02-Herramientas de Prediccion Del Caving

Diploma Ing. del Block Caving (2014) – Ing. de Minas/U. de Chile Fundamentos Geomecánicos del Block Caving 1

DIPLOMAINGENIERÍA DEL BLOCK CAVING

FUNDAMENTOS GEOMECÁNICOS DEL BLOCK CAVING

Herramientas de predicción del caving

Javier Vallejos, Ph.D.Noviembre 2014


Contenidos

• Herramientas de predicción del caving• Peligros asociados a alta hundibilidad• Peligros asociados a baja hundibilidad• Estudio de casos


• La hundibilidad es una medida usualmente no cuantitativa de lahabilidad que tiene un yacimiento de hundir bajo circunstanciasparticulares.

• En la práctica minera, el problema es usualmente predecir lageometría del hundimiento representada como radio hidráulico, quese requiere para iniciar el proceso de caving del macizo rocoso dadoun set estimado de propiedades geotécnicas.

• Depende de:– Orientación de las estructuras, espaciamiento y persistencia.– Estructuras mayores (ejemplo: fallas, diques)– Esfuerzos in-situ y los esfuerzos inducidos por la excavación.– Resistencia de discontinuidades y macizo rocoso.– Geometría del hundimiento.– Desconfinamiento, slot, o acondicionamiento del macizo rocoso.

Hundibilidad


La predicción del caving trata de definir el tamaño y extensión de estas tres zonas:

– Zona sísmica • Donde la actividad sísmica

estará concentrada– Zona de fluencia

• Donde el macizo rocosos estará significativamente debilitado

– Zona movilizada• Donde el macizo rocoso se

moverá significativamente (ej.: > 1m) en repuesta al tiraje

Adicionalmente, los esfuerzos inducidos en la zona elástica y el potencial para el desarrollo de un air gap deben ser examinados

Predicción del caving


Las siguientes herramientas son comúnmente utilizadas en la predicción de caving:– Métodos empíricos:

• Gráficos de caving (Laubscher, 1987, 1990; Moss et al., 1998; Flores and Karzulovic, 2003)

• Gráfico de estabilidad extendido de Mathews (1981; Mawdesley, 2002)

– Modelos numéricos elásticos, ej:• Examine2D y 3D (Rocscience)• MAP3D

– Modelos numéricos inelásticos, ej:• FLAC2D/3D,UDEC/3DEC, PFC2D/3D (Itasca)• Phase2 (Rocscience)• Abaqus

Herramientas de predicción de caving


Métodos empíricos• Se pueden utilizar para:

– Estudios de pre-factibilidad– Planificación– Back-análisis

• Usar SOLO para las condiciones para las que fueron construidos

Measure of excavation geometry

Mea

sure

of r

ock

mas

squ

ality

and

min

ing

A STABLE casehistory of a single

excavation surface

An UNSTABLE casehistory of a singleexcavation surface

The STABILITY BOUNDARYseparates the stable and unstablecases as well as possible. It maybe linear or curved.

Son métodos no rigurosos, simples de usar


Medida del área expuesta de una superficie

superficie la de Perimetroanalizada superficie la de Area

HR

Radio hidráulico

Cuadrada (luz corta máxima)

túnel (luz corta mínima)

Caserón

hwhwHR22


100 m

100 m 200 m

50 m

40 m

Radio hidráulicoEjercicio: Determine el radio hidráulico de las siguientes formas. Identifique de mayor a menor las que presentan mayor hundibilidad. Que refleja el radio hidráulico?

250 m

Forma Área (m2) Luz mínima (m) RH (m) Hundibilidad

I

II

III

(I)

(II)

(III)


Tamaño de zonas de hundimiento iniciales y su forma

Flor

es a

nd K

arzu

lovi

c (2

002)

0.35

AREA SHAPE

Square 0.30 Rectangle

Other

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

INITIAL CAVING AREA (m2)


Radios hidráulicos para inducir hundimiento

Flor

es a

nd K

arzu

lovi

c (2

002)

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

H YDRAULIC R ADIUS O F INITIAL CAVIN G AREA (m)


Mecanismos del caving

• Desconfinamiento o caving gravitacional controlado por discontinuidades

• Stress Caving: el caving se encuentra en propagación a superficie. Envuelve falla de corte en discontinuidades y fracturamiento de roca

• Caving de subsidencia: el caving se produce en contra de un área previamente hundida

• Caving de chimenea

• No hay caving

Brow

n (2

003)



Brow

n (2

003)

Caving gravitacional

• El macizo rocoso mas favorable al caving es el que presenta al menos un set subhorizontal y dos subverticales

• Los esfuerzos que actúan en el borde son bajos o de tracción, de manera que los bloques puedan deslizar y caer



Brow

n (2

003)

Caving por esfuerzo



Brow

n (2

003)

• Caving progresivo a través de roca alterada y/o débil

• Desarme de un macizo rocoso con discontinuidades

• Efecto pistón controlado por estructuras geológicas mayores

Caving de chimenea


0.01

0 20

Rock Mass Rating, RMR

Rock Tunneling Quality, Q

Max

imum

Indu

ced

Com

pres

sive

Str e

ssin

E xca

vat io

nBo

und a

r y

Unia

xial

Com

pres

sive

Str e

ngth

ofIn

t act

Rock

Rat io

:

6040 80 100

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Extremely Very Extr. Exc.Poor Poor Good G.Poor

Very Poor Poor Fair Good Very Good

Fair Good V.G.

0.1 1 4 10 40 100 400 1000

Not PracticalStress Induced

Stableto Maintain

Caving not Practical

Failure

Gravity Caving

Openings

Stress CavingAB C

DE F

GH I

LEGEND :

Successful Cave

Caving required inducementCaving required inducement

Coarse fragmentation

Moss et al. (1998)



Modified Rock Mass Rating (MRMR)

Considera:

Laubscher RMR, que esta basado en:• Resistencia roca intacta• RQD• Espaciamiento de discontinuidades• Condición de discontinuidades

Ajuste por:• Esfuerzos inducidos• Orientación de discontinuidades• Tronadura• Meteorización

Gráficos de caving


Gráfico razonable para RMR < 50

Stable: requiere solo soporte de cuñasTransición: refuerzo intensivo es requerido para mantener estabilidad

Barle

tt (1

998)

Gráfico de cavingM

inin

g R

ock

Mas

s R

atin

g, M

RM

R

Hydraulic radius, RH (m)


Gráfico de caving

Flor

es a

nd K

arzu

lovi

c (2

003)


• Ventajas– Desde 1980, el grafico de caving de Laubscher ha sido el

método mas utilizado internacionalmente para predecirhundibilidad en minas de block y panel caving

– Ha sido exitoso cuando es aplicado a yacimientos débiles ymasivos para el que fue desarrollado originalmente

• Desventajas– Relativamente pocos casos históricos– No siempre provee resultados satisfactorios para macizos

resistentes, pequeños y aislados o bloques/yacimientosrestringidos

– Las guías para evaluar los factores de ajuste para usuarios noexperimentados son insuficientes

Gráfico de caving


• Considera que los siguientes factores controlan el diseño de estabilidad de los caserones:

− Tamaño, forma y orientación de la excavación,− Resistencia de la roca y estructura,− Esfuerzos en las paredes del caserón.

• Basado en el desarrollo de dos factores:− N ’ el numero de estabilidad,− S factor de forma o radio hidráulico.

• Desarrollado originalmente por Mathews (1981), Potvin (1988) para la estabilidad de caserones-SLOS y extendido por Mawdesley (2002) para la predicción de caving

Gráfico de estabilidad extendido


Número de estabilidad N’

CBAQN ''

'Q Índice Q de Barton modificado

A Factor de esfuerzos

B Factor de orientación de discontinuidades

C Factor de ajuste por gravedad

SRFJ

JJ

JRQDQ w

a

r

N

a

r

N JJ

JRQDQ '

Rango RQD/Jn Jr/Ja A B C N’

Máximo 0,5 – 200 0,025 – 5 0,1 – 1 0,2 – 1 1 – 8 0,0005 – 8000

Típico (roca dura) 2,5 – 25 0,1 – 5 0,1 – 1 0,2 – 1 1 – 8 0,1 – 1000



• Esfuerzos totales relativo a la resistencia a la compresión uniaxial de roca intacta

• Medida del efecto de fracturamiento por esfuerzos

• Determinar el esfuerzo total máximo que actúa en el centro de la cara de interés del caserón mediante ábacos, soluciones analíticas, modelos numéricos 2D/3D lineal-elásticos

Factor de esfuerzos A



Comparación de A con el gráfico para determinar los valores de SRF utilizando el sistema Q

• Notar la disminución de SRF para la zona de confinamientos medios

• Comparar con A

• Es esto consistente?

Factor de esfuerzos A



1/A

10

1

A versus SRF

• Similar a SRF en la región de medios y altos confinamientos

• A debería disminuir en la zona de bajos confinamientos

?

• El factor A no toma en cuenta falla en tensión (A = 1)



• Basado en el juicio de “expertos” y observaciones de terreno

• El sistema Q no incluye la orientación de discontinuidades relativo a la superficie de la excavación

Factor de orientación B


0.4

0.320°

0.50°


1. entre 60 y 90: Difícil que las discontinuidades deslicen

2. entre 45 y 60: Alto potencial de deslizamiento de las discontinuidades

3. entre 20 y 45: Alta probabilidad para que puentes de roca sean destruidos por tronadura, esfuerzos y otras discontinuidades



0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

(°)

Join

t orie

ntat

ion

fact

or, B

Mathews


Strike=120 °Dip=60 °

J1: Dip=50° , DD=310°J2: Dip=45° , DD=340°J3: Dip=60° , DD=150°

h/w-J1 = 78°h/w-J2 = 88°h/w-J3 = 51°

f/w

back

h/wh/w

J1

Repetir para los tres sistemas

h/w-J1 = 0,91h/w-J2 = 0,98h/w-J3 = 0,60

J3 es crítica para h/w

DDh/w=210°DDroof=210 °

Diph/w=60°Diproof=0

• Ejemplo 1 – Utilizando Dips




Dado el Dip y DipDirection de un plano, el trend y plunge del polo correspondiste quedan dados por:

180 onDipDirectiTrendT

DipPlungeP 90

Para una pared, w, del caserón y plano de la discontinuidad, j, los cosenos directores con respecto a un sistema de coordenadas globales (Norte, Este, Profundidad) denotado por N, E, D quedan dados por:

ww

www

www

PDPTEPTN

sincossincoscos

jj

jjj

jjj

PD

PTE

PTN

sin

cossin

coscos


• Ejemplo 2 – Calculo directo del ángulo real



• Ejemplo 2 – Calculo directo del ángulo real

Calcular el producto punto, w•j ,entre la pared del caserón y el plano de la discontinuidad:

jwjwjw DDEENNjw •

jw •arccos

El ángulo real entre los planos, , queda dado por:




Método de estabilidad gráficoFactor de ajuste por gravedad C



Maw

desl

ey (2

002)

Num

ero

de e

stab

ilidad

, N

Radio Hidráulico, RH (m)


• Ventajas– Gran número de casos históricos en calidades de roca mejores

que las de Laubscher– Provee guías detalladas para la determinación de los factores

de ajustes utilizados

• Desventajas– Técnica relativamente nueva para la predicción de caving– Se requiere de un mayor numero de casos en transición y

caving para aumentar la confiabilidad de esta técnica parapredecir hundibilidad



Discusión

• Cual método se utiliza en su división?• Existe back – análisis?


Operación Estimación Tasa de hundimiento

(mm/día)El Teniente Sub 6 200 – 300

Esmeralda 170 – 200

Dee Beers Koffiefontein 200 – 400

Dee Beers Cullinan (Kimberlita TKB) 100 – 1200

Dee Beers Cullinan (Kimberlita HYB) 60 – 250

Freeport DOZ 600

Henderson 270

Northparkes E26 Lift 1 110 – 380

Palabora 130

Tongkuangyu 375

Tasa de hundimiento


Método propuesto de estimación

A: área necesaria para inducir caving continuo (m2)

t= tasa de incorporación de área (m2/mes)

H: altura de colapso dado una condición de macizo rocoso definido por N y Rh

T: tasa de hundimiento (mm/día)

)/(30

100*ohundimient diammA

HtT

Mawdesley (2003)

Northparkes

Lift 1


Tasa de hundimiento - Laubcher


Tasas de extracción permitidas basadas en experiencia en mina experimental Sub6.

El criterio geomecánico establecido en la explotación de mineral primario se basa en la reducción de la posibilidad de estallido de roca debido al quiebre descontrolado de la columna de mineral.

La tasa de extracción en régimen es aprox. de 0,8 ton/m2/día

Rango Altura extraída punto (m)

TPD/m2 Baldadas/punto/día

0-4 0,13 7

4-6 0,15 8

6-10 0,17 9

10-15 0,21 11

15-20 0,24 13

20-25 0,30 16

25-30 0,37 20

30-35 0,45 24

Mayor a 35 0,51 27

Baldada de 5,5 ton

Area punto extracción 260-294 m2

Tasa de hundimiento – El Teniente


• Características– Representan al macizo rocoso como un material elástico– Algunas técnicas pueden utilizarse algunas veces para

aproximar la falla del macizo rocoso• Usos en la predicción de caving

– Análisis del pre-proceso de caving desde elástico a sismogénica

• Ventajas– Relativamente fácil de usar– Problemas grandes pueden ser modelados de manera

rápida• Desventajas

– No es posible modelar el proceso de caving completo (sismogénica-fluencia-hundido)

Modelos elásticos


Examine2D Modelo elástico de esfuerzos alrededor de la zona en fluencia

Modelos elásticos


• Características– Representan al macizo rocoso como un material elasto-

plástico que puede fluir • Usos en la predicción de caving

– Análisis del proceso de caving completo: elástico-sismogénica-fluencia-hundido

• Ventajas– Proveen mucha mas información que los modelos

elásticos, incluyendo la forma y extensión esperada de las cinco zonas

• Desventajas– Requieren usuario experimentado y algoritmos

especializados– Difícil/tiempos significativos de procesamiento para

modelar problemas grandes

Modelos inelásticos


Ejemplo: Modelo de caving inelástico en FLAC3D



Colores calientes indican resistencias altas, mientras que colores fríos indican resistencia bajas Puntos negros = Zona sismogénica. El tamaño relativo de los círculos indican que tan lejos del umbral de daño se encuentra la zona (indica el nivel de sismicidad esperado)Azul = zona de fluencia. La unidad en rojo es mas dúctil y resistente y no presenta hundimientoBlanco = zonas hundidaGris = Undercut

Ejemplo: Modelo de caving inelástico en FLAC3D


video

Sección vertical


Ejemplo de un modelo a escala de caving (FLAC3D). Este modelo de Northparkes Lift 2 incorpora las propiedades del macizo rocoso derivadas a

partir de ensayos en el Synthetic Rock Mass (SRM). La zona de caving predicha se muestra en gris y la zona de fluencia en azul. La zona de fluencia se compara de manera positiva con el bloqueo observado en los sondajes (diamantes rojos).



Predicciones


• Que información útil provee la zona sísmica?– Peligro sísmico

• El limite de la zona sísmica puede ser utilizado para estimar si la actividad sísmica estará centrada en la infraestructura

– Diseño del sistema de monitoreo• Al conocer las ubicaciones preferenciales de

concentración de eventos sísmicos es posible diseñar de manera optima el sistema de monitoreo

Predicciones-Zona sísmica


Que herramientas se pueden utilizar?

– Gráficos de Laubscher/Mathews• No pueden ser utilizados

– Modelos numéricos elásticos• Los limites de la zona sismogénica pueden ser

estimados utilizando umbrales de daño empíricos si la zona de fluencia es supuesta

– Modelos numéricos inelásticos• Los modelos constitutivos disponibles, en general, no

toman en cuenta el daño generado antes de la resistencia peak

• Los limites deben ser inferidos a partir de los esfuerzo en la zona elástica utilizando un criterio de daño empírico

Predicciones-Zona sísmica


Que información útil provee la zona de fluencia?– Hundibilidad

• Una zona de fluencia delgada o no existente en el undercut/cave back indica un potencial alto de producir un arco estable

– Peligros a la infraestructura• La forma de la zona de fluencia puede ser utilizada para

estimar si la zona de fluencia puede interceptar infraestructura y causar daño

– Tasa de caving• La tasa de avance de la zona de fluencia es conocida como

tasa de caving• Guías para establecer una tasa de extracción apropiada

– Transición Rajo-subterránea• Operaciones de Open pit no deberían continuar en áreas

con posibles impactos de la zona de fluencia

Predicciones-Zona de fluencia


Que herramientas se pueden utilizar?– Hundibilidad

• Gráficos de Laubscher/Mathews– Alternativa para seleccionar valores iniciales de

hundibilidad• Modelos numéricos inelásticos

– Usualmente necesarios para un estudio de factibilidad mas profundo, particularmente para condiciones complicadas, ej.: esfuerzos inducidos complejos, macizos rocoso variables, fábrica de discontinuidades anisotropicas

• Modelos numéricos elásticos– No pueden ser usados

Predicciones-Zona de fluencia


Que información útil provee la zona de caving?

– Limita al mineral potencialmente recuperable/estéril• Identificar porciones de la zona de fluencia que

jamás se movilizaran!• Puede ser utilizada como input en simuladores de

flujo gravitacional (e.g. PC-BC, REBOP) para optimizar el control de tiraje.

Predicciones-Zona de caving


Que herramientas se pueden utilizar?– Limites de mineral potencialmente recuperables

• Gráficos de Laubscher/Mathews– No pueden ser usados

• Modelos numéricos inelásticos– Son la mejor alternativa debido a que es posible

delinear que porción de la zona de fluencia puede moverse en respuesta a la extracción

• Modelos numéricos elásticos– No pueden ser usados

Predicciones-Zona de caving


Peligros/Riesgos


Mala hundibilidad puede causar un arco estable del caving y el desarrollo de un air gap y un potencial colapso catastrófico

Peligros/Riesgos


Duplancic & Brady (1999)

Zona de fluencia

Zona sismogénica

• Esfuerzos bajos relativo a la resistencia y por lo tanto una zona de fluencia pequeña (~10-15 metros) y baja hundibilidad

• Se formo arco estable antes de alcanzar la superficie

• El pilar de corona fallo catastróficamente causando un air blast

Peligros/Riesgos

Air blastNorthParkes E26 - Lift 1


Peligros/Riesgos

HO

ISTING

S HAF T

MAIN DECLINE

RETURN AIRWAY

MAIN CONVEYOR9800 LEVEL

1 LEVEL

OPEN PIT

FAILURE OF CAVEBACK

AIR GAP

EXHAUSTSHAFT



Peligros/Riesgos



• Excelente hundibilidad puede resultar en tasas de caving altas y pueden poner en riesgo la transición de la mina

• Forma inesperada del caving puede tener un impacto en la recuperación del mineral y la estabilidad de la infraestructura

Peligros/Riesgos


Peligros/RiesgosPalabora-Sudáfrica

800m

400m


Base del open pit

Glazer & Hepworth (2004)

Zona de fluencia

Zona sísmica

• Esfuerzos altos relativos a la resistencia del macizo rocoso resulto en una zona de fluencia significativa (~60-80 metros de espesor) y buen hundimiento

• Falla inesperada de la pared norte del Pit

Peligros/Riesgos

Palabora-Sudáfrica

footprint


350m

420m

Lift 2

Lift 1

Más profunda que Lift 1 y por lo tanto mayores esfuerzos, resultando en una zona de fluencia mayor y buena hundibilidad en el lado oeste.

Roca más resistente y dúctil (BQM) en la zona sureste resulto en una forma de caving inesperada y pérdidas de mineral.

Peligros/Riesgos

NorthParkes E26 - Lift 2


Falla débil en la zona norte resulto en buen hundimiento pero en una forma de caving inesperado

Oct 02

May 02

Mar 02

Nov 01

July 01

N

100m

N

100m

Host

Cap rock

Near surface cap rock

Peligros/Riesgos

Ridgeway


Peligros/Riesgos

Matriz típica de evacuación de riesgos

Pasos• Probabilidad de ocurrencia• Consecuencias• Rating de riesgo

Plan de acción• Evitar la condición de

ocurrencia• Mitigar los impactos


Pilar NorteEl Teniente, Codelco


• Mathews, K.E., Hoek, E., Wyllie, D.C. and Stewart, S.B.V. (1981). Prediction of stable excavation spans at depths below 1000m in hrad rock mines. CANMET Report, DSS Serial No. OSQ80-00081.

• Potvin, Y. (1988). Empirical open stope design in Canada. PhD Thesis, University of British Columbia.• Bartlett, P.J. (1998). Planning a mechanised cave with coarse fragmentation in kimberlite. PhD thesis, University of

Pretoria.• Flores, G. and Karzulovic, A. (2003). Geotechnical guideline for a transition from open pit to underground mining:

Geotechnical characterization. Report to International Caving Study II. Brisbane: JKMRC.• Moss, A., Diachenko, S. and Townsend, P. (2006). Interaction between the block cave and the pit slopes at

Palabora Mine. In Stability of Rock Slopes in Open Pit Mining and Civil Engineering Situations, Johannesburg, 3-6 April 2006. Johannesburg: SAIMM, Symposium Series S44, 399-410.

• Hutchinson, D.J. and Diederichs, M.S. (1996). Cablebolting in Underground Mines.. Bitech Publishers Ltd., Vancouver. 416p

Referencias

Documents

02-Herramientas de Prediccion Del Caving