sismicidad inducida por el minado
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Milton Niraldo Tinoco Contreras
Mecánica de Rocas Aplicada a la Minería
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
1.- ¿Qué es Sismicidad Inducida?
2.- Respuesta del Macizo Rocoso a las Excavaciones
Mineras.
3.- Tipos de Eventos Sísmicos.
4.- Tipos de tenciones: caso Mina Uchucchacua
5.- Modelamiento Numérico: caso Unidad Minera
El Porvenir (MILPO)
6.- Aplicación de Modelamientos Numéricos.
7.- Criterio de Diseño de las Excavaciones Mineras.
Rockburst.
8.- De stressing y Pre condicionamiento.
9.- Monitoreo y Control de Eventos Sísmicos
10.- Conclusiones.
11.- Bibliografía utilizada.
Sismicidad inducida se refiere a la relación que existe entre la remoción de grandes masas de roca, los cuales generan tensiones en el macizo rocoso que se deforma, adquiriendo una energía potencial de deformación. Esta energía al ser liberada se propaga mediantes ondas mecánicas que viajan en el macizo rocoso producientes movimientos, desprendimientos de rocas, chispeos y hasta Rockburst (Estallido de Rocas). Todo esto no es mas que la Respuesta del Macizo Rocoso a las Excavaciones Mineras.
Respuesta a los cambios en los campos de esfuerzo
debido a la minería. Redistribución o reacomodo de
Esfuerzos In situ.
El ajuste del macizo rocoso se logra con la
redistribución de esfuerzos y deformaciones a través
de:
Activación de fracturas existentes
Generación de nuevas fracturas
El proceso de ajuste involucra la caída de rocas en
las excavaciones, liberación de energía de
deformación, y generación de sismos.
La severidad del proceso de ajuste es gobernado por
tres parámetros principales:
Campo de esfuerzos que existen antes de la minería
Características del macizo rocoso
Tamaño y forma de las excavaciones mineras
Respuesta de la roca a los cambios de la energía
Deformación del
refuerzo, el
fracturamiento de
la masa rocosa y
la creación de
ondas sísmicas
requiere
energía.
Caso I Caso II
Análisis de las energías presentes en la interacción
del minado con el macizo rocoso.
Variación de la Energía potencial (Wt)
Energía almacenada de la roca quitada (Um)
Energía formada como resultado de la ampliación (Wt + Um)
Energía de tensión almacenada en la roca circundante (Uc)
Energía restante o energía lanzada (Wr)
HIPÓTESIS: Si la roca fuera quitada instantáneamente ésta causaría
vibraciones en el MR, y el equilibrio sería restaurado por la descarga y la
energía sísmica de proceso. Para las condiciones.
Energía cinética (Wk)
Luego por onservacion de la Energia tenemos que la energia que tiene que
ser lanzada es: Wr = Um + Wk
La eficacia Sísmica (W k/Wr).
Es un cociente usado para describir el potencial de rockburst. Es la energía cinética ó sísmica respecto a la energía lanzada.
Estudió un stope sin soporte El cociente W k /W r
demuestra que 72 % de
la energía lanzada total
son energía sísmica.
1. Crush o rompimiento
2. Slip o deslizamiento
3. Crush (dyke)/ slip (plano dyke)
4. Slip o deslizamiento
Efecto de la topografía del terreno.
Cuando la profundidad
(z) aumenta, el efecto de
la topología se reduce y
las tensiones principales
reasumen las mismas
orientaciones que habrían
tenido si la superficie de
terreno fuese horizontal.
Tensiones tectónicas.
“Estas se pueden dividir en dos grupos, tensiones
tectónicas activas y esfuerzos remanentes tectónicos”
(Amadei y Stephansson,1997, ref.2).
Tensiones Residuales.
Se define como “El estado de tensión que aún
permanece en la masa rocosa después de originado el
mecanismo”. Las tensiones pueden volverse a su
equilibrio inicial (Hyett et al., 1986, ref.3).
Tensiones inducidas.
También llamadas secundarias, son el resultado de la
redistribución de las tensiones primarias debido a un
disturbio, en nuestro caso Labores Mineras.
Cuando una mina crece, la zona disturbada, campo de
tensión, también crece.
Las tensiones inducidas son los resultados del sistema
de explotación y su interacción con los techos a
excavar, la consistencia de la roca cambia.
Un modelamiento numérico es una simulación de la
realidad de una excavación.
Un modelo con una geometría muy precisa pero sin
datos geológicos, no se acerca a la realidad.
Podemos aumentar la precisión de la simulación
introduciendo campos de esfuerzos in situ, sistemas
de fallas, plegamientos, sismicidad, etc.
Un modelamiento numérico trabaja en base a 4 sistemas de ecuaciones:
Condiciones de equilibrio
Condiciones de continuidad: el material ni se crea ni se destruye dentro del modelo.
Condiciones de elasticidad
Condiciones de no linealidad: El comportamiento del material no es uniforme al cambio de los esfuerzos a los que se le somete.
La RESOLUCION DE ESTAS ECUACIONES DENTRO DEL VOLUMEN DE ROCA ESTUDIADA ES: “MODELAMIENTO DE ESFUERZOS”
Tipos de software para modelamiento:
Elementos finitos:
Phase 2
FLAC
Abacus
Elementos de borde:
MAP 3D
Ex3D
Besol
Observación del
Macizo Rocoso
Modelamiento
Numérico
Resultado
com
para
r
Los Modelos Numéricos nos ayuda a INFERIR valores como factores de
seguridad, probabilidad de falla , etc.
El estudio se realizo en: EL PORVENIR - ZONA NORTE (BLOCK ENTRE EL NIVEL -970 Y -1170
Litología: caliza, intrusivo diorítico, mármol, brecha, skarn mineralizado y skarn estéril.
El azimut promedio del cuerpo mineralizado es de 95° y buzamiento entre 77° y 80°.
La falla regional Milpo-Atacocha se ubica al Oeste y no se ha considerado su influencia para el caso de el modelamiento.
Plano de Sismicidad – Zona Norte
METODO PRÁCTICO:
Celda de Medición
PODEMOS OBSERVAR LA DIFERENCIA DE LOS RESULTADOS CON RESPECTO
AL MÉTODO TEÓRICO. ADEMÁS LA CLARA DIFERENCIA QUE EN EL
PRIMERO EL ESFUERZO MAXIMO ES VERTICAL, CUANDO EN REALIDAD ES
SUB HORIZONTAL.
Para el caso de la zona norte el esfuerzo
principal es longitudinal a la dirección de los
tajos lo cual explica la menor sismicidad con
respecto al resto de la mina.
INTEGRACION DE LOS DATOS DE SISMICIDAD INDUCIDA
DENTRO DEL MODELAMIENTO NUMERICO CON MAP 3D -
SEISMICITY INTEGRATOR
Ahora analizaremos algunas formas geométricas.
Existe una relación entre los esfuerzos y el Macizo
Rocoso, y qué relación con la excavación mineras.
Las fisuras de
mayor longitud
coincidirían con
la dirección del
esfuerzo principal
mayor del macizo
rocoso
Se puede definir como el desprendimiento o
proyección súbita y violenta de grandes bloques de
roca como consecuencia de las presiones ejercidas
en el contorno de una excavación.
Esto origina un exceso de energía que tiene que ser
liberado, muchas veces de forma violenta.
Estos eventos producto del esfuerzos inducidos
generalmente ocurren a grandes profundidades y
puede venir del techo, de hastiales, del piso o del
mismo frente.
Movimiento brusco o vibración (evento
sísmico) de suficiente magnitud para
causar daño a excavaciones y soportes,
o caída de rocas. Un rockburst es una
consecuencia de la minería. No todos
los eventos sísmicos son causados por
el rockburst.
Efectos Geodinámicos - Rockburst.
Mecánica de Producción de un Estallido de Rocas
debido a factores Geodinámicos.
Influencia de Dominios Geomecánicos de gran
diferenciación estructural.
Efectos Geodinámicos - Rockburst.
Control de Estallidos de Rocas. Liberación de Energía
en las zonas detectadas de concentración de estas.
Sondajes diamantinos, perforación convencional,
voladuras inducidas, etc.
Estrategias de control de Rockburst
Criterios de Diseño:
ERR (Energy Release Rate): Razón de liberación de energía.
ESS (Excess Shear Stress): Esfuerzo de Cizalle excesivo.
Metodos de mitigación del rockburst.
Razón de liberación de energía (ERR).
Se define como una medida de concentración de esfuerzos en las paredes de la excavación (hastiales, caja techo, piso e incluso del frente de avance. En paredes irregulares, intersecciones, pilares, y remanentes son áreas de alta concentración de esfuerzos, es decir de alto ERR.
Es decir si reducimos el ERR (Esfuerzo) alrededor de las excavaciones se puede reducir el potencial de ocurrencia de rockburst.
Definamos estrategias, estas incluyen: Relleno
pilares de mayor altura o ancho
Dimensionando apropiado de los anchos de los Tajeos.
Influencia de la Geometría Minera en el ERR.
Efecto del Ancho del Stoping en el ERR
Esfuerzos Presentes
en la Masa Rocosa.
Concentración de
esfuerzos inducidos
en las proximidades
de labores mineros
contiguos.
Esfuerzo de Cizalle excesivo (ESS)
Se define como una medida del evento de deslizamiento potencial que puede ocurrir en una estructura geológica.
El ESS (Cizalle) puede usarse como una herramienta cuantitativa para el back-analysis de eventos sísmicos.
Siguiendo métodos de mitigación del rockburst que se basan en ESS: Explotación hacia fallas en un Angulo oblicuo
Confirmación de beneficios al implementar rellenos y estabilización de pilares.
τ < 0, Indica Estabilidad
τ > 0, Indica Probable Estabilidad
Niveles de ESS requeridos para un
evento sísmico:
5 < τ <10 MPa (plano de debilidad)
τ= 20 MPa (ruptura roca intacta)
Pre Condicionamiento:
Es ablandar una región tan densa sometida a esfuerzos a una zona de micro rajaduras. El ablandar conducirá a una respuesta mecánica de la masa rocosa. Esto se realiza comúnmente usando taladros cargados de mayor longitud que de los de producción.
Aunque también se podría usar un rompimiento por presión hidráulica.
Esto puede ser usado para reducir el potencial de la falla violenta, cualquier dureza de la roca debe ser promovida a ser disminuida con el corte de superficies existentes de la fractura.
Haciendo esto podemos
disminuir la concentración del
los esfuerzos. Llamamos a esto
“RELAJACION DEL MACIZO
ROCOSO.
Este método de relajamiento fue
usado el en Proyecto del Túnel
Olmos, cuando tuvieron
problemas de estallido de rocas.
Destressing.
Este método de relajamiento tiene que ver con la
geometría de la excavación y podríamos hacer una
analogía con un ensayo de compresión uniáxica.
Recomendaríamos que los diseños de las excavaciones
estén directamente relacionados con la orientación de
los esfuerzos, así prevendríamos desde el diseño las
futura sismicidad inducida.
Exposición de una pequeño volumen masa
rocoso a un gran esfuerzo inducido.
Exposición de una gran volumen de macizo
rocoso a un gran esfuerzo inducido.
Determinación de índices de la roca susceptible a estallidos
Para determinar las propiedades esfuerzo-deformación de las rocas en Uchucchacua se realizo los ensayos de laboratorio en la máquina Cervo Controlada MTS-815 en Polonia. Como el resultado se consigue la curva completa esfuerzo-deformación de la muestra y fueron determinadas las energías específicas.
En base al índice de energía potencial elástico PES, se elaboró una clasificación:
Grado I:PES < 50 kJ/m- rocas sin disposición a estallidos
Grado II:50 < PES < 100 kJ/m- rocas de pequeña disposición a estallidos
Grado III:100 < PES < 200 kJ/m- rocas con disposición considerable a estallidos
Grado IV:PES > 200 kJ/m- rocas de muy fuerte disposición a estallidos
Supervisión Micro sísmica
Cuenta con 24 geófonos distribuidos en tres niveles de la mina Carmen, la de mayor riesgo sísmico.
Zonificación de rocas susceptibles a estallidos
Se tienen sectorizadas las áreas de mayor riesgo a estallidos, proporcionando indicadores de alarma frente a una alta, regular o baja concentración de sismicidad que pueda llevar a un estallido de rocas, por efecto de la sismicidad inducida de la producción y avances en los sectores de riesgo mencionados.
Volumen de deformación sísmica
Puede ser estimado a partir de la relación establecida Log V = 9.58 + 1.47* mb (cm³)
Pero como este cálculo de volumen pide magnitudes mb, pero en Uchuccacua se está trabajando con magnitudes ML y Mw, se procedió a realizar la conversión de magnitud con la siguiente fórmula:
Ms = 2.08*mb - 5.74
Mw = 2.25 + 0.655*Ms
Conocido el volumen esférico de la masa afectada por el sismo,
su radio puede ser:
r³ =3/4*V/ 3.142
Siendo r el radio del volumen esférico dado en metros. El radio de este volumen esférico proyectado en planta, permite definir un área circular que puede ser utilizada como un indicativo real del tamaño de los eventos.
ML: Magnitud Richter
Mw: Magnitud Momento
Lectura de un sismogramo:
Acontecimientos que exceden de 0.5 de magnitud de Richter, que desplaza más de 10 toneladas de roca en una abertura, o tiene un pico de amplitud mayor de 30 milímetros en un sismógrafo, se clasifica como acontecimientos sísmicos grandes o rockbursts.
Los acontecimientos sísmicos, micro sísmicos ó pequeños sismos se definen como acontecimientos que desplazan menos de 1 a 2 m3 de material en una abertura de la mina, tienen una magnitud menos de 0.5 de Richter, o resultan ó están dentro de menos de 30 milímetros de desplazamiento (amplitud) en un sismógrafo.
Zonas de riesgo sísmico nivel 4060
mina Carmen – Uchucchacua.
Medidas Tácticas
Se ubicaron zonas de riesgo y, asociado al monitoreo macro
sísmico, se establece como estándar reforzar las labores
planificadas dentro de las zonas con elementos de sostenimiento
diseñados con capacidad de absorción de energía liberada.
Debemos de contar con diferentes equipos y elementos de soporte
para contrarrestar cualquier evento de riesgo, ya sea estático o
dinámico.
Ejemplo de cálculo de diseño de soporte para el nivel 3990 mina Carmen con:
1. Mw (magnitud momento) de + 0.6 y con Energía Liberada 7.E 4 Joules
2. Shotcrete con fibra 530 Joules/m2 de energía de absorción
3. Pernos con energía de absorción de 2200 Joules/m2.
4. ŸÁrea afectada por el estallido 20m2
5. ŸFS(factor de seguridad requerido) 1.4
6. ED = 70000/20*1.4 = 4900 Jules/m2 (necesarios)
7. Sostenimiento: 2 (pernos) + 1m2 (shotcrete)
8. (2+2200) + 530 = 4930 Joules/m2
El sostenimiento absorbe la energía liberada con un FS = 1.4
Rampas y ventanas, superficie de influencia (medida en el techo de la excavación de 2.70x2.70m, por metro lineal de avance) = 2.2 m2 fortificación en base a 3 split set + malla electro soldada, total de energía disponible = 3*5 kj + 1.2 kj/m2 *2.2m2= 17.64 kj.
Cruces Rampas y ventanas, superficie de influencia (techo de intersección entre rampa y ventana)=4m2, fortificación en base a 9 split set + malla de fortificación tipo electrosoldada, total de energía disponible 9*5kj + 4m2*1.2kj/m2=49.8 kj.
Tajo (excavación de producción), superficie de influencia (En techo de excavación) = 24m2, fortificación en base a 15 split set + malla, total de energía disponible 15*5kj+1.2kj/m2*24m2=103.8kj
1. Cambiando la forma de una abertura también disminuye las concentraciones de la tensión en localizaciones desfavorables.
2. La prevención de estallidos requiere el análisis de casos particulares y el uso de un control conveniente de la velocidad de progreso del frente. Esta velocidad influye sobre la velocidad de deformación de las rocas.
3. Daños inducidos en los mecanismos de estabilidad:
Reducción de las capacidades de carga de los Pernos de Anclaje.
Reducción de las propiedades mecánicas de los Pernos de Anclaje.
Reducción de las propiedades mecánicas de los encapsulantes.
Reducción de los límites de tenacidad del Shotcrete - Ruptura.
Efectos de craquelamiento interno en la zona de contacto roca y shotcrete.
Activación de agrietamientos de los empalmes en las cimbras.
1. Debemos de usar datos reales para hacer
simulaciones que reflejen se aproximen a los
eventos naturales. Para esto no podemos asumir
datos de otras experiencias de otras minas, es decir,
no convinimos realidades.
2. Debemos considerar la dirección y magnitud de los
esfuerzos principales en el diseño de la mina. Con
esto podemos también desestresar (relajar) o
redistribuir los esfuerzos el Macizo Rocoso.
SISMICIDAD INDUCIDA CONTROL Y PREVENCIÓN EN MINA UCHUCCHACUA David Regalado Palomino - Cía. de Minas Buenaventura SAA.
Control de estallidos de roca mina Uchucchacua. REVISTA SEGURIDAD MINERA ISEM.
Optimización del Diseño de Puentes en Ambientes de Altos Esfuerzos - Unidad El Porvenir Cía. Minera MILPO SAA. Aquiles Vivar Montañez e Iván Cáceres Cuadros. 8vo Congreso de Minería.
Mining Rock Mechanics “MITIGACION DE ROCKBURST” Prof. Ugur Ozbay. Department of Mining Engineering - Colorado School of Mines.
Aplicación y desarrollo de la Geomecánica en el Control de las Inestabilidades Subterráneas en proyectos mineros y civiles - Ing. Martín Flores Palacios.
Análisis de Formas Geomecánicas, para Controlar La Caída de Rocas, en Excavaciones Subterráneas. Miguel Angel Berrocal Mallqui.
Estimación de la Probabilidad de Eventos Sísmicos I nducidos por la Minería usando Modelos Numéricos Inelásticos de Escala de Mina. - D. Beck, F. Reusch y S. Arndt Beck Arndt Engineering, Sydney, Australia
“Un sueño es solo un sueño. Una meta es un sueño
con un plan y una fecha de vencimiento”
Harvey Mackay
“Mientras me quede algo por hacer, no habré
hecho nada”
Julio César