macizo Rocoso– Anexo C Ejemplos de Técnicas Empíricas y

Analíticas para la Evaluación de laEstabilidad del Pilar Corona

– Anexo D Ejemplos de Programas de Softwaredisponibles para la Evaluación de laEstabilidad del Pilar Corona

Guía de Estabilidad de Pilares Corona - Anexos

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• La GUÍA para los PROPONENTES ha sido preparada para asistirlos en la evaluación de la estabilidad a largo plazo de los pilares corona para efectos de cierre de minas.

• Proporcionar orientación al personal del MEM para analizar y revisar las evaluaciones que serían apropiadas para los planes de cierre de minas.

• Revisar cualquier propuesta de trabajo de remediación, de ser requerido.

Guía para la Estabilidad de Pilares Corona - ObjetivoC

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• Si un pilar corona permanecerá en el sitio, se deberáiniciar un estudio geotécnico para determinar su estabilidad a largo plazo, a fin de seleccionar las medidas de rehabilitación que sean compatibles con el uso futuro del sitio previsto o posible a largo plazo.

Guía para la Estabilidad de Pilares Corona–Requerimientos de Estudio

• Para la presentación o aprobación, el estudio deberá estar certificado por un ingeniero profesional calificado con experiencia demostrada en una disciplina correspondiente.

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Guía para la Estabilidad de Pilares Corona – Trabajos de Remediación

Sólo aplicable en la etapa de planificación.

• Cercado• Construcción de cunetas o bermas• Renivelar la superficie afectada• Trabajos de relleno• Seleccionar el método de minería que no crearásubsidencia superficial

Proteger la seguridad pública

Subsidencia Superficial

Permitir la ventilación del gas• Cercado• Relleno en la entrada• Instalar barricada con llave

Proteger la seguridad pública.Prevenir la subsidencia superficial.Prevenir el acceso.

Rampas y socavones a la superficie

La parte superior de la cobertura del revestimiento en concreto podría atravesar el material de cubierta si el revestimiento se encuentra en condición aceptable.Permitir la ventilación del gas.

• Cercado• Cobertura con concreto armado anclado al basamento.

Proteger la seguridad pública.Prevenir la subsidencia superficial.Prevenir el acceso.

Piques y Chimeneas a la Superficie

Para todos los items, la ubicación del sitio determinará el nivel apropiado de labor requerido.

• Cercado del área• Construcción de cunetas o bermas• Relleno• Cobertura de concreto armado tipo puente elevado• Cobertura de cemento y suelo compactado a rodillo

Proteger la seguridad pública.Estabilizar para evitar la subsidencia superficial.Prevenir el acceso a perforaciones abiertas

Pilares Corona y Trabajos Cerca de la Superficie

OBSERVACIONESOPCIONES DE REMEDIACIÓNOBJETIVOSITEM

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les • Las especificaciones de los planos de

construcción y los materiales de cualquier trabajo de remediación serán preparados y firmados por un ingeniero calificado.

• La evaluación de subsidencia y cualquier remediación del área de subsidencia también deberá ser efectuada por un ingeniero calificado.

Guía de Estabilidad de Pilares Corona – Aprobación

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