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Ingeniería de Minas - Unsa

MECANICA DE ROCAS APLICADO A LA

INGENIERA

INGº REYNALDO CANAHUA LOZA

Una definición ampliamente aceptada de la M.R. es aquella ofrecida por el comité de “ROCK MECHANIC” en 1964 y modificada en 1974.

“ ES LA CIENCIA TEORICA APLICADA DEL COMPORTAMIENTO MECANICO DE LA ROCA Y DE LOS MACIZOS ROCOSOS”

“ ES AQUELLA RAMA DE LA MECANICA QUE TRATA LA RESPUESTA DE LA ROCA Y DE LOS MACISOS ROCOSOS AL CAMPO DE FUERZAS DE SU ENTORNO FISICO”

CONCEPTO BASICO DE LA MECANICA DE ROCAS

METODOLOGIA DISPONIBLE PARA ANALISIS DE MEC. DE ROCAS

MODELAMIENTO DE MINA

Litología

MODELO GEOLOGICO

HidrológicaSismología

Meteorización

EstructuraCaracteres Geomecánicos

Discontinuidades

Propiedades Mecánicas

Materiales

MODELO GEOMECANICO

Tensiones Naturales

Calidad del Macizo Rocoso

Propiedades MecánicasPropiedades Mecánicas

Macizo RocosoDiscontinuidades

Calidad de la Excavación

MODELO MATEMATICO

Equilibrio Limite

Soluciones cerradasModelos Continuos

Soluciones AbiertasModelos Discontinuos

MODELO GEOLOGICOConocer la roca permite tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado.

La roca es un conjunto de sustancias minerales que formando masas, constituyegran parte de la corteza terrestre.

Según su origen, las rocas pueden ser ígneas, sedimentarias y metamórficas.

Rocas ígneas, son aquellas que han sido formadas por la consolidación del magma.Rocas sedimentarias, formadas por la deposición de sedimentos.

Rocas metamórficas, formadas por procesos de altas presiones y temperaturas. .

La roca difiere de la mayoría de otros materiales utilizados en la ingeniería. Éstatiene discontinuidades (fracturas) de diferentes tipos, que hacen que su estructura sea discontinua. Además, debido a los procesos geológicos que la hanafectado entre el tiempo de su formación y la condición en la cual laencontramos en la actualidad, presenta heterogeneidades y propiedadesvariables. Todas estas características requieren ser evaluadas en forma permanente durante el laboreo minero.

CARACTERÍSTICAS DE LA ROCA

Primero es necesario distinguir lo que es el “material rocoso” o denominadotambién “roca intacta” y lo que es la “masa rocosa” o también denominada“macizo rocoso”.

Roca intacta, es el bloque ubicado entre las discontinuidades y podría serrepresentada por una muestra de mano o trozo de testigo que se utilizapara ensayos de laboratorio.

Masa rocosa, es el medio in-situ que contiene diferentes tipos dediscontinuidades como diaclasas, estratos, fallas y otros rasgos estructurales.

Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente alas operaciones de minado.

DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA

Planos de estratificación, dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias.

Fallas, son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructurasmenores que se presentan en áreas locales de la mina o estructuras muyimportantes que pueden atravesar toda la mina.

Zonas de corte, son bandas de material que pueden ser de varios metros deespesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

Diaclasas, también denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa.

Planos de foliación o esquistosidad, se forman entre las capas de lasrocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

Contactos litológicos, que comúnmente forman, por ejemplo, la cajatecho y caja piso de una veta.

Venillas, son rellenos de las fracturas con otros materiales.

OTROS RASGOS GEOLÓGICOS IMPORTANTES

Pliegues, son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados.

Diques, son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas o verticales.

Chimeneas o cuellos volcánicos, son intrusiones que han dado origen a los conos volcánicos.

PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

Todas las discontinuidades presentan propiedades geomecánicasimportantes que las caracterizan y que influyen en el comportamiento de la masa rocosa. Estas propiedades son principalmente:

Orientación, es la posición de la discontinuidad en el espacio ycomúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupode discontinuidades se presentan con similar orientación o en otraspalabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un“sistema” o una “familia” dede discontinuidades.

Espaciado, es la distancia perpendicular entre discontinuidadesadyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta.Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuantomás espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

Persistencia, es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad.Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuantomayor sea ésta, será menos estable.

Rugosidad, es la aspereza o irregularidad de la superficie de ladiscontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, lamasa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masarocosa será más competente.

Apertura, es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables.

Relleno, son los materiales que se encuentran dentro de ladiscontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa esmenos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.

Esquema de las propiedades de las discontinuidades.

REPRESENTACIÓN ESPACIAL DE LOS SISTEMAS DE DISCONTINUIDADES

LA METEORIZACIÓN Y LA ALTERACIÓN

Meteorización, Denominada también intemperización, está relacionada con la modificación que sufre la superficie de la roca o en sus proximidades, debido a la acción de agentes atmosféricos. El grado de la meteorización dependerá de las condiciones climatológicas, morfológicas y la composición de la masa rocosa.

La meteorización se divide en meteorización física, química ybiológica.

Meteorización física, como consecuencia de ésta, la apertura de lasdiscontinuidades aumenta o pueden formarse nuevas fracturas por elrelajamiento de la roca.

Meteorización química, origina la decoloración de la roca hasta ladescomposición de la misma.

Meteorización biológica, está regida por la presencia y actividad de losseres vivos.

Masa rocosa meteorizada.

MODELO GEOLOGICOProyecciones Estereográficas.

Las propiedades tecnológicas del material de construcción, terreno o roca fracturada, resultan influenciadas notablemente por la existencia de fisuras y otras superficies de separación de índole geológico.

En el tratamiento de problemas de estabilidad en masas rocosas, deberá por una parte determinarse y representarse la situación en el espacio de las estructuras y los planos, por otra parte debe ser tenida en cuenta la influencia de las estructuras de una manera cuantitativa en relación con posibilidades de movimiento y equilibrio limite.

La representación de superficies o direcciones geológicas y la consideración de sus intersecciones es posible mediante la “Esfera de Proyección”

Este procedimiento fue introducido inicialmente en geología por Schmidt, Sunder, Muller, Friedman y Philips.El estado mas avanzado de este desarrollo esta contenido en uno de los trabajos de Hoek y Hoek&Bray

Grafico de orientaciones.

Semiesfera de proyección.

Redes Schmidt y normal

La representación grafica real de los datos geológicos geométricos, tiene lugar sobre sobre las llamadas redes, las líneas que forman estas redes se originan mediante la proyección fiel al área de los círculos máximos (meridianos) y de los círculos menores (paralelas), en la esfera de proyección se diferencian dos tipos principales de redes.

•Red Schmidt, es la proyección de la esfera en la superficie polar o llamada también proyección esférica en sección transversal, esta red esta especialmente adecuada para la representación de círculos mayores y la determinación de ángulos entre superficies y direcciones.

•Red Normal (Lambert), es la proyección de la esfera en su superficie plana ecuatorial, llamada también red polar, es especialmente apropiada para una rápida representación de polos.

Construcción de la Red Schmidt.Ingeniería de Minas - Unsa

El perpindicular vectorial del plano

La proyección estereográfica

Estructura geológica (el plano)

La proyección del planoLa proyección del polo

Orientación de juntas mediante proyección estereográfica

Red Normal (Lambert).

Proyección de polos y Círculos máximos.Ingeniería de Minas - Unsa

Esquema de proyección.Ingeniería de Minas - Unsa

MODELO GEOMECANICOEste trabajo viene a ser la recolección de data de campo, consistente en evaluar las características geomecánicas de las discontinuidades, para llevar esta información a una interpretación mas clara y sencilla y que nos de una idea del control de la estabilidad del macizo rocoso.

El mapeo es el trabajo mas delicado en geomecánica y tiene que ser realizado por personal debidamente capacitado.

Se conocen diferente tipos de mapeos geomecánicos, entre los cuales tenemos:

-Lineal o líneas al detalle.

-Estaciones o parches.

-Ventanas.

Cada una de ellas tiene un fin especifico, dependiendo del uso que se le quiere dar.

Hay que tener en cuenta que el mapeo geomecánico se deben realizar únicamente en dominios estructurales previamente definidos.

La norma utilizada es el International Societe Rock Mechanic (ISRM)

Este método consiste en trazar una línea en un dominio estructural, la idea es que esta línea intercepte la mayor cantidad de fracturas a lo largo de la misma.

El éxito de este trabajo dependerá de la mayor toma de fracturas y/o discontinuidades a lo largo de esta línea.

Se debe tomar todas las fracturas, sin tener en cuenta su orientación, puesto que al final se hará un compòsito de las mismas y se definirá las familias o sets de fracturamiento.

Para ello se deben de tomar las siguientes características de las discontinuidades:

-Orientación (rumbo y buzamiento).

-Espaciamiento.

-Apertura.

-Rugosidad.

-Relleno.

-Persistencia.

-Meteorización.

LINEAL O LÍNEA AL DETALLE.

Este método consiste en una evaluación de la estabilidad de una manera mas rápida, pero debe ser realizada por personal con mucha experiencia.

Primero se define un dominio estructural, luego cuantos sistemas de fracturamiento están presentes, notar cuidadosamente cual de los sistemas es mas persistente de ello depende el éxito del trabajo, una vez hecho esto, este sistema será conocido como el sistema o familia de fracturamiento mas dominante.

Luego se tomara las características mas predominantes de este sistema dominante por que serán éstos quienes lo representaran.

Se debe tomar entre dos o tres fracturas de los sistemas mas dominantes, para poder obtener el valor de la caracterización del macizo rocoso.

Los valores tomados de las características geomecánicas, corresponderán a la media estadística de cada sistema.

Note que si cometemos un error al elegir al sistema dominante, estaremos sobre- valorando o sub-valuando la calidad del macizo rocoso.

Estación o parche.

ESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSOESTRUCTURA DEL MACIZO ROCOSO

Cuando hablamos de roca, nos referimos a un material diferente a otros usados en ingeniería, principalmente por la presencia de fracturas de un tipo u otro que originan discontinuidad dentro de la masa de roca.

Los siguientes términos nos darán una mejor idea:

Roca intacta, material que se encuentra sin discontinuidades. Ejemplo testigo diamantino.

Porción de masa de roca que tiene menos de seis fracturas por metro lineal.

Material donde se encuentran fallas, fracturas, junturas, diaclasas, plegamientos y cualquier otro tipo de elementos estructurales.

Esta masa rocosa es discontinua, a menudo heterogénea y anisotrópica.

Masa rocosaIngeniería de Minas - Unsa

CARACTERIZACIÓN DE LA MASA ROCOSA

Para conocer la masa rocosa, hay necesidad de observar en eltecho y las paredes de las labores mineras, las diferentes propiedades de lasdiscontinuidades, para lo cual se debe primero lavar el techo y las paredes. A partir de estas observaciones se podrán sacar conclusiones sobre las condiciones geomecánicas de la masa rocosa.

Debido a la variación de las características de la masa rocosa, el supervisor deberá realizar en forma permanente una evaluación de las condiciones geomecánicas, conforme avanzan las labores, tanto en desarrollo como en explotación,

En situaciones especiales, el supervisor deberá realizar un mapeo sistemático de las discontinuidades, denominado mapeo geomecánico, utilizando métodos comoel “registro lineal”, Los datos se irán registrando en formatos elaborados para este fin, luego serán procesados y presentados en los planos de las labores mineras.

MAPEO GEOMECÁNICO

Clasificación del Macizo Rocoso¿Qué es un sistema de clasificación del macizo rocoso?

Es un acercamiento sistemático para evaluar y comunicar la naturaleza de lo quebrado de una masa típica de la roca. Diseñando sistemas de clasificación de el macizo rocoso para la comunicación de ideas

¿Quién necesita saber esta información?

Toda esa gente que esta involucrada en el diseño de la excavación y el uso en minas en operacion, o sea el ingeniero de planeamiento, geólogo, supervisores de la mina y mineros.

¿Cuáles son los parámetrosmás importantes?

Las propiedades fisicas,mecanica y quimicas de la roca intacta

El espaciamiento de

las fracturas

El agua subterránea

La persistencia de la fractura

La orientación de la fractura

Los esfuerzos In-situ

La densidad de fractura del testigo (RQD)

Fractura, aperatura y condición de la superficie

El contorno (la forma) de la fractura

CONDICIONES DE LA MASA ROCOSA

De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada.

Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentará

condiciones favorables cuando sea excavada.

Si la roca intacta es débil o de baja resistencia y las discontinuidadespresentan propiedades desfavorables, la masa rocosa será

incompetente y presentará condiciones desfavorables cuando sea excavada.

Habrá situaciones intermedias entre los extremos antes mencionadosdonde la roca tendrá condiciones regulares cuando sea excavada.

Existen criterios para poder clasificar la masa rocosa, éstos están basados en laexperiencia ganada en la ejecución de excavaciones en roca.

CRITERIOS SEGÚN LA RESISTENCIA DE LA ROCA

Considerando la resistencia de la roca a romperse o indentarse con golpes de picota, la guía práctica de clasificación de la roca es la siguiente:

Resistencia muy alta:Solo se astilla con varios golpes de picota.

Resistencia alta:Se rompe con más de 3 golpes de picota.

Resistencia media:Se rompe con 1 a 3 golpes de picota.

Resistencia baja:Se indenta superficialmente con la punta de la picota.

Resistencia muy baja:Se indenta profundamente con la punta de la picota.

CRITERIOS SEGÚN LAS CARACTERÍSTICAS

DEL FRACTURAMIENTO

Para clasificar la masa rocosa tomando en cuenta las características delfracturamiento (o grado de presencia de las discontinuidades), se mide a lo largode un metro lineal cuantas fracturas se presentan, según esto, la guía práctica es la siguiente:

Masiva o levemente fracturada:2 a 6 fracturas /metro.

Moderadamente fracturada:6 a 12 fracturas/metro.

Muy fracturada:12 a 20 fracturas/metro.

Intensamente fracturada:Más de 20 fracturas/metro.

Triturada o brechada:Fragmentada, disgregada, zona de falla.

Masiva o levemente fracturada

Moderadamente fracturada

Muy fracturada

Intensamente fracturada

Triturada o brechada

CRITERIOS SEGÚN LAS CONDICIONES DELAS PAREDES DE LAS DISCONTINUIDADES

Si tomamos en cuenta algunas propiedades de las paredes de las discontinuidades como la apertura, rugosidad, relleno y meteorización o alteración, la guía de clasificación de la masa rocosa es la siguiente:

Condición Muy Buena:Si las discontinuidades están cerradas, muy rugosas y están frescas.

Condición Buena:Si están ligeramente abiertas, moderadamente rugosas y tienen manchas de oxidación.

Condición Regular:Si están moderadamente abiertas, ligeramente rugosas a lisas y presentan oxidación.

Condición Mala:Si están abiertas, lisas y presentan relleno blando (por ejemplo limo o panizo).

Condición Muy Mala:Si están muy abiertas, estriadas y tienen relleno de panizo.

CONDICIONES GEOMECÁNICAS

Cuando se quiere conocer cómo se comportará la masa rocosa, ésta debe serclasificada en forma conjunta tomando en cuenta todas sus características. Así, sijuntamos las guías de clasificación antes indicadas, considerando la resistencia de la roca, las características del fracturamiento y las condiciones de las paredes de las discontinuidades, la masa rocosa puede clasificarse en cinco categorías: .

Masa rocosa Muy Buena:Condiciones geomecánicas muy favorables para el minado.

Masa rocosa Buena:Condiciones geomecánicas favorables para el minado.

Masa rocosa Regular:Condiciones geomecánicas regulares para el minado.

Masa rocosa Mala:Condiciones geomecánicas desfavorables para el minado.

Masa rocosa Muy Mala:Condiciones geomecánicas muy desfavorables para el minado.

OTROS FACTORES A TENERSE EN CUENTA

Si se tiene definida la condición de la masa rocosa para cada zona de la mina, se conocerá como se comportará ésta durante el minado, pero es necesario además, conocer otros aspectos o factores adicionales que podrían modificar su comportamiento al ser excavada. Estos otros factores están referidos a lo siguiente:

A la presencia de agua.

a) Reduce el esfuerzo normal efectivo entre la superficie dela roca.

b) Reduce la resistencia potencial al corte de la roca

tguc )( efectivoEsfuerzou )(

porosidaddeEsfuerzou )(

A la presencia de los esfuerzos o también denominados presiones de la roca o del terreno.

A la presencia de fallas principales .

La presencia de estos factores en la masa rocosa, por lo generaltienen un efecto adverso sobre su comportamiento.

Estos factores son tratados en el Capítulo Identificación de los Problemas del Terreno.

METODOLOGIA PARA EL DISEÑO EN MECANICA DE ROCAS

ANALISIS RETROSPECTIVO

CARACTERIZACION DEL MACIZO ROCOSO

FORMALIZACION DEL MODELO

ANALISIS Y DISEÑO

CONSTRUCCION

MONITOREO DEL COMPORTAMIENTO DE LA EXCAVACION

APLICACION DE LA MECANICA DE ROCAS

APLICACION EN LABORES

SUBTERRANEAS

APLICACION EN LABORES

SUPERFICIALES

LABORES SUPERFICIELES

ESTABILIDAD DE TALUDES

EN OPERACIONES

MINERAS

ESTABILIDAD DE TALUDES

NATURALES

OBRAS CIVILES EN GENERAL

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