INTRODUCCIÓN A LA MINERÍA -- Clase 6 2016, 2 Profesor: Juan Mendoza Marsano

ESTABILIDAD Y SOSTENIMIENTO EN MINAS A TAJO ABIERTO Y SUBTERRANEAS

Ver: http://www.minem.gob.pe/estadistica.php?idSector=1&idEstadistica=5846www.mem.gob.pe Publicaciones, Reglamento de seguridad Minera. Decreto Supremo N° 046-2001-EM, Artículos 177 al 200http://www.iimp.org.pe/ Inst. de Ings. de Minaswww.digistar.mb.ca/minsci/SYSTEMS/systems.htmTexto Introducción a la Minería, Manuales de Minería de Robert E. Peele, y Manual de Ingeniería de Minas del ASME

1.- INTRODUCCION

Mina implica UNA EXCAVACIÓN –QUE SE ENCUENTRE SEGURA - para trabajar en ella. El sostenimiento tiene por objetivo:

La seguridad de las personas y la protección de los equipos en la mina. Asegurar que la excavación cumpla su función, por muchos años.

2.- ESTADISTICAS DE ACCIDENTES

Accidentes Mortales PERÚ ( AÑOS 2000 - 2012 )AÑO ENE. FEB. MAR

.ABR. MAY

.JUN. JUL. AGO

.SEP.

OCT.

NOV.

DIC. Total

2012 2 6 9 2 4 2 5 5 3 8 4 4 542011 4 8 2 5 6 5 4 5 4 5 1 3 522010 5 13 1 6 5 9 6 4 3 4 4 6 662009 4 14 6 2 3 8 6 4 2 1 4 2 562008 12 5 7 6 3 5 6 6 5 3 3 3 642007 5 6 7 3 7 6 4 6 5 6 5 2 622006 6 7 6 3 6 5 6 5 4 9 4 4 652005 3 8 6 6 6 3 5 3 7 5 8 9 692004 2 9 8 5 2 9 1 3 4 7 5 1 562003 4 8 5 7 5 3 4 5 3 3 4 3 542002 20 2 4 6 5 5 4 6 4 8 8 1 732001 2 9 5 5 8 3 8 8 4 5 4 5 662000 6 4 2 3 3 6 8 7 8 7 54Total 75 99 68 59 63 69 67 60 48 71 62 791Nota:- Ministerio de Energía y Minas, Cifras preliminares – en proceso 1 accid. Mortal (02 victimas)

1

3.- CRITERIOS DEL SOSTENIMIENTO

Los criterios básicos del sostenimiento son:

A. El elemento estructural básico es el macizo rocoso. B. Hacer que la roca se sostenga a sí misma.

Puente de Alcántara sobre el río Tajo, en Toledo. Construido por los romanos entre los años 104 a 106 de la era Cristiana.

LA ESTRUCTURA EN ARCO ES EL MEJOR EJEMPLO DE AUTO SOSTENIMIENTO

2

4.- SOSTENIMENTO – DISEÑO

El estudio de las rocas permite diseñar la mina a tajo abierto y los soportes o diseños temporales y permanentes en las minas subterráneas. La roca es estable en terrenos elásticos o cuasi-elásticos (es decir roca dura). No obstante, los sistemas de sostenimiento fallan cuando la masa de rocas se acerca al Estado Plástico, donde la condición viscosa es dominante – “de manera que el diseño basado en extrapolar la conducta elástica es nula.”

En minas profundas en roca (y algunas poco profundas) existe amenaza de estallidos de roca (rock bursts) causados por la inestabilidad elástica.

Existen varias formas de llegar a un diseño aproximado del soporte:

1. Diseño basado en la experiencia que ha mostrado ser exitosa. 2. Diseño basado en métodos de la especialidad de Geomecánica y  Mecánica de Rocas, que

cuantifican y modelan el comportamiento roca-soporte.3. Diseño basado en mediciones que controlan el desempeño del soporte.

5.- ESFUERZOS EN LAS ROCAS

5.1 Esfuerzos Virgen del terreno (in situ) La tensión en la roca, antes del minado, se llama “virgen”, “primitivo”, o “in situ”. Los esfuerzos verticales y horizontales se consideran separadamente. El componente vertical se calcula por el análisis elástico para cualquier profundidad de minado propuesto, mientras la tensión horizontal no lo es.

5.2 La Tensión verticalEl esfuerzo de una unidad de roca en el subsuelo se debe: al peso de roca sobre ella hasta la superficie, mientras está constreñido por la roca alrededor de ella.La tensión vertical puede llamarse también “la tensión gravitatoria”, “esfuerzo litológico” o “tensión de sobrecarga”. La tensión vertical se debe al peso de la columna de rocas que se encuentran verticalmente sobre la roca en cuestión. Típicamente es una función lineal, La fórmula siguiente es cierta para rocas de cuarzo y feldespato con gravedad específica 2.65.

Presión = Densidad / aceleración de gravedad

El promedio de gradiente de tensión vertical

= 2.65/102 = 0.0260 Mpa /metro de profundidad, o

= 2.65 x 62.44/144 = 1.15 psi/pie de profundidad (fuente: Dr. G. Herget)

A 1000 m de profundidad la presión sería = 3,771 Lb/pulgada cuadrada, o 265 Kg/cm2

1 MPa (mega Pascal) también es igual a = 10.1972 atm = 10.1972 kg/cm 2

3

5.3 La Tensión horizontal La tensión horizontal natural es difícil de determinar. No es igual en cada dirección y el cálculo o medición corresponde solo a un sitio específico. Generalmente, se considera que la tensión horizontal es un máximo en una dirección y disminuye a un mínimo orientada a 90 grados. El máximo se refiere como la tensión "principal" o “mayor” (S1), y su orientación como el “eje mayor”. El mínimo, normal (90 grados) se llama típicamente tensión "menor", (S 2). 5.3 La Tensión residual La intensidad y orientación de tensión virgen pueden alterarse cuando la mina se sitúa cerca de una falla mayor en la corteza de la tierra. Este tipo de tensión virgen se clasifica como una tensión tectónica. Si la causa de una tensión tectónica es después relevada por la fuerza de naturaleza, una porción de la tensión permanece en las rocas y es llamada la tensión residual.

Esfuerzos en una apertura circular

6.- CLASIFICACIONES DEL TIPO DE ROCASHay 3 tipos o sistemas de clasificación usados en diseño de minas; RQD, RMR y el sistema Q.En el Perú se usan los tres, en Canadá solo uno. Es interesante observar que estos sistemas, RQD, RMR y el sistema Q, tienen su origen en la ingeniería civil.

El RQD es un índice modificado de la recuperación de testigos de perforación, definido como la longitud total de testigos intactos recuperados mayores de 100 mm en longitud, dividida por la longitud total del testigo (1.5 mts) El valor se presenta en la forma de porcentaje.

El RMR toma en consideración: Resistencia de la roca, espaciamiento de las discontinuidades, separación de juntas, continuidad de juntas, agua subterránea, alteración por intemperismo, condición de juntas, orientación de la juntas, agua, para los túneles.

El Q, o sistema de clasificación NGI (instituto geotécnico noruego) fue desarrollado por Barton, Lien y Lunde (1974), sobre todo para trabajo de diseño de túneles. Expresa la calidad de la roca, Q, en función de 6 parámetros independientes:

Donde: RQD = la designación de la calidad de la roca Jn = se basa en el número de juegos de juntas

4

Jr = se basa en la rogusidad de las juntas Ja = se basa en la alteración de la discontinuidadJw = se basa en la presencia del agua SRF = es el factor de la reducción de la tensión

Tipos de Sostenimiento Antiguo con Madera

El método más antiguo de soporte es el enmaderado. La madera puede cortarse y puede instalarse fácilmente.La madera tiene la habilidad única de fallar gradualmente cuando se carga más allá de su resistencia y dar una advertencia audible de su próxima falla o rotura mediante ruidos durante su agrietamiento.

POSTE

Cribbing (sostenimiento de techos de luz mayor) de madera

Square Sets (Cuadros de Stope) Estos cuadros consisten de 2 maderas verticales llamados

5

postes, unidos con sombreros y tirantes.

Soporte con Acero Se usan los cuadros de acero en las minas metálicas y de carbón. En la mayoría de los casos, la carga que se toma es un factor multiplicado por la suma de la anchura y altura del túnel. El acero puede erigirse en un tiempo más corto y por menos hombres que la madera. Si hay madera detrás del concreto esta se pudre y el revestimiento de concreto externo se deteriora al recibir cargas desiguales desde atrás.

Soporte con Arcos de Acero

Pernos de RocaEl principio básico del perno de roca es hacer parte integral de la estructura de apoyo a las rocas que se empernan.

El empernado de roca consiste en 3 pasos: 1) Abrir huecos con una perforadora, de 6 –8 o 10 pies de largo (pueden ser mas largos).2) Introducir el Perno en el agujero, 3) Aplicar la tensión al perno poniendo la roca en compresión paralelo al perno

El diseño de los huecos toma en cuenta los esfuerzos y la forma en que el terreno falla, para un minero esto es cuestión de sentido común,

Pernos de Roca Más Mallas de AceroLa Malla de Acero es eso; una Malla de aperturas cuadradas, de 4x4 pulgadas, y que tiene 1.20 m de ancho y viene en rollos. SE sujeta a las paredes mediante los pernos de anclaje. Normalmente se recubre con shotcrete.

6

Shotcrete (Concreto Lanzado)También se usa mucho el concreto rociándolo a presión sobre la superficie que se desea sostener o estabilizar, formando un revestimiento que con la roca es autoportante, y que previene la oxidación de las paredes. El espesor mínimo es de 1” (una pulgada), se usa normalmente 2" de espesor, aunque se llega a colocar hasta 5”. (1 pulgada = 2.54 cm)

El concreto del shotcrete debe tener una resistencia de 210 kg/cm2. Va reforzado con fibras de acero cortas que se preparan en la mezcla. En algunos casos se usan fibras de polipropileno o polietileno.

En casos también se rocía sobre las superficies que previamente se reforzaron con malla de acero (tipo gallinero o mallas electro soldadas de acero grueso) y pernos de roca.

Relleno de Tajeos --- PilaresLas excavaciones de explotación -los tajeos, se rellenan en la mayoría de los casos, solo en terrenos muy fuertes las excavaciones para extraer mineral (tajeos) se dejan abiertos.

Se rellenan con: Con desmonte (roca estéril) del avance de galerías y otras excavaciones auxiliares. Con relave de la planta concentradora, a veces cementado, usando la fracción gruesa del

relave (mas grueso que la malla 100 Tyler). Lo que se llama Relleno Hidráulico. El Relleno en Pasta, es también relave de la Planta Concentradora, pero se transporta con un mínimo de humedad, en pasta, la humedad se reduce previamente a máximo 15%, (en lugar de más del 60%).

Con arena y/o cascajos de la superficie –Ejemplo: Canteras de Unich Cerro de Pasco.

A cualquiera de estos elementos se le puede agregar cemento—entonces el relleno se llama “cementado” y tiene mas resistencia, y toma mas carga y mas rápido.

También se dejan normalmente el mineral o la roca como pilares naturales, para sostener los stopes u otras excavaciones, en lugar de, o al mismo tiempo que el relleno de relaves, desmonte, y la madera. Este método de minado se llama “Cámaras y Pilares – Room & Pillars”. Se dejan los pilares naturales para el apoyo en estos métodos. Ya sea en Minas de Carbón o en Minas de Roca Metálica especialmente cuando las vetas son anchas y de poco buzamiento (casi horizontal). Se dejan pilares de carbón o porciones de veta de mineral metálico, para sostener el techo. Estos pilares se pueden en algunos casos sacar, después de rellenar los espacios vacíos adyacentes.

El desatado y el sostenimiento son las operaciones más peligrosas y requieren de un trabajo especializado para lograr mayor seguridad en las operaciones de explotación subterránea de minas.

7

7.- ESTABILIDAD EN MINAS A TAJO ABIERTO

Angulo del Talud

La estabilidad del Tajo depende de la calidad de la RocaY del Angulo del Talud de la Excavacion.

En las minas a Tajo Abierto el principal criterio es el Angulo del Talud General, considerando la altura de cada Banco y el ancho de las Bermas.

El Angulo del Talud deberá tener en consideración lo siguiente. El Talud Natural, El Buzamiento de las Rocas, El tipo de terreno, (cuaternario, sedimentario, rocas ígneas) y en cada caso estudiar su

estabilidad (natural). Las Fallas presentes, igual, mediante un mapeo cuidadoso, El fracturamiento de las rocas, para lo cual es necesario un mapeo geotécnico detallado,

8