MECANICA DE ROCAS

CAPITULO II MECANICA DE ROCAS EXPERIMENTAL

EQUIPOS E INSTRUMENTOSEn el presente Capitulo se detalla una serie de equipos e instrumentos de Laboratorio de Mecnica de Rocas.

PREPARACION DE PROBETAS:La preparacin de probetas, de muestras rocosas y minerales, se realiza mediante la Sonda Sacatestigos y la Cortadora de Disco Diamantino con sus respectivos accesorios.

Maquina Sonda Sacatestigos

refrentando una probeta para ser ensayada de acuerdo a los estndares el ISRM., por ejemplo: para el ensayo de Compresin Simple y/o Uniaxial, para el ensayo de Constantes Elasticas, para el ensayo Triaxial.

Donde se requiere que las bases superior e inferior de las probetas, tienen que estar refrentadas, por la razn que al momento de ejecutar el ensayo la carga aplicada debe ser uniformemente repartida en toda la superficie de ambas bases.

Brocas de diferentes dimetros (2, 3, 3.5, 4, 5), Nivelador, tornillo de ajuste para cada dimetro de probeta, ajustador de tuercas, refrentadora y accesorio para refrentar.

En la Foto se aprecia el equipo completo para el refrentado, que se instala en la Sonda Sacatestigos.

CORTADORA DE DISCO DIAMANTINO

El objetivo de la Cortadora de disco diamantino es dimensionar a cada probeta de roca y/o mineral, en su longitud en relacin a su dimetro, que resulta de la perforacin con la sonda sacatestigos, de acuerdo a los estndares (Relacin de Esbeltez) de cada uno de los ensayos ha ejecutarse en el programa planificado.

En la Foto, se aprecia una probeta rocosa cortndose de acuerdo a su relacin de esbeltez (L/D), sobre la cual ser realizado el ensayo de laboratorio para la determinacin de sus propiedades fsico-mecnicas.

ENSAYOS Y MEDICIONES EN LABORATORIO

PROPIEDADES FSICASLa determinacin de las propiedades fsicas se basa en el establecimiento de la humedad, absorcin, volumen de poros, peso especifico/densidad de la probeta de roca y/o mineral, siendo los equipos y accesorios en la mayora de los casos los de un laboratorio qumico y/o metalrgico. Y estn constituidas por:

Una balanza de precisin en grs.Un horno ventilado.Vasos de precipitacin.Lunas de reloj.Tenazas de fierro.Agua destilada.Taras

PROPIEDADES MECANICASMAQUINA DE COMPRESIN DE ROCASLa determinacin de las propiedades mecnicas, como es el caso de los ensayos de compresin simple y/ uniaxial, ensayo de traccin indirecta brasilero, ensayo Triaxial, ensayo para la determinacin de constantes elsticas, Abrasion los angeles, son ejecutados en la Maquina de Compresin de Rocas, con la finalidad de determinar las caractersticas de deformabilidad y de rotura de la roca y/o mineral, en compresin.

MAQUINA DE CORTE DIRECTOEn esta maquina porttil se ejecuta el ensayo de corte directo sobre discontinuidades, cuyo objetivo es la determinacin de los parmetros friccionantes: Cohesin C y ngulo de friccin i basica y residual.

MAQUINA DE CARGA PUNTUALEsta Maquina porttil se caracteriza por ser una pequea prensa hidrulica provista de conos de carga entre cuyos vrtices se colocan probetas de roca y/o mineral, sometindolas a cargas compresivas, segn la disposicin de la probeta entre conos se mide ya sea el ndice Franklin o el ndice Louis, stos asisten al ingeniero en la caracterizacin de la resistencia mecnica y comportamiento ms probable de la roca, puesto que pueden ser Correlacionados experimentalmente a la resistencia compresiva uniaxial y a la resistencia a la traccin.

ENSAYOS Y MEDICIONES IN-SITUSISMOGRAFOUtilizando ondas ultrasnicas que se hacen propagar en el medio rocoso, se realizan mediciones de las velocidades de ondas longitudinales y transversales, a partir de los cuales se determinan las constantes elsticas dinmicas: Modulo de Elasticidad Dinmico Ed y Relacin de Poisson Dinmico d. Se usa para tal fin un sismgrafo que puede efectuar mediciones en la misma operacin minera.

MAQUINA DE ARRANQUE DE PERNOSLa maquina de arranque de pernos permite determinar la capacidad de carga o de anclaje de los pernos de roca (anclaje puntual o repartido) en un determinado macizo rocoso, mediante el ensayo del Pull Test, esta capacidad de anclaje de un perno de roca (Rock Bolt), esta determinado por 4 aspectos importantes: Longitud del perno, dimetro del taladro, tiempo de instalacin y calidad del macizo rocoso, adems permite controlar su comportamiento del perno de roca durante y despus de su instalacin.

EXTENSOMETRO DE VARRILLAS E INCLINOMETROLas mediciones de desplazamientos en el interior del macizo rocoso se realizan con el fin de controlar los desplazamientos o movimientos relativos dentro del macizo rocoso asociados con problemas de inestabilidad o durante la ejecucin de labores mineras subterrneas y superficiales, instrumentndose taladros de gran profundidad, utilizando un Extensometro Mecnico y/o Hidrulico de Varillas de Anclaje Mltiple, con el cual se evala los desplazamientos midiendo los cambios progresivos de la componente axial de la deformacin y un Inclinmetro para evaluar

EXTENSOMETRO En la Foto se aprecia a los componentes del extensometro hidrulico de varillas y sus accesorios, tubo de anclaje, placas de medicin y direccin, equipos de medicin, gata hidrulica y cableado, accesorios de la cabeza de lectura.

INCLINMETROS

En la Foto se aprecia a los componentes del inclinmetro y sus accesorios: canales de aluminio, instrumento de medicin, batera, instrumento de lectura, cables y accesorios de medicin.

EXTENSOMETRO DE CINTA

En la Foto se aprecia, ejecutndose mediciones de convergencia, utilizando el extensometro de cinta, en el by pass 725, de la Rampa norte del Nivel 1870, de la mina San Vicente de la Compaa Minera San Ignacio de Morococha.

BARRA TELESCOPICA EXTENSOMETRICA

En la Foto se aprecia, realizndose mediciones entre dos puntos (techo-piso) de la labor minera subterrnea, con la Barra telescpica extensometrica, con el objeto de ver su comportamiento del techo respecto al piso de la excavacin, dichas mediciones se realizan en la Mina Juanita de la Compaa Minera Perubar S.A

MARTILLO SCHMIDT DE DUREZADenominado tambin esclermetro o martillo estandarizado, nos permite obtener valores de dureza de la roca por el procedimiento del rebote; con el fin de determinar en forma rpida valores aproximados de parmetros de diseo como la estimacin de la resistencia compresiva, en funcin a la densidad de la roca.

PROCEDIMIENTOS DE ENSAYOEnsayos estndares para la determinacin de las propiedades Fsico-Mecnicas de las rocas.LABORATORIOPROPIEDADES FSICASLa determinacin de las Propiedades Fsicas se basa, en el establecimiento de los Pesos Natural, Seco y Saturado, y el volumen de probetas rocosas y/o minerales.

El Peso Natural de acuerdo al ISRM (Society International For Rock Mechanics), de la muestra debe tener como mnimo 50 grs., El Peso Seco se determina, mediante el secado de las probetas dentro de un horno ventilado a una temperatura promedio entre 105 - 110C, El Peso Saturado, se obtiene sumergiendo a la probeta en agua destilada.

Para determinar dichos pesos se lleva un registro peridico de los pesos, el lapso de secado y saturado de las muestras rocosas se obtiene aproximadamente en 48 horas, determinado cuando la diferencia entre dos pesadas sucesivas no exceda de 0.01 grs.

El Volumen de la probeta rocosa y/o mineral a ser ensayado se determina mediante probetas simtricas y/o probetas irregulares, mediante el principio de Arqumedes, en el caso particular de probetas irregulares.

Densidad = (gr/cm2 Peso especifico Aparente (P.E.a.) = x 9.81 (KN/m)Porosidad Aparente (P.a.) = x 100 (%) Absorcin (en peso) Peso Saturado - Peso Seco x 100 % Peso Donde:w = Densidad del agua (gr/cm).

Peso Seco Volumen

Peso SecoVolumen

Peso Saturado - Peso Seco w x Volumen

PROPIEDADES MECANICASENSAYO DE COMPRESIN SIMPLEDenominado tambin ensayo de Compresin Uniaxial, este ensayo consiste en aplicar cargas compresivas axiales cada vez mayores, a probetas rocosas y/o minerales cilndricas, hasta producir su rotura, como se aprecia en la Foto

RELACIN DE ESBELTEZ:

La probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguiente relacin:

L/D = 2

Donde:

L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

FACTOR DE CORRECCIN DE PROTODYAKONOV:Cuando la relacin de esbeltez es L/D 2, se puede aplicar el factor de Correccin de Protodyakonov, cuya relacin matemtica es la siguiente:Donde:o = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 2.c = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D 2.L = Longitud de la Probeta.D = Dimetro de la Probeta

FACTOR DE CORRECCION DE OVERT DUVALL Cuando la relacin de esbeltez es L/D 2, se puede aplicar el factor de correccin dado por Overt Duvall 1981 (Rock Mechanics and the desing of Structures in Rock): CORREGIR LA FORMULA

Donde: REVISARo = Resistencia Compresiva uniaxial con L/D = 1.c = Resistencia Compresiva uniaxial con 2 >L/D >1/3.L = Longitud de la Probeta.D = Dimetro de la Probeta.

FRMULA MATEMTICA:

Donde:

-c = Esfuerzo de Compresin en (Kg/cm-F = Carga ultima aplicada Kilos-D = Dimetro en cm2

DF

ENSAYO DE TRACCIN INDIRECTA METODO BRASILEROEl ensayo consiste en someter a una probeta cilndrica (disco de roca y/ mineral) a una carga lineal compresiva actuando a lo largo de su dimetro

FRMULA MATEMTICA:

Donde:

t = Resistencia a la traccin indirecta de la roca y/o mineral en (Kg/cm). P = Carga ltima de rotura de la probeta (Kg).D = Dimetro de la probeta (cm).L = Longitud de la probeta (cm). = Constante.RELACIN DE ESBELTEZ:La probeta rocosa y/o mineral a ser ensayada debe tener la siguiente relacin: L/D = 0.5Donde:L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

ENSAYO PARA DETERMINAR CONSTANTES ELASTICASEs igual al ensayo de compresin uniaxial y/o simple, con la adicin de que durante la aplicacin de la carga axial compresiva se miden las deformaciones unitarias axiales A (acortamiento longitudinal) y diametrales D (expansin lateral).Las constantes elsticas E (Modulo de Deformacin) y (Relacin de Poisson) estn definidas por las siguientes formulas matemticas:

Las constantes elsticas E (Modulo de Deformacin) y (Relacin de Poisson) estn definidas por las siguientes formulas matemticas:Donde:

E = Modulo de Deformacin y/o de Elasticidad. = Relacin de Poisson.1 = 50% de la Resistencia Compresiva.D = Deformacin Unitaria Diametral.A = Deformacin Unitaria Axial.Estos valores corresponden al 50% de la Resistencia Compresiva o carga de rotura (1 = 0.5 c).

ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUALENSAYO DE CARGA PUNTUAL FRANKLINEl ensayo de carga puntual denominado tambin Diametral se ejecuta sobre muestras de roca y/o mineral por lo general sobre testigos de perforaciones de raise boring, teniendo en consideracin el estndar del ISRM, como se aprecia en la Foto.

RELACIN DE ESBELTEZ:La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relacin: L/D = 1.4Donde:L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).FRMULA MATEMTICA: Is = P/DDonde:Is = ndice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm).P = Carga ltima de rotura (Kg).D = Dimetro de la probeta (cms).Estimacin de la c, en relacin a la Carga Puntual.FRMULA MATEMTICA: c = ( 14 + 0.175 D) IsDonde:c = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm).D = Dimetro de la probeta en mm.

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL LOUISEl ensayo de carga puntual denominado tambin Axial se ejecuta sobre muestras de roca y/o mineral por lo general sobre testigos de perforaciones de raise boring, teniendo en consideracin el estndar del ISRM, como se aprecia en la Foto. WF

RELACIN DE ESBELTEZ:La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relacin:

L/D = 1

Donde:L = Longitud de la probeta (cms).D = Dimetro de la probeta (cms).

FRMULA MATEMTICA:

IL = P/S

Donde:IL = ndice de Carga Puntual Louis (Kg/cm).P = Carga ltima de rotura (Kg).S = Area de rotura (cms).

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL Prueba de Bloque Esbeltez :L > 0.5 D0.3 W < D > WDDW P IS=----- , c = 24 IS D2

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL Prueba de Bloque IrregularEsbeltez :

L > 0.5 D0.3 W < D > W

P IS= ----- , c = 24 IS D2

Colocando probetas cilndricas con relaciones L/D = 2, dentro de una celda triaxial y aplicando una presin de confinamiento lateral 3 constante (Esfuerzo Principal Menor), dentro de un rango establecido, se somete a estas a un cargado axial hasta producir su rotura, en esfuerzos que corresponden a 1 (Esfuerzo principal mayor). Con los datos de 1 y 3 registrados, se construye la Envolvente de Mohr, obtenindose de la misma los parmetros de Resistencia al Corte: Cohesin So y el Angulo de Friccin Interna i de la roca y/o mineral, como se aprecia en la Foto ENSAYO DE COMPRESIN TRIAXIAL

ENSAYO DE CORTE DIRECTO SOBRE DISCONTINUIDADESLos ensayos se llevan a cabo a travs de superficies de discontinuidad contenidas en testigos rocosos y/o minerales de 5 cm. (50 mm.) de dimetro, de acuerdo al estndar del ISRM

El ensayo consiste en cizallar la probeta a travs de la superficie de discontinuidad, sometindola a un Esfuerzo Normal constante n.

El Esfuerzo de Corte c para iniciar y mantener el desplazamiento, es determinado para un rango de esfuerzos normales.Durante los ensayos se miden los desplazamientos de la parte superior de la probeta en relacin a la parte inferior, producidas como consecuencia de la aplicacin de los esfuerzos

CONDICION DE ENSAYOS

Cada ensayo a ejecutarse en el Laboratorio de mecnica de Rocas, se enmarcan dentro de los procedimientos estandarizados la Sociedad Internacional de Mecnica de Rocas (ISRM).

Las velocidades de carga aplicadas durante los ensayos compresivos deben estar en el rango recomendado de 5 a 10 Kg/cm/seg. (0.5 MPa 1.0 MPa/seg.).

Estas sern ensayadas ya sea en condiciones seca, de humedad natural o saturada,

A fin de racionalizar la cantidad de ensayos, las resistencias compresivas reportadas pueden ser obtenidas de los ensayos de constantes elsticas.

Debe tratar en lo posible de extraer muestras representativas de su entorno fsico,