2 Diseño de Obras Subtarráneas-caserones
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7/26/2019 2 Diseo de Obras Subtarrneas-caserones
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MIN-314(C2)Diseo de obras subterrneas
INGENIERA DE ROCASPROFESOR : SOLEDAD MAASS V.
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1.- Diseo de Obras Mineras
Subterrneas
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Obras
Mineras
S
ubterrneas
Caserones
Pilares
Tneles
Chimeneas ypiques
Cavernas
Puntos deextraccin
Puntos de vaciado
Buzones
Carpetas derodados
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Diseo de Caserones
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Caserones
Depende del volumen de mineral que se desea extraer en una unidadde explotacin ( ley de corte), de las dimensiones del yacimiento y lacalidad del macizo rocoso.
Los caserones se consideran una unidad bsica de explotacin.
Dependiendo de la estabilidad de paredes, techo ,requerimientos delmtodo y operacionales, estos se pueden dejar vacos (sub levelstoping), rellenos (cut and fill) o dejarlos colapsar (caving).
El diseo de caserones se realiza con la metodologa de Mathews(1981) quien incorpora una relacin entre la estabilidad del macizorocoso y el tamao/forma de la excavacin expuesta.
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Caserones
Se disea para minimizar dilucin y maximizar recuperacin.
El largo y el ancho del casern estn determinados por lacantidad de dilucin a incluir en el mtodo los cuales sonfuncin del macizo rocoso (nmero de estabilidad) y el rea aabrir (radio hidrulico)
El alto del casern est tambin definido por el largo mximo aperforar (tpicamente mx. 80m)
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Radio Hidrulico/Factor de Radio
Perimetro
AreaRH
techoRH
paredRH
Radio Hidrulico
Plan area of a stope crown
1
1
2 1nRF
n r
Factor de Radio
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Grfico de estabilidad de
Mathews (1981)El mtodo, ms que una herramienta estricta de diseo, es unagua para el anlisis sistemtico del macizo rocoso, permitiendoal diseador notar singularidades o posibles condiciones deinestabilidad que afecten al casern.
Parmetros
Estabilidad Dilucin
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Original Mathews
Estable: sin soporte olocalizado
Inestable: Falla localizada
La excavacin fallara
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Grfico de Estabilidad
Se utiliza para estimar laestabilidad del techo del
casern y el tamao de lapared colgante.El radio hidrulico es una
medida del tamao de laexcavacin
Potvin, 1998175 casos de estudio
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Grfico de estabilidad/caving
After Stewart and Forsyth, 1995
Estable: 10% dilucinPotencial inestable: 10-30 %dilucin
Falla Potencial: dilucin mayora 30%
Caving: derrumbe total hastallenar el casern
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Descripcin del Mtodo
El procedimiento de diseo est basado principalmente en elclculo de los siguientes parmetros:
Nmero de Estabilidad Modificado (N): Representa la
cualidad del macizo rocoso para auto soportarse bajo unacondicin de esfuerzos dada.
Factor de Forma o Radio Hidrulico (S): Representa el tamao
y la forma de la superficie crtica del casern analizado.
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Descripcin del Mtodo
NUMERO DE ESTABILIDAD (N)
El nmero de estabilidad, algebraicamente, queda definidocomo:
N=Q A B C
Utilizando los valores obtenidos (N) y (S), la estabilidad delcasern es estimada con los grficos anteriores (dependiendodel caso).
El diseo del casern usando el mtodo grfico de estabilidad
es un proceso iterativo. Para partir con dimensiones razonables para el casern
dependemos de los accesos para perforacin, consideracionesmineras, tanto prcticas como econmicas.
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Nmero de estabilidad (N)
_
mod _ _ _
_
int_ _
_
N numero estabilidad
Q ified tunel quality index
A stress factor
B jo orientation factor
C gravity factor
N Q A B C
r
n a
JRQDQ
J J
Donde Q = Q modif icado
RQD= rock quality designation
Jn=nmero de sets
Jr= rugosidad de fracturas
Ja= alteracin
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Nmero de Estabilidad de Mathews
Donde :
Q: ndice de calidad de tnel de Barton ajustado A : Factor de esfuerzos que representa inestabilidades en las
paredes de la excavacin debido a esfuerzos compresivos altosrelativo a la resistencia a la compresin uniaxial de roca intacta.Vara entre 0.1 a 1.0.
B : Factor de orientacin de discontinuidades. Representa lainfluencia de la orientacin de discontinuidades relativo a lasuperficie de la excavacin. Vara entre 0.3 a 1.0
C : Factor de ajuste por gravedad. Representa la influencia de lagravedad en la estabilidad de la superficie de la excavacin. Varaentre 1 a 8.
N Q A B C
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Factores de Ajustes
El factor A sedeterminagrficamenteutilizando laresistencia uniaxial
de la roca intacta(UCS) y el esfuerzoinducido en la lneacentral del casern
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Determinacin de Esfuerzos
Inducidos
Los esfuerzos inducidos se pueden determinar mediante:
Soluciones analticas : considerar caso elipses en 2DMtodos numricos: 2D o 3D
Mtodos grficos
Para ello se debe :
Determinar esfuerzos in-situ: medidos o regionales (v y h o k) Determinar dimensiones en planos (vertical y horizontal) del casern
anlisis es en 2D Determinar esfuerzos inducidos en paredes laterales, colgante/yacente y
techo Para cada caso se calcula A
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Solucin analtica: Elptica
2 2
2(1 2 ) (1 )
2 2( 1 ) ( 1 )
;
a
A
b
B
A B
Wp k q p k
k Hp k p k
qb a
a b
Wq H
Radio de curvatura
W
a
b
p
kp
HA
B
-
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Solucin analtica - Caserones
1/ 2
1/ 2
2(1 )
21 ( )
1 2 ( / )
a
b
B
b
Wk
p H
HK Kp
K K H W
p
P
W
kPH
A
B
W/2
-
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Resultados Analticos
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25
H/W
B/p
K=2
K=1.5
K=1.0
K=0.5
k
Los esfuerzos en B (techo o back) aumentan con la propagacinde la excavacin en la vertical. (considerando S1 horizontal).
P
W
kPH
A
B
W/2
-
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Resultados analticos
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 5 10 15 20 25
H/W
A
/p
K=2
K=1.5
K=1.0
K=0.5
Los esfuerzos en A (colgante/pendiente) disminuyen con lapropagacin de la excavacin en la vertical (relajacin)
k
P
W
kPH
A
B
W/2
-
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Tipos de Relajacin Elstica
E f I d id M di
-
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Esfuerzos Inducidos por Medio
de Modelos Numricos
Ejemplo modelamientonumrico en Phase-2D
Mtodo grfico Esfuerzos
-
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Mtodo grfico :Esfuerzos
Inducidos 2DCasern a 1000 metros de profundidad en un cuerpo quetiene un ancho de 25 metros, largo 30 metros, altura 75 m,mantea 80.
25 m
Plano 2
Plano 1
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Esfuerzo Inducidos Mtodo
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Esfuerzo Inducidos- Mtodo
Grfico (crown y side wall)
Ejemplo (caso techo):Casern a de altura 75 metros y 25 metros deancho ubicado a 1000 metros de profundidad
Se calculan esfuerzos inducidos en planovertical
Sv=27 Mpa (in-situ)
K=1.4
Sh=38 Mpa (in- situ)
Casern en ese plano:
H=75 m
A=25 m
H/A=3
Si/sv=2.6 (esfuerzos en el techo)
Si=2.6 x 27 Mpa= 70 Mpa (esfuerzo inducido)
h2
vTecho
-
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Pared lateral
sh2
sh1
30 m
H=30 m
W=25
H/W=1.2
K=1
Si=38 Mpa
-
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Esfuerzos inducidos pared
colgante (hanging wall)
Se estiman los esfuerzos inducidos:
A lo largo del plano verticalperpendicular al rumbo (H=75 m,
W=25, k=1.4)
Si valores
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Factor de Ajuste por
Orientacin de Estructuras: B
Se ajusta el nmero de estabilidad de acuerdo a la orientacinrumbo y manteo de las estructuras con respecto a la pared enestudio
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Factor Gravitacional: C
A mayor inclinacin menor tendencia a que ocurra undeslizamiento de cuas pre-formadas.
8 7cos( )
_ _
C
manteo desde horizontal
Dilucin planeada y no
-
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Dilucin planeada y noplaneada
Fuentes de dilucin
Primaria: producto de la minera o mtodo de explotacin.
Secundaria: producto de inestabilidades no planeadas
Dilucin =Dilucin primaria +Dilucin secundaria
-
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Dilucin Primaria/Secundaria
Dilucin Primaria: Generalmente se considera en depsitos angostosDepende de la tecnologa utilizada para realizar la mineraPerforacin manualPerforacin mecanizadaDilucin Secundaria:
Inestabilidad o sobre-excavacin debido aInestabilidad por condiciones geotcnicasInestabilidad por dao debido a tronadura
Factores adicionales que afectan la estabilidad en vetas
Perforacin y tronadura Efecto del tiempo Relajacin Dao por esfuerzos Geometra del casern Corte de la pared yacente (undercut) Mtodo de explotacin
Medida de dilucin estimada
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Medida de dilucin estimadaELOS
olcaseronaltura
excavacinsobrevolumenELOS
arg*_
__
Medida de dilucin secundaria que no depende del ancho delcasern (toneladas mineral)
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Mt d d P di i
-
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Clark, 1998. Mtodos de estimacin de dilucin en SLS
Mtodo de Prediccincaserones tipo SLS
Zona estable solo daotronadura: ELOS < 0,5 m
Inestabilidad: ELOS: 0,5-1m
Inestabilidad mayor: ELOS:1-2 m
Zona colapso > ELOS: 2 m
Prediccin Usando
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Prediccin Usando
Probabilidades de Falla
Se habla de probabilidad de estar en alguno de los estados:
1. Estable
2. Falla/falla mayor
3. Caving
2.9603 -1.4427 ln S + 0.7928 ln Nz
zep
1
1Logit values
Ref: Mawdesley, et al (2000)
Clculo de Probabilidad de
-
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Clculo de Probabilidad deFalla
P r o b a b i l i ti e s D e n si ty F u n c ti o n s
0 . 0 0
0 . 1 0
0 . 2 0
0 . 3 0
0 . 4 0
0 . 5 0
0 . 6 0
0 . 7 0
0 . 8 0
0 . 9 0
1 . 0 0
0.
00
0.
10
0.
20
0.
30
0.
40
0.
50
0.
60
0.
70
0.
80
0.
90
1.
00
Logit Va lues
Probability
S t a b l e
F a i l u r e
C a v i n g
S t ab l e z o n e
CavingZ
one
C o m b in e d f ailu r e a n d
m a jo r f a il u r e z o n e
C r o w n ( 0 .5 6 7 )
1 0 % S t a b le
9 0 % F a ilu r e & M F
0 % C a v in g
N o r t h En d w a ll ( 0 . 8 9 5 )
7 8 % S t a b le
2 2 % F a ilu r e a n d M F
0 % C a v in g
S o u t h E n d w a ll ( 0 .9 3 9 )
9 3 % S t a b le
7 % F a ilu r e & M F
0 % C a v in g
F o o t w a ll ( 0 . 9 5 1 )
9 6 % S t a b le
4 % F a ilu r e & M F
0 % C a v in g
H a n g i n w a ll ( 0 . 6 8 2 )
1 4 % S t a b le
8 6 % F a ilu r e & M F
0 % C a v in g
F a i lu r e &
M a j o r F a i lu r e
p
-
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Modelos de dilucin
Caserones aislados
D =5,9- 0,08RMR-0,11ER+0,98HR
Caserones con pilares
D =8,8- 0,12RMR-0,018ER+0,6HR
Caserones con pilares y losas
D =16,1- 0,22RMR-0,11ER+0,9HR
Donde:
D: % dilucin
RMR: clasificacin macizo rocoso (Bieniaiswki, 1989)ER (m2/mes): razn de exposicin (volumen excavado/mes/ancho casern)
HR (m): radio hidrulico de pared expuesta
Ref. Pakalnis (1993)
d l
-
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Estimacin dilucin en vetas
angostas1. Anlisis geomecnico de estabilidad Realizar anlisis emprico de estabilidad, considerando modificaciones al factor decorreccin de esfuerzos por relajacin. Requerimientos de relleno Requerimientos de cables para aumentar estabilidad2. Predecir dilucin
Pared plotea como EstableTronadura en linea: 1,3 mTronadura desfasada: 1,5 mTronadura tipo dado 5:1,7 m
Si ancho veta > 1,2 entonces 0,6 m adicionales (prob perdida mineral < 5%)Pared es Inestable
Vetas < 0,7 mEn lnea : 1,6 mVetas > 0,7 mDesfasada o Dado 5: 2.1 m3. Predecir estabilidad de socavacin de pared yacente
N < 5 ,se produce de todos modos falla (se agrega a la dilucin)N > 5 , el radio hidraulico puede considerarse al caso de la pared colgante
d l
-
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Estimacin dilucin en vetas
angostas4. Evaluar el potencia de esfuerzos inducidos en estabilidad
previa (dao)
Mtodos de determinacin de dao
Grafico de estabilidad emprico de pilares (confinamiento
medio, Pakalnis)Determinacin de esfuerzo deviatorico:
s1s3 > 0, 4 UCS
Determinacin de esfuerzos normales
Sn > 0,8 UCS
Si hay potencial dao
Aumentar dilucin en 0,10, 3 m
-
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RESUMEN (SLOS)
Diseo de caserones (SLOS)
Estimar la geometra del casern (ley de corte)
Estimar esfuerzos in situ e inducidos
Establecer luz mxima de techo y paredes
Analizar orientacin de caserones longitudinales otransversales
Establecer dilucin esperada (ELOS)
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Caserones CUT &FILL
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Caserones CUT &FILL
-
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Definicin de estabilidad
Excavacin estable
No ha habido cadas de terreno que no puedan sercontroladas
No se observado movimiento del techo
No ha existido necesidad de soporte extraordinarioPotencialmente inestable
Se ha tenido que instalar extra soporte
El techo se mueve continuamente
Aumento de rehabilitacinInestable
El rea ha colapsado
El soporte no fue efectivo para mantener estabilidad
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Prediccin de Caving
-
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Mecanismos de caving
Desconfinamiento o caving gravitacional inducido pordiscontinuidades
Stress Caving el cual envuelve falla de corte endiscontinuidades y fracturamiento de roca.
Susbidence caving No hay caving
Ref: Brown, 2003. Block Caving Geomechanics
R k T li Q lit Q
-
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Mecanismos de
caving
(Moss et al2004)
0.01
0 20
Rock Mass Rating, RMR
Rock Tunneling Quality, Q
Ma
ximu
mI
nduce
dComp
ress
ive
Stress
inExca
va
tion
Boun
dary
Uniaxia
lComp
ress
ive
Streng
thofIntac
tRoc
k
Ra
tio:
6040 80
(Base Graph after Hoek, 1981)
100
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Extremely Very Extr. Exc.Poor Poor Good G.
Poor
Very Poor Poor Fair Good Very Good
Fair Good V.G.
0.1 1 4 10 40 100 400 1000
Not Practical
Stress Indu ced
Stableto Maintain
Caving not
Practical
Failure
Gravity Caving
Openings
LEGEND :
Successful Cave
Caving required inducement
Stress Caving
Caving required inducement
Coarse fragmentation
A
BC
D
EF
GH
I
Aproximaciones al Anlisis de
-
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Aproximaciones al Anlisis deHundibilidad
Experiencia prctica
Grficos empricos de estabilidad
Anlisis estructural
Anlisis numrico
Grfico Hundibilidad de Laubscher
-
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Grfico Hundibilidad de Laubscher(after Bartlett 1998)
Solo usarMRMR < 50
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Grfico de Estabilidad de Laubscher Curva
de El Teniente (Flores & Karzulovic 2003b)
Radio hidralico
MRMR
-
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Grfico de Estabilidad de Mathews (after
Mathews et al 1980)
(m)
ExtendedMathews stability graph for open stopes based on
-
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Extended Mathews stability graph for open stopes based on
logistic regression (Mawdesley et al 2001)
Shape Factor, S or Hydraulic Radius (m)
StabilityNum
ber,N
Isoprobability contours for stable cases (Mawdesley et al 2001)
-
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Isoprobability contours for stable cases (Mawdesley et al 2001)
Shape Factor, S or Hydraulic Radius (m)
StabilityNum
ber,N
Isoprobabilitycontoursforcombined failureandmajor
-
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Isoprobability contours for combined failure and major
failure cases (Mawdesley 2002)
100
Shape Factor, S or Hydraulic Radius (m)
StabilityNum
ber,N
ExtendedMathews stability graph basedon logistic regression
-
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Extended Mathews stability graph based on logistic regression
showing the stable and caving lines (Mawdesley 2002)
Shape Factor, S or Hydraulic Radius (m)
StabilityNum
ber,N
-
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Referencias Bibliogrficas
Mawdesley, C., Trueman, R, Whiten, W.J., Extending thestability graph for open stope design, Trans. Inst. Min. Metall.110: January-April, 2001.
Potvin, Y., Hadjigeorgiou, J., The stability graph method for
Open Stope Design. Underground Mining MethodsEngineering fundamentals and International Case Studies, pp.513.
Stewart, P. , 2005. Minimising dilution in narrow vein mines.PhD Thesis,The University of Queensland.
Pakalnis, Empirical design methods- UBC Geomechanics
Sourineni, Tannant, Kaiser, Dusseult, 2001. Incorporation of afault factor into the stability graph method: Kidd Mine CaseStudies. Min. Res. Eng.vol.10, pp 3-37.
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7/26/2019 2 Diseo de Obras Subtarrneas-caserones
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MIN-314(C2)Diseo de obras subterrneas
INGENIERA DE ROCAS
PROFESOR : SOLEDAD MAASS V.