1.INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE ROCAS 

Los científicos descubren aquello que es, los ingenieros crean aquello que nunca fueVon Karman, 1904  Aquí tenemos la verdadera esencia de nuestra disciplina: una compleja mezcla de la mecánica pura, la idiosincrasia de la naturaleza y la determinación de la humanidadJ. Hudson, 1993  Más que una ciencia, la mecánica de rocas es un arte, en el sentido fuerte del arte de construir...Comité Français de Mécanique des Roches, 2000

1.1Definiciones básicas Se comienza este capítulo y este libro con una serie de definiciones básicas que deben servir de base para comprender los planteamientos y conceptos que se presentarán a continuación. Se define ROCA como un agregado sólido, formado por uno o varios minerales, que se encuentra ocupando grandes extensiones de la corteza terrestre. En mecánica de rocas se habla en muchas ocasiones de ROCA o ROCA INTACTA para referirse a un elemento (trozo, bloque, probeta) de roca que no presenta discontinuidades observables. 

ROCA ROCA INTACTA

En la naturaleza las rocas aparecen muy comúnmente atravesadas por distintos caracteres geológicos estructurales y discontinuidades de variado origen geológico, como la estratificación, esquistosidad, pliegues, fallas, y juntas o diaclasas. Al conjunto de estas discontinuidades que atraviesan la roca se le suele denominar ESTRUCTURA del macizo rocoso. Se define MACIZO ROCOSO como la forma en la que se presentan las rocas en el medio natural. Así pues un macizo rocoso estará definido por la roca y la estructura, que a su vez contendrá planos de estratificación, fallas, juntas, pliegues y otros caracteres estructurales. Los macizos rocosos son por tanto discontinuos y pueden presentar propiedades heterogéneas y/o anisótropas. 

Se ilustran las definiciones de estructura y macizo rocoso en la Figura 1. En ella se muestra primero (Figura 1.a) una fotografía de un macizo rocoso sobre la que se han marcado las discontinuidades observables in-situ, que se han llevado posteriormente sobre fondo blanco para ilustrar la definición de estructura (Figura 1.1.b). En la realidad, hay que pensar que esta estructura es tridimensional. A partir de la definición de macizo rocoso y de lo que la naturaleza nos muestra, ha de quedar claro desde el principio de este libro que, atendiendo a los acrónimos propuestos por Hudson y Harrison (1995), un macizo rocoso es un “DIANE” (acrónimo de Discontinuous, Inhomogeneous, Anysotropic& Non-Elastic = discontinuo, heterogéneo, anisótropo e inelástico) y no un “CHILE” (acrónimo de Continuous, Homogeneous, Isotropic & Linear-Elastic = continuo, homogéneo , isotropo lineamiento elastico).  Asi pues ,  los

macizos rocosos, que son el principal objeto de estudio y material de trabajo en mecánica de rocas, consisten en una serie de bloques o elementos de roca intacta y una estructura formada por múltiples discontinuidades (comúnmente agrupadas en familias) y otros caracteres estructurales. Su naturaleza y comportamiento dependerá, por tanto, de ambos (roca + discontinuidades) influyendo más unas u otras en función de las características del macizo y las propiedades, situación y volumen de las obras que se realicen en ellos. 

Se define SUELO como un material formado por partículas sólidas y poros rellenos de agua o aire, sin cementación o poco cementado, originado por la alteración de las rocas y sobre el que se desarrolla la mayor parte de la actividad humana y biológica. 

Desde el punto de vista genético los suelos son rocas que se han ido erosionando y alterando; y las rocas son suelos que, sometidos a determinados niveles de presión y temperatura y condiciones químicas, se han ido litificando a lo largo del tiempo mediante diversos tipos de procesos físico- químicos. Existen pues  materiales  de transición entre las rocas y los suelos y viceversa, denominados “roquisuelos”, que se estudian analizan técnicas mixtas entre las de la mecánica de rocas y la de suelos.

Se define MINERAL desde un punto de vista CIENTÍFICO o mineralógico como una sustancia de origen natural, de composición química definida y estructura atómica determinada. Se define MINERAL desde un punto de vista MINERO, que es el que nos interesa, como una sustancia de origen natural cuya explotación origina un beneficio.

Mineral de Oro

1.2.Conceptos generales de mecánica de rocasEl problema ingenieril del diseño estructural de excavaciones, ya sean subterráneas o a cielo abierto, que trata de resolver la mecánica de rocas es la predicción del comportamiento mecánico del macizo rocoso en una determinada obra o explotación sujeta a las cargas que se le apliquen a lo largo de toda su vida operativa (Brady y Brown, 1985); contemplada desde este punto de vista la mecánica de rocas se debería llamar más propiamente ingeniería de los macizos rocosos.

La mecánica de rocas aplicada a la práctica minera y a la de ingeniería civil parte de la ingeniería mecánica clásica y de la mecánica de medios continuos, pero la naturaleza variable de los materiales que analiza, la confieren un elevado número de factores específicos que la identifican como una disciplina diferente y coherente del campo de las ingenierías de minas y civil. 

Una definición comúnmente aceptada de mecánica de rocas propuesta en 1974 por el comité americano de esta disciplina es:“Mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada que estudia el comportamiento de mecánico de las rocas y de los macizos rocosos. Sería pues la rama de la ingeniería dedicada al estudio de la respuesta de las rocas y macizos rocosos al campo de fuerzas que actúan en su entorno”

Así definida, esta disciplina es básica para la minería y la ingeniería civil, ya que el hecho de realizar excavaciones modifica los campos de fuerza en el entorno físico de las rocas. Como se podrá ver en el desarrollo de este libro, el estudio de la respuesta de los materiales requiere la aplicación de un buen número de técnicas analíticas desarrolladas específicamente para la materia y que hoy día forman parte de su cuerpo de doctrina. La mecánica de rocas forma a su vez parte de la geotecnia o geomecánica, que estudia el comportamiento de todos los materiales de origen geológicos por sí solos y en su interacción con estructuras y de la que también forma parte la mecánica de suelos. 

1.2.1Puntos de partida de la mecánica de rocas La aplicación de los principios de la mecánica de rocas a la ingeniería de minas se basa en premisas simples y tal vez evidentes (Brady y Brown, 1985): El primer postulado sería suponer que a cualquier macizo rocoso se le pueden asignar un 

conjunto de propiedades mecánicas, que se pueden medir a través de ensayos estándar. El segundo principio sería aseverar que el proceso de excavación minera origina una 

estructura de roca superficial o subterránea formada por el macizo rocoso, huecos, elementos de sostenimiento y empotramientos, que se puede analizar a partir de los principios de la mecánica clásica.

La tercera proposición es que la capacidad de predecir y controlar el comportamiento del macizo rocoso, en el que se realiza la operación minera, puede asegurar o incrementar la rentabilidad económica, lo que se ha de traducir en la práctica en la eficiencia (máxima eficacia) de la explotación del recurso, medida en términos de recuperación de mineral (% de mineral extraído), de productividad o, directamente, de rentabilidad económica.

Metodología básica

Desde una perspectiva mecánica, el objetivo final del diseño de un hueco en el terreno es el control de los desplazamientos de la roca hacia y alrededor del mismo. Los desplazamientos elásticos en el entorno de excavaciones son típicamente bastante pequeños. Los desplazamientos que más importan desde un punto de vista ingenieril suelen llevar consigo procesos como la fracturación de la roca sana, deslizamiento a través de caracteres estructurales de origen geológico como fallas, flexiones excesivas de las rocas de techo y muro de una explotación (por ejemplo debidas a la separación de estratos), o roturas inestables en el sistema como el estallido de pilares mediante la liberación repentina de energía potencial. Estas posibles maneras de respuesta de la roca definen las principales componentes de una metodología que pretende sentar las bases geotécnicas del diseño de excavaciones. La metodología incluirá por tanto los elementos siguientes:

• La determinación, de la manera más exacta y estandarizada posible, de las propiedades de resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos que rodean la excavación o se

encuentran en su entorno cercano.

• · La definición, a través de campañas de reconocimiento y de los ensayos de laboratorio apropiados, de la estructura geológica del macizo rocoso (incluyendo la localización, espaciado, persistencia y propiedades geotécnicas de las discontinuidades que aparecen en las zonas afectadas por la excavación).

• El establecimiento de la distribución de presiones de agua en el dominio afectado por la excavación mediante técnicas de piezometría, puesto que la presión de agua en las fisuras influye de manera muy significativa sobre la posibilidad de deslizamiento de bloques siguiendo planos de debilidad estructural.

•  El desarrollo de técnicas analíticas o numéricas para evaluar cada uno de los posibles modos de respuesta del macizo rocoso en función de las condiciones de excavación de la obra y la geometría final propuesta.

 

Estas bases indican que la mecánica de rocas aplicada al diseño de excavaciones parte de conceptos convencionales de la ingeniería y de la lógica. Por ello resulta sorprendente el hecho de que esta metodología no comenzara a ser aplicada habitualmente sino en las tres o cuatro últimas décadas y previamente sólo se utilizara el diseño basado en la experiencia.

Diversos factores han contribuido a la relativamente reciente aparición de la mecánica de rocas como una tecnología de importancia. Tal vez la causa más importante sea la creciente dimensión de las obras civiles y el incremento los niveles de producción de las explotaciones mineras que ha llevado aparejada la economía a gran escala (mejora de la rentabilidad con mayor nivel en la producción). A su vez, las grandes inversiones necesarias para a llevar a cabo grandes proyectos han ido exigiendo mayores niveles de seguridad en su comportamiento a medio y largo plazo y por tanto técnicas más rigurosas en el desarrollo de su diseño y planificación operativa y temporal. 

El aumento del tamaño de los proyectos ha exigido el desarrollo de procedimientos de diseño cada vez más efectivos. La necesidad de extraer recursos minerales y realizar túneles y obras en ambientes poco favorables ha proporcionado un ímpetu significativo a la investigación en mecánica

de rocas. Por último, la reciente concienciación social relativa a la conservación de recursos y del medio ambiente y a la seguridad laboral se han reflejado en la mecánica de rocas a través de investigaciones enfocadas a incrementar la eficiencia en la construcción de obras y a mejorar los niveles de seguridad, disminuyendo el índice de siniestralidad laboral.

Siniestralidad laboral Cuidado del Medio Ambiente

1.2.3Diferencias básicas entre mecánica de rocas y de suelos Desde sus orígenes en los años 60 y a lo largo de su evolución ha habido la tendencia de 

considerar la mecánica de rocas como una disciplina derivada o "subordinada" de la mecánica de suelos. A pesar de la similitud de los principios básicos existen una serie de aspectos clave que permiten la clara distinción de ambas, entre los que conviene destacar: Los procesos de rotura de rocas intactas implican mecanismos de fracturación como 

generación y crecimiento de grietas en un medio seudo-continuo, mientras que en suelos la rotura no afecta a la integridad mecánica de cada uno de los granos individuales.

Los suelos, en las condiciones normales de operación, se suelen encontrar sometidos a campos de tensiones débiles, siendo lo contrario usual en las rocas.

Las rocas suelen tener módulos elásticos manifiestamente (cientos de veces) mayores que los suelos y lo mismo sucede con la resistencia. 

El flujo de agua en rocas es conspicuo, esto es se produce siguiendo fisuras o canales determinados, lo que suele originar niveles bajos de permeabilidad, mientras que en suelos el flujo se produce a través de los poros que deja el entramado de partículas sólidas

En definitiva se podría decir desde un punto de vista mecánico que un suelo es un medio continuo formado por multitud de pequeños elementos discontinuos mientras que un macizo rocoso sería un medio discontinuo formado por un número finito de grandes elementos continuos.

Suelo Macizo Rocoso