Proyecto metodologia i. uce
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Proyecto de Metodología de la Investigación Página - 1 UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y AMBIENTAL CARRERA DE INGENIERÍA EN MINAS ANÁLISIS DE PROPIEDADES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS EN MINAS SUBTERRÁNEAS DE LA CORDILLERA ANDINA AUTOR: Lasluisa G. Evelyn TUTOR: Ing. Byron Guerrero MSc. PERÍODO: Abril - Septiembre del 2015. QUITO – ECUADOR
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Proyecto de Metodología de la Investigación Página - 1
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y
AMBIENTAL
CARRERA DE INGENIERÍA EN MINAS
ANÁLISIS DE PROPIEDADES GEOMECÁNICAS
DE LOS MACIZOS ROCOSOS EN MINAS SUBTERRÁNEAS
DE LA CORDILLERA ANDINA
AUTOR:
Lasluisa G. Evelyn
TUTOR:
Ing. Byron Guerrero MSc.
PERÍODO: Abril - Septiembre del 2015.
QUITO – ECUADOR
Proyecto de Metodología de la Investigación Página - 2
INDICE GENERAL
CAPITULO I ................................................................................................................................. 5
1.1 Planteamiento Del Problema ........................................................................................ 5
1.2 Formulación del problema ............................................................................................. 5
1.3 Objetivos .......................................................................................................................... 6
1.31 Objetivo General: ........................................................................................................... 6
1.32 Objetivos Específicos: ................................................................................................... 6
1.4 Justificación e Importancia ............................................................................................ 7
1.5 Metodología de la investigación ................................................................................... 7
CAPITULO II ............................................................................................................................... 8
MARCO TEORICO ..................................................................................................................... 8
2.1 Cordillera Andina ................................................................................................................. 8
2.2 Características geológicas, tectónicas, sísmicas. ........................................................ 10
2.3 Breves características de yacimientos del andes ......................................................... 12
2.4 Macizo Rocoso ................................................................................................................... 13
2.5 Características geomecánicas de las rocas andinas ................................................... 15
2.6 Principales formas de pérdidas de estabilidad .............................................................. 15
CAPITULO III ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS .............................. 17
3.1 Análisis de resultados .................................................................................................. 17
3.2 Interpretación de resultados ...................................................................................... 17
3.3 Propuesta ....................................................................................................................... 18
CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 18
RECOMENDACIONES............................................................................................................ 18
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 19
Fuentes Electrónicas ........................................................................................................... 19
ANEXOS .................................................................................................................................... 20
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TÍTULO: ANÁLISIS DE PROPIEDADES GEOMECÁNICAS DE LOS
MACIZOS ROCOSOS EN MINAS SUBTERRÁNEAS DE LA CORDILLERA
ANDINA
AUTOR: Lasluisa G. Evelyn
RESUMEN
La estimación del comportamiento mecánico del macizo rocoso de labores subterráneas localizadas en la Cordillera Andina, entre los países del sur de Chile, en donde los Andes se extienden en cadenas paralelas por Argentina, Bolivia, Perú, Ecuador, Colombia y Venezuela (Javier G. Ed., 2013); de esta gran zona se escogerán las localidades más representativas de cada país y con mayor producción o reservas de minerales. Permitiendo identificar las características topográficas, geológicas, tectónicas, hidrológicas, sísmicas y geotécnicas que condicionan la ocurrencia frecuente de procesos y fenómenos geodinámicos que ocasionan movimientos de la superficie. La clasificación está basada en la modificación de los indicadores geotécnicos como el espaciamiento de fracturas y abertura, resistencia lineada a la compresión de la roca intacta, acción del agua, grado de meteorización. La metodología propuesta ofrece información de las condiciones geotécnicas y revela factores de inestabilidad para los cuales deben aplicarse medidas de estabilización y de control de los procesos de alteración de las rocas. Este análisis permite definir los modelos geomecánicos que caracterizan en forma representativa el macizo en las minas. Para controlar las pérdidas producidas por los movimientos de los macizos se propone una distribución geotécnica de los suelos y rocas según la susceptibilidad al deterioro, así, se lograra identificar que el macizo rocoso se comporta como un material lineal, elástico, isotrópico y homogéneo. Así mismo, cercano a las caras de las excavaciones, por la distensión de la roca y el cambio del estado de esfuerzos, se pueden desarrollar fallas de tipo cuñas por la propagación de las fracturas en los planos de discontinuidad. Estos resultados hacen más confiable la evaluación o pronóstico de estabilidad, campo tensional, riesgos y otros que se realice, todos de gran importancia para la actividad del proyecto, construcción y explotación de obras subterráneas, para un mejor aprovechamiento de las condiciones geológicas de la zona.
PALABRAS CLAVES: Macizo rocoso, Clasificación geomecánica,
Clasificación geotécnica, Macizo-Fortificación.
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INTRODUCCIÓN
La demanda de materiales se hace cada vez mayor y, por consiguiente, se
hace cada vez más necesaria la explotación de los recursos minerales para
abastecer el desarrollo tecnológico actual. La extracción de los minerales de
las entrañas de la tierra puede realizarse por el modo a cielo abierto o por el
subterráneo. La profundidad del yacimiento de los cuerpos minerales y la
afectación al medio, son los aspectos fundamentales en que se basa la
ciencia minera para elegir un modo u otro. Los retos actuales que nos impone
la naturaleza para su protección, prevé que en un futuro no muy lejano, la
explotación de los yacimientos se realice mayormente por el modo
subterráneo.
Las rocas y suelos de la región andina están afectados por el grado de
meteorización, su deterioro dificulta la aplicación de técnicas y métodos
geotécnicos apropiados para abordar los problemas regionales de
estabilización de terrenos. Es por ello, que el análisis y cuantificación del
deterioro, permite preveer el comportamiento futuro de estos materiales, y su
influencia en la estabilidad de los techos del interior de la mina subterránea. El
debilitamiento de la resistencia de las rocas y suelos como consecuencia de
los cambios físicos ha sido el objetivo del estudio, por lo que el propósito del
estudio fue proponer una clasificación geomecánica de los suelos y cuerpos
rocosos según la susceptibilidad al deterioro, y al mismo tiempo, establecer
métodos que puede ser utilizados para la prevención, mitigación y
estabilización de las fortificaciones. Cada zona tiene sus particularidades, que
lo hacen distinto uno del otro, por lo que es difícil encontrar una definición
única para un modelo geotécnico que satisfaga todos los casos.
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CAPITULO I
El Problema
1.1 Planteamiento Del Problema
La zona andina en general, no cuenta con una planificación de labores
mineras en la actualidad. Lo que constituye un problema para la realización
rentable y segura de los trabajos mineros subterráneos, el no conocer las
propiedades mecánico estructurales del macizo, no poseer un análisis
detallado de las características de las rocas y no contar con un estudio de
estabilidad del macizo teniendo en cuenta su comportamiento tensional y
deformaciones. Por ello, las investigaciones de campo y de laboratorio, deben
ser las suficientes para poder caracterizar en la medida las características
geomecánicas del terreno, así como los posibles mecanismos de rotura,
beneficiando tanto a los dueños de la licencia minera como a los trabajadores
de las minerías. Teniendo en cuenta lo anterior es de gran importancia
determinar los métodos y tipos de estructuras que serán utilizados en las
labores para la explotación del mineral, a partir de la caracterización y
clasificación geomecánica del yacimiento, y determinar la calidad y la clase
del macizo rocoso, para estimar parámetros de estabilidad de techos.
1.2 Formulación del problema
¿La caracterización y clasificación geomecánica de macizos rocosos en la
zona Andina, permitirá estimar parámetros de estabilidades de los techos de
las galerías y elaborar métodos para establecer fortificaciones óptimas
reduciendo los riesgos de seguridad minera y por consiguiente mejorando la
protección ambiental?
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1.3 Objetivos
1.31 Objetivo General:
Analizar las propiedades geomecánicas de cuerpos rocosos a través de
información certificada de revistas, publicaciones científicas, etc., de las zonas
en las cuales se localizan las minas subterráneas de la cordillera andina
durante los últimos veinte años.
1.32 Objetivos Específicos:
Aislar las propiedades de los cuerpos macizos encontradas en la cordillera
andina.
Revisar la información geológica y geotécnica relacionada con la zona
puesta a estudio.
Aportar de una forma directa con métodos para la fortificación de los
pilares subterráneos conforme a las características de cada zona rocosa.
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1.4 Justificación e Importancia
Al realizar las obras subterráneas, se rompe el estado tensional de
equilibrio que existía en el macizo antes de su apertura lo que da lugar a una
redistribución de tensiones que incide directamente en el comportamiento de
las rocas que circundan las excavaciones. Por tal motivo la explotación se
realiza de manera empírica e irracional, no prediciendo alturas de los techos,
ni elaborando materiales para soportar la carga de los mismos, en este
sentido se requiere de manera urgente conocer el comportamiento geotécnico
que enfrenta la zona, por lo que el conocimiento del comportamiento de los
cuerpos macizos frente a sus posibles roturas, repercute enormemente en la
seguridad de la mina y en los costos de producción de la empresa.
Esta investigación permite caracterizar el macizo rocoso de las minas
subterráneas, a partir de lo cual se pueden definir las diferentes formas de
pérdidas de estabilidad y modelos geomecánicos de interacción macizo-
fortificación lo que permite darle un tratamiento diferenciado durante la
realización de diferentes tareas de diseño y construcción, beneficiando a la
producción minera y la eficiencia del trabajo dentro de las labores.
1.5 Metodología de la investigación
El enfoque a emplear en el trabajo investigativo, es: empírico-analítico-
cualitativo y cuantitativo cuyo interés es el técnico, orientado a la
interpretación y transformación de ideas, las cuales serán plasmadas en el
papel, de allí partir a una solución, la cual será soportada por los
conocimientos adquiridos en las materias fundamentales de la carrera.
Esta metodologíapuede ser generalizada para el estudio de cualquiermacizo
rocoso tanto subterráneo como de superficie.
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CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1 Cordillera Andina
La cordillera de los Andes es una cadena de montañas de América del
Sur comprendida entre los 11 ° de latitud N y los 55 ° de latitud S,
atravesando Argentina, Chile, Perú, Bolivia, Ecua
dor, Colombia y parte de Venezuela.
Los Andes constituyen una enorme masa
montañosa que alberga los volcanes más altos
del planeta. (EcuRed)
Origen
Se formó al final de la era Secundaria, a
finales del Cretácico tardío, por el movimiento
de subducción de la placa de Nazca debajo de
la Placa Sudamericana. Los movimientos sísmicos y la
actividad volcánica posteriores han tenido más importancia en la
configuración del relieve que los agentes erosivos externos. En la morfología
actual se encuentran elevadas cordilleras, junto con extensos altiplanos y
profundos valles longitudinales paralelos a los grandes ejes montañosos.
Los valles transversales son escasos, salvo en los Andes argentinos-chilenos.
(EcuRed)
Fig. 1 Topografía de la
cordillera andina
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Etapas de conformación de la cordillera
Fig. 2 Arco isla inicial (jurásico) Fig. 3 Aparición de arco tectónico
Conformación actual de la cordillera andina
Fig. 4 Imagen de satélite donde puede apreciarse el eje de subducción y el complejo sistema Andino en su sector central.
Fig. 5 División en dos ramales: cordillera occidental y cordillera oriental
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2.2 Características geológicas, tectónicas, sísmicas.
Geología
Los Andes son el resultado del movimiento de las placas tectónicas, el
que ocurre desde el periodo Mesozoico. Los Andes se han levantado por
la subducción de placas oceánicas por debajo de la placa Sudamericana. Las
placas que actualmente son subducidas son la de Cocos, Nazca y
la Antártica. Antes de formarse los Andes el margen occidental de
Sudamérica ya había sido el lugar de varias orogenias. (Morales César, 2004,
p. 201).
El vulcanismo en los Andes se distribuye en la actualidad principalmente
en cuatro sectores:
Zona volcánica norte (Colombia y Ecuador),
Zona volcánica central (Argentina, Bolivia, Chile y Perú),
Zona volcánica sur (Argentina y Chile)
Zona volcánica austral (Argentina y Chile).
Vulcanismo y actividad sísmica de la cordillera
La cordillera andina cuenta con una gran actividad sísmica y volcánica
debido a la tectónica de subducción que tiene lugar frente a las costas
pacificas del continente americano.
Mientras que la actividad sísmica afecta a toda la cordillera de manera
más o menos uniforme, la actividad volcánica tiene una distribución más
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irregular, apareciendo amplios tramos donde la ausencia de volcanes es
absoluta. (Unesco, Los movimientos en el planeta Tierra, pág. 85)
Sectores con actividad volcanica
Encontramos actividad volcanica en el sector occidental de los Andes
buena parte de Colombis, Ecuador, sur de Perú y Bolivia y también en franjas
discontinuas a lo largo de los andes chilenos y sur de Argentina, en Tierra de
Fuego.
Zonas con ausencia de vulcanismo
En estos sectores, en lugar de formaciones volcánicas y plutónicas,
encontramos unicamente montañas generadas por la compresión de las rocas
sedimentarias a lo largo de millones de años en los que se han generado
plegamientos y cabalgamientos de gran magnitud y complejidad.
Fig. 6 Formación de plegamientos.
En estos sectores, en lugar de formacuones volcánicas y plutónicas,
encontramos únicamente montañas generadas por la compresión de las rocas
sedimentarias a lo largo de millones de años en los que se han generado
plegamientos y cabalgamientos de gran magnitud y complejidad.
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A lo largo de la cordillera de los andes la actividad sismica es sumamente
elevada y a diferencia de los volcanes, en el caso de los terremotos, afecta de
manera bastantemente uniforme a toda la región. No obstante, los efectos
sobre la superficie de este tipo de fenomenos es mas notable cuanto más
cerca de la costa se produce el seísmo debido a que la profundidad del plano
de subduccion es mas proxima a la superficie cuanto mas cerca nos
encontramos de la fosa tectonica que hay frente a las costas. (Unesco, Los
movimientos en el planeta Tierra, pág. 71).
Fig. 7 Distribucion de actividad sismica en la cordillera Andina.
2.3 Breves características de yacimientos del andes
El volcanismo es un mecanismo descrito tradicionalmente como generador
de acumulaciones metálicas: muchos yacimientos de sulfuros guardan
relaciones cuanto menos de proximidad geográfica con rocas volcánicas, lo
que sin duda es una indicación de su vinculación genética. De todos los tipos
con los que se ha establecido relación con volcanismo, el caso más claro
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probablemente corresponde a los yacimientos de tipo Kuroko o tipo Faja
Pirírica ibérica, es decir, yacimientos de sulfuros polimetálicos masivos, con
pirita como mineral mayoritario. En muchos otros casos la vinculación con el
volcanismo es menos evidente, y se describen como yacimientos
sedimentarios con posible influencia de procesos volcánicos.
En todos los casos, cuando se habla de relaciones entre volcanismo y
yacimientos minerales la base empírica es que el proceso de volcanismo
aporta elementos químicos, entre ellos metales pesados, que por lo general
se liberan al medio. Esto es un hecho de observación, y en ocasiones vemos
en la prensa noticias alarmantes sobre las emisiones de estos elementos de
mayor o menor toxicidad a la atmósfera (CO2, SO2). Incluso en alguna
ocasión se han publicado en la prensa los kilogramos de oro que un volcán
está emitiendo, como si el volcán emitiese monedas de este metal. Lo cierto
es que estas emisiones se producen en forma gaseosa, y que es necesario
algún mecanismo geoquímico que fije los metales para que pueda formarse
un yacimiento, evitando la dispersión de los metales.
El descubrimiento en determinados puntos de los fondos oceánicos de
los denominados "black smokers", chimeneas de descarga de sistemas
hidrotermales submarinos ha permitido observar de forma directa la formación
de estas concentraciones. (Sampedro, Javier. 2014)
2.4 Macizo Rocoso
Conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. Presenta carácter
heterogéneo, comportamiento discontinuo y normalmente anisótropo,
consecuencia de la naturaleza, frecuencia y orientación de los planos de
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discontinuidad, que condicionan su comportamiento geomecánico e
hidráulico.
Interacción entre la roca intacta y las discontinuidades
El macizo rocoso consta de dos componentes principales: la roca
“intacta” y las discontinuidades (incluyendo diaclasas y fallas). La
caracterización del macizo rocoso representa un intento de descripción del
modo en que la roca se comportará en su condición de material para la
ingeniería. Como tal, la caracterización debe incorporar no solo las
propiedades físicas del área bajo consideración, sino también la escala, las
condiciones de carga, y los modos de falla a los que el diseño se verá
expuesto. Sucede a menudo que la “caracterización del macizo rocoso” se
realiza en base a una serie de sistemas de índices geotécnicos de la calidad
de la roca, es decir, sistemas empíricos basados en el comportamiento de
roca “similar” que ha sido encontrada en otras excavaciones. En sí, esto es
insuficiente. En la mayoría de los casos, el macizo rocoso será anisotrópico y
habrá variación en las características (incluyendo las propiedades físicas) que
afectan al diseño en las diferentes orientaciones y bajo las distintas
condiciones de carga. Por lo tanto, la caracterización del macizo rocoso debe
incluir una caracterización detallada de las propiedades del material (mediante
pruebas), tanto para la roca intacta como para las discontinuidades bajo los
valores de carga a los que se verán expuestos, además de una evaluación
detallada de los parámetros geológico-estructurales determinantes.
(González, A., 1989).
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Fig. 8 Tipos de interacciones de túnel-macizo.
2.5 Características geomecánicas de las rocas andinas
En la década de los años 60, se define una nueva y principal función de la
ciencia, de gran importancia en la actualidad: El pronosticar. En esta etapa,
tiene gran peso la investigación teórica, jugando esta un gran rol en la
elección de las direcciones de desarrollo de la ciencia y también en la
resolución de diferentes tareas, elaboración de metodologías e
interpretaciones de los resultados experimentales obtenidos. Como parte del
análisis del comportamiento del macizo fueron determinadas y analizadas las
principales propiedades físico mecánicas y los índices de estabilidad de las
rocas en las obras objeto de estudio. (A. Joao, 1998; Cartaya, 1996; Gutiérrez
G., 1996).
2.6 Principales formas de pérdidas de estabilidad
Pérdida de estabilidad por desprendimientos
La pérdida de estabilidad del macizo por el desprendimiento, a causa
de su propio peso de una zona fracturada es característica de los macizos
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rocosos afectados (estratificados, agrietados, con planos de clivaje y otros). El
mecanismo por el que se produce esta pérdida de estabilidad es bastante
simple de explicar: El peso de la roca que yace sobre la excavación es mayor
que la resistencia al cortante de la roca, por lo que la roca se separa del
macizo y cae.
Pérdida de estabilidad por desplazamiento, deformación y destrucción
de la roca en el contorno de la excavación
En este caso la pérdida de estabilidad se produce cuando las tensiones
actuantes en el contorno de las excavaciones sobrepasan el valor de la
resistencia de la roca. O sea, la condición de estabilidad del macizo, en el
caso más general, viene dado por la siguiente expresión:
σ-Rc ≤ 0 donde s, son las tensiones actuantes y Rc la resistencia a
compresión de la roca.
Pérdida de estabilidad por desplazamiento de la roca sin su destrucción
Aquí el macizo se considera como un medio elástico-plástico
homogéneo en el que se van a producir desplazamientos y deformaciones
significativas en la roca del contorno de la excavación, sin su destrucción. En
este caso, a una profundidad (H) de la excavación mayor que la límite (He), o
sea, H>He, alrededor de la excavación se forma una zona de deformaciones
plásticas sin la destrucción de la roca. (Gansser, 1973, pág. 93–131).
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CAPITULO III ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
3.1 Análisis de resultados
A partir del análisis de las propiedades físico-mecánicas de las rocas, del
estado en que se encuentra el macizo rocoso y de sus características
mecánico-estructurales se establecen los siguientes modelos geomecánicos
para caracterizar el macizo rocoso generalmente.
3.2 Interpretación de resultados
Los modelos analizados en las minas de la región andina que aportaran en la
economía sin existir pérdidas.
Modelos
Modelo elástico Presente en sectores sanos del macizo donde se ha producido poca
deterioro por el clima y la fracturación no es significativa.
Modelo rígido-
plástico.
Las deformaciones plásticas son mucho mayores que las elásticas y
estas se pueden despreciar. El macizo está donde se forman zonas de
rocas destruidas que actúan sobre la excavación.
Modelo elástico-
plástico.
Se presenta en zonas poco intemperizadas y en sectores donde el
agrietamiento no sea significativo. Este se caracteriza porque se
presentan dos tipos de deformaciones en el macizo, la elástica y la
plástica. Se producen solo deformaciones elásticas y, al sobrepasar las
tensiones, es plástica.
Modelo elástico-
plástico de
interacción macizo
fortificación
Cuando las deformaciones plásticas del macizo rodean la excavación
no se evidencia destrucción. La parte del macizo rocoso situada fuera
de la zona de deformaciones plásticas interviene en el proceso de
carga a la fortificación.
Modelo rígido-
plástico de
interacción macizo
fortificación
El volumen de roca fracturada no depende de la profundidad de la
excavación, sino de las características de resistencia de las rocas y los
parámetros geométricos de la zona.
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3.3 Propuesta
Para la región andina, en la cual existen grandes acumulaciones de cuerpos
mineralizados por la geología que esta tiene, se observa que en cada zona
hay una variedad de macizos con diferentes propiedades, las cuales son de
gran importancia para crear un modelo y diseñar a base de este las
fortificaciones que serán construidas dentro de las minas para mantenerlas
sin que existan derrumbes ni deterioro del material con el que se construye.
CONCLUSIONES
Del estudio integral detallado efectuado en los macizos se
determinaron las principales formas de pérdidas de estabilidad, su
principio de acción y las causas que las provocan
Se proponen los modelos geomecánicos y modelos de interacción
macizo-fortificación teniendo en cuenta el comportamiento mecánico-
estructural del macizo rocoso por sectores de excavación estudiados.
Es posible, mediante la clasificación de los macizos rocosos en
modelos geomecánicos y modelos de interacción macizo-fortificación,
dar a cada sector del macizo un tratamiento diferenciado, tanto en el
estudio tenso-deformacional, como de evaluación de la presión minera.
RECOMENDACIONES
Para este tipo de proyectos, se recomienda informarse con mayores
argumentos para una excelente conclusión y resultados que se
puedan generar.
Enfatizar en el problema con mayor interés para una adecuada
investigación y complementar preguntas que se van generando.
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BIBLIOGRAFÍA
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de julio de 2015
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inglés). www.los6000dechile.cl. s/f. Consultado el 17 de julio de 2015
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ANEXOS
Tabla 2. Principales características geomecánicas de rocas en los diferentes yacimientos. (Cartaya, 1996)
Ilustración 1. Fortificaciones en el interior de las minas.
Ilustración 2. Fortificación en una mina de roca rígida-plástica.
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Ilustración 3. Fortificaciones en una mina de roca plástica - elástica.
Ilustración 4. Diagrama de pérdidas de estabilidad.
