métodos de sostenimiento para tunelerías mineras

1. COMPUMET EIRL
compumet_ingenieros@yahoo.com
COMPAÑÍA PERUANA DE USO MINERO ECOLÓGICO Y TÉCNICO
Telefax: 295-7356
CAPACITACION PARA
TRABAJADORES MINEROS
CERRO RICO-BASE REY
ESTALLIDOS DE ROCA,
DERRUMBES Y
SOSTENIMIENTO DE LABORES
MÓDULO MINERÍA
LIMA , AGOSTO DEL 2006

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COMPUMET
TEMARIO
ESTALLIDOS DE ROCA, DERRUMBES Y
SOSTENIMIENTO DE LABORES
I. INTRODUCCIÓN
II. Aspectos generales
2.1. Definiciones básicas
2.2. ¿Qué es el estallido de rocas?
III. Factores que influyen para producirse los estallidos de rocas.
3.1. El medio geológico
3.2. Propiedades del comportamiento mecánico del medio
geológico
3.3. El campo de esfuerzos original
3.4. Factores que influyen para producirse los estallidos de rocas
posteriores al minado
IV. Medidas de prevención de estallidos de rocas
V. Sostenimiento en labores subterráneas
5.1. Condiciones de inestabilidad en las excavaciones
subterráneas
5.1.1. calidad de macizo rocoso
5.1.2. mal diseño en el trazo de la perforación y voladura
5.1.3. mala disposición de los elementos de soporte
VI. Sostenimiento
6.1. Clases de terrenos
6.2. Tipos de materiales usados en sostenimiento
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6.3. Sostenimiento en labores horizontales(galerías, cortadas,
cruceros)
6.4. Sostenimiento en tajeos
6.4.1. Natural
6.4.2. Puntales de madera
6.4.3. Muros secos o pircas
6.5. Sistemas De Sostenimiento
6.5.1. los de apoyo activo;
6.5.2. los de apoyo pasivo;
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I. INTRODUCCIÓN
Los “estallidos de roca” son eventos cada vez más registrados
en diversas minas, no sólo en el Perú sino también a nivel
mundial, pero suele a menudo, confundírsele con derrumbes o
desprendimiento de roca. Sin duda hay una diferencia notoria.
Los estallidos de roca ocurre a grandes profundidades como
consecuencia de las profundizaciones y el aumento de la presión
litostática. Los derrumbes son una consecuencia natural de la
alteración del equilibrio de esfuerzos y la mala previsión de estos
por el hombre para contrarrestarlos.
El sostenimiento de las labores subterráneas es una tarea de
grandes proporciones y de gran complejidad, donde el fin
principal es garantizar la seguridad y la eficiencia de los métodos
de explotación empleados por los que realizan las labores de
extracción del mineral.
Una de las condiciones necesarias para que el sostenimiento se
realice eficientemente luego de realizada una excavación, es la
correcta indagación y evaluación estructural del macizo rocoso,
este es el punto de inicio confiable para seguir en la tarea de
seguridad y productividad que se ha trazado en el planeamiento
del minado.
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II. ASPECTOS GENERALES
En vista de la amplitud del tema es necesario tener presente ciertos
conceptos elementales previos, antes de pasar a desarrollar el tema
con mayor amplitud. Estos se refieren a temas conexos y de gran
importancia y útil para un mejor entendimiento
2.1 DEFINICIONES BASICAS
• PRESION
La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o
superficie.
El control de la presión en los trabajos mineros, da condiciones de
operación seguras.
Cualquier labor abierta en una mina, al igual que un recipiente o
tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad;
variando las condiciones de este lugar, de acuerdo con el
material y el tipo de construcción ó macizo rocoso .
Las presiones excesivas no sólo pueden provocar la inestabilidad
de la labor minera, puede provocar la destrucción de la
infraestructura, la maquinaria, los bienes de propiedad de la
empresa y FUNDAMENTALMENTE, poner al personal en
situaciones peligrosas y susceptibles a ser accidentadas.
Para tales efectos, las minas deben tener medidores de presión;
donde las lecturas absolutas de gran precisión, ayudarán a
prevenir derrumbes, estallidos, deslizamientos o fracturamiento
del macizo rocoso; este hecho, con frecuencia es tan importantes
como lo es la seguridad extrema.
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Presostato: Aparato para la medida y el control de presiones absolutas y
relativas, con censor cerámico o metálico.
Tipo de Presión de Roca en una Mina Subterránea
• ENERGIA INTERNA
Es la fuerza concentrada y almacenada en cualquier cuerpo,
pudiendo convertirse en energía potencial. Para nuestros fines de
estudio diremos que es la fuerza acumulada insitu en el interior del
macizo rocoso y que puede actuar violentamente al producirse una
excavación subterránea.
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• ESFUERZOS
Son las fuerzas que aparecen inevitablemente alrededor de
cualquier excavación subterránea y son las responsables de provocar
los deslizamientos y desprendimientos de las rocas en una labor
minera.
• GEOMECÁNICA
Es la ciencia teórica y aplicada que se encarga del estudio del
comportamiento mecánico de la roca y de las fuerzas inducidas como
resultado de una excavación subterránea, dando una solución más
favorable al problema de sostenimiento en las labores mineras.
• DICONTINUIDADES
También se le conoce comúnmente como rajadura, fractura o
también juntas, conociendo bien este parámetro en una evaluación
geomecánica se puede llegar a determinar la calidad de la masa
rocosa.
• FALLA
Es una fractura que separa dos bloques de roca , pudiendo haber
deslizamiento uno respecto del otro.
• SOSTENIMIENTO
Es el refuerzo que requiere una labor cuando las condiciones de
inestabilidad y seguridad lo requieran. Para conseguir un buen
sostenimiento es necesario una correcta indagación y evaluación del
macizo rocoso a fin de elegir el correcto elemento de soporte.
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• ESTABILIDAD
Del verbo estabilizar; en minería, significa dar permanencia firme
y constante a las excavaciones subterráneas y a los taludes de
labores a cielo abierto.
Se logra estabilidad en labores subterráneas, utilizando métodos
de sostenimiento con soporte metálico, de madera o con relleno,
con pernos, malla y otros elementos que fortifique la labor minera.
• ESTALLIDO O REVENTAZÓN DE ROCAS
Los estallidos de rocas en las aberturas subterráneas, son el
debilitamiento y desprendimiento violento del os bloques rocosos
dentro de la excavación subterránea. Generalmente se puede
atribuir a los siguientes factores:
1. Presión de la masa rocosa alrededor de la excavación .
2. Debilidad del material por no soportar la presión del macizo
haciendo que la energía almacenada, se libere violentamente
produciendo la rotura.
• WORK SHOP
a. Organizarse en equipos humanos;
b. Describir labores abiertas y nombrar sus efectos en diferentes tipo
de roca.
2.2. ¿QUÉ ES EL ESTALLIDO DE ROCAS?
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•“Es el desprendimiento súbito y violento de grandes bloques de roca
como consecuencia de las grandes presiones ejercidas en el contorno de
una excavación, generalmente ocurre a grandes profundidades”.
Antecedentes Sobre Estallidos Rocas A Nivel Mundial
DESASTRE DE LA MINA DE HARTEBEESFONTEIN
SUDAFRICA
FECHA: el 31 de JULIO 1997
1. En apenas un año, ha habido tres desastres del temblor de tierra. El
primer temblor era en marcha de 1997 en la mina de Deelkraal que es
poseída por el Goldfields, el segundo estaba en la misma mina. En ambos
incidentes 13 personas murieron con 3 inhabilitados permanentemente.
El tercer temblor está aquí en la mina de Hartebeesfontein. 18 personas
han muerto y 30 tuvieron lesiones críticas. A.
Mina Casapalca en Perú
Estallido de rocas en una galería
Esta mina tiene actualmente 1300 m de profundidad y la roca es
competente. Las primeras noticias sobre la ocurrencia de estallidos se
remontan a la segunda mitad de la década de los 70’. Entre finales de la
década de los 80’ y principios de la década de los 90’ hubo aumento en la
frecuencia y severidad de la ocurrencia de estallidos. Las áreas críticas
fueron las ubicada entre los Nvs. 1200 y 1500 y entre los Nvs. 2300 y
3000, principalmente en las excavaciones asociadas a las Vetas M, N, O, P
y 256P, en las cuales se utilizó mayormente el método de minado
shrinkage.
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Mina Uchucchacua
31 AGOSTO 2005 Estallido de Roca 10.45PM
Lugar del accidente fatal en el Cuerpo Rubí III, mirando al NW. Obsérvese
la falla Rubí buzando a la izquierda y la falla tensional buzando a la
derecha, ambos formando una cuña. Además en esta área se presentan
los estratos y un sistema principal de diaclasas.
III. FACTORES QUE INFLUYEN PARA PRODUCIRSE LOS
ESTALLIDOS DE ROCAS.
A . Los factores relevantes antes del minado, básicamente
comprenden:
1. El medio geológico.
2. Las propiedades de comportamiento mecánico de ese medio
geológico.
3. El campo de esfuerzos original.
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3.1. EL MEDIO GEOLOGICO
-La presencia de plegamientos. En algunas minas metalíferas y
mayormente en minas carboníferas, el minado, en sistemas de
plegamientos principales, crean zonas muy suceptibles a la ocurrencia de
los estallidos de rocas.
3.2. PROPIEDADES DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL
MEDIO GEOLÓGICO
•Así, se ha establecido que generalmente los estallidos ocurren en rocas
que tienen resistencias compresivas en el rango de 100 a 400 Mpa
• Las rocas con módulos de elasticidad de 40 a 100 GPa son propensas a
estallidos
ENSAYO DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA
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COMPRESION UNIAXIAL
INSTRUMENTO DE CONSTANTES ELÁSTICAS
3.3. EL CAMPO DE ESFUERZOS ORIGINAL
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antes de iniciar los trabajos de laboreo de minas, los esfuerzos
originales se encuentran en equilibrio relativo, que ante la
perturbación del medio, estos se reacomodan provocando el
desprendimiento del macizo. Se suma a esto, el aumento de la presión
litostática debido a la profundidad de las excavaciones.
3.4. FACTORES QUE INFLUYEN PARA PRODUCIRSE LOS
ESTALLIDOS DE ROCAS POSTERIORES AL MINADO
Los factores relevantes Posteriores al minado, básicamente
comprenden:
1.Los esfuerzos inducidos por el minado .
En las zonas de altas concentraciones de esfuerzos inducidos por el
minado, ocurren una serie de mecanismos complejos, entre los cuales
el almacenamiento de la energía de deformación, lo cual constituye
una fuente de energía sísmica que puede generar un estallido de
rocas.
2.La energía de deformación.
La energía de deformación ocasionado por las concentraciones de
energía debido a las excavaciones realizadas, debido también a la
presencia de fenómenos geológicos como los fallamientos y las
características inconsistentes de la masa rocosa.
IV. MEDIDAS DE PREVENCION DE ESTALLIDOS DE ROCAS
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Dimencionamiento de los tajeos.
2. El planeamiento a corto y largo plazo de las secuencias y esquemas de
minado.
3. Formas diferentes de relleno.
4. La extracción parcial del cuerpo mineralizado mediante el
establecimiento de nuevas formas, tamaños y orientaciones de pilares
estabilizantes.
5. Uso de sostenimiento extra en tajeos, cuando se identifican áreas
geológicamente desfavorables, de tal modo que cuando ocurran los
estallidos el daño pueda ser minimizado.
V. SOSTENIMIMENTO EN LABORES SUBTERRÁNEAS
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El sostenimiento de las labores subterráneas es una tarea de grandes
proporciones y de gran complejidad, donde el fin principal es garantizar la
seguridad y la eficiencia de los métodos de explotación empleados por los
que realizan las labores de extracción del mineral.
Una de las condiciones necesarias para que el sostenimiento se realice
eficientemente luego de realizada una excavación, es la correcta
indagación y evaluación de la estructura del macizo, este es el punto de
inicio confiable para seguir en la tarea de seguridad y productividad.
5.1. CONDICIONES DE INESTABILIDAD EN LAS EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS
Se ha hablado de las condiciones de estabilidad de las labores, ahora es
necesario conocer las diversas circunstancias de inestabilidad que entre
muchas podemos mencionar a los siguientes:
• Calidad del macizo rocoso
• Mal diseño en el trazo de la perforación y voladura
• Mala disposición de los elementos de soporte
5.1.1. CALIDAD DE MACIZO ROCOSO
Las labores mineras subterráneas y superficiales, cuyos componentes
son estructuras complejas; para ejecutar dichas labores mineras, es
necesario poseer el máximo conocimiento del macizo rocoso.
Es un requisito básico y fundamental que todo trabajador de mina
debe conocer su ambiente de trabajo, esto implica el conocimiento de la
calidad de la roca y la manera de contrarrestar su potencial riesgo de
desprendimiento.
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• Para tener el conocimiento de la calidad del macizo rocoso hoy en día
existen muchas clasificaciones geomecánicas que entre las mas
conocidas tenemos a Bieniawski, Barton, Taylor etc.
•Clasificación Geomecánica de Bieniawski.
Esta clasificación geomecánica da una estimación del macizo rocoso
teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENIAWSKI
• Resistencia compresiva de la roca
• Índice de calidad de la roca RQD
• Espaciamientos de las juntas o discontinuidades
• Condición de las juntas
• Presencia de agua
Estos factores se cuantifican de acuerdo a una serie de valores que
se les da , cuya suma nos da el RMR que varía entre 0-100.
Los objetivos de esta clasificación son:
•Determinar y/o estimar la calidad del macizo rocoso.
•Dividir el macizo rocoso en grupos de similares características
•Facilitar la planificación y el diseño de estructuras en roca,
proporcionando datos cuantitativos, para una solución real de
sostenimiento.
•INDICE DE CALIDAD DE LA ROCA – RQD
El RQD se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos de
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testigo mayores que 10cm y dividiendo esta cantidad entre la longitud
total de perforación.
RQD= Σ TROZOS <10cm.
Longitud total de perforación
5.1.2. MAL DISEÑO EN EL TRAZO DE LA PERFORACIÓN Y
VOLADURA
Las propiedades geomecánicas del macizo rocoso en la voladura de
rocas, conforma el grupo de variables mas importantes, no sólo por su
influencia directa en el resultado de la voladura, sino además, por su
interrelación con otras variables de diseño especialmente en el contorno
de la excavación
En realidad lo que nos interesa es conocer hasta donde se extiende el
daño en el contorno de la excavación.
En conclusión podemos decir que la voladura de un conjunto de
taladros, genera un campo dañado. la amplitud de ese campo es
posible estimarla, midiéndolo y registrándolo y eso justamente es la
misión de la geomecánica.
5.1.3. MALA DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS DE SOPORTE
Otro factor importante que es causante de la inestabilidad de las
excavaciones es la mala disposición de los elementos de soporte y es
en realidad una de las condiciones mas inseguras y peligrosas, porque
se cree erróneamente que una área está asegurada cuando en realidad
no lo está, por la falta de previsión técnica en el control y supervisión
en el momento de colocar los elementos de soporte.
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CONDICIONES DE INSTABILIDAD EN LAS EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS
RUMBO DE DISCONTINUIDADES
PARALELO AL EJE DE LA LABOR
VI. SOSTENIMIENTO
Es todo lo que sirve para contener el desprendimiento de trozos de
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roca y proteger al personal, impidiendo el derrumbe de los techos y
de las paredes de las labores mineras.
6.1. CLASES DE TERRENOS
• Duros : Al trazar y disparar deben formarse arcos o bóvedas de
seguridad, en el techo de la labor.
• Fracturados : Requiere moderado sostenimiento.
• Alterados : Necesitan fuerte sostenimiento.
6.2. TIPOS DE MATERIALES USADOS EN SOSTENIMIENTO
• Madera : Palos, tablas, tacos y cuñas de eucalipto seco. Para piques
pino oregón.
• Piedras o roca (muro seco o pircas)
• Concreto armado.
• Pernos de anclaje
6.3. SOSTENIMIENTO EN LABORES HORIZONTALES(galerías,
cortadas y cruceros)
• Natural : El techo debe llevarse en forma de arco o bóveda,
ubicando bien los taladros superiores(alzas).
• Cuadros de madera : Cuando el terreno es blando, en lugar de
patilla se coloca un palo de madera en el piso (longarina), en cuyos
extremos se paran los postes.
6.4. SOSTENIMIENTO EN TAJEOS
6.4.1. Natural
En filones : Se deja puentes, en los hechaderos y/o caminos, sin
interrumpir los accesos a los mismos. En minería artesanal, los
pilares deben dejarse en los mismos tajeos .
En mantos y cuerpos : A intervalos apropiados dejar pilares para
impedir que caigan planchones de la caja techo, denominándose
cámaras y pilares (Room and Pillar),el método de explotación.
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6.4.2. Puntales De Madera : Se deben colocar siempre en forma
perpendicular a las cajas.
• Puntal de línea : Se colocan para reforzar hechaderos de mineral o
construir buzones.
• Puntal de seguridad : Sirven para sostener cajas inestables. En la
caja techo llevan una plantilla de madera para dar una mayor
consistencia.
6.4.3. MUROS SECOS O PIRCAS : Intercalando con puntales de línea
se construyen muros con piedra o roca caja para sostener rellenos.
VI. SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y
materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la
capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al
perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los
diversos sistemas en dos grandes grupos:
6.1. LOS DE APOYO ACTIVO; que viene a ser el refuerzo de la roca donde
los elementos de sostenimiento son una parte integral de la masa
rocosa.
6.2. LOS DE APOYO PASIVO; donde los elementos de sostenimiento son
externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca que
esta en contacto con el perímetro excavado.
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SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
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SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
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SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
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SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO
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