21 de Mayo del 2015

CARACTERIZACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO DENOMINADO CERRO VILLANUEVA EL CUAL SE ENCUENTRA UBICADO EL FRENTE UNO DE EXPLOTACION DE CALIZA EN LA COMPAA ARGOS PLANTA TOLCEMENTO.

CHARACTERIZATION OF ROCK MASS GEOMECHANICS NAMED "CERRO VILLANUEVA " WHICH IS LOCATED THE "FRENTE UNO" OPERATING COMPANY IN LIMESTONE PLANT ARGOS TOLCEMENTO.

Delis Antury, Dagil Liseth, Cabrales Helen, Arroyo Jonny, Mora GenitoFundacin Universitaria del rea Andina.Ingeniera de Minas, Sede Valledupar-Cesar.

ABSTRACTThe Tolcemento plant belonging to the company Argos, presents problems Rock sobretamaos product inappropriate blasting scheme for geomechanical rock mass conditions "Cerro Villanueva" where this located in front of the farm which they call "Faced One." The rock mass is sectoriz two main areas according to the geomechanical characterization, in order to obtain detailed information same to make the design of blasting. Schemes were designed drilling and blasting in accordance with the conditions of each area. these schemes were performed considering plant requirements, these consist primarily of design according to the team and diameter current drilling, and keep blasting agent (ANFO) used in the blasting.As the overall design goal to improve rock fragmentation, and According to the restrictions, the design was based on the change in height starting levels of the "Front A", this involved setting out all parameters related to drilling and blasting scheme. Change height was analyzed using variables closely related to it, such as the diameter of drilling equipment used and the load index or stiffness factor.A sequence of operation for the reduction of height in the starting levels was proposed. After analyzing several alternatives topography to bring the levels to a maximum height of 9 meters, it was concluded that the proposed sequence in the most viable because only 4-5 would increase the number of banks.Sobretamaos production is worrisome, geomechanics lowering them involves considerable overhead company, and encourages the extraction of the raw material. Therefore it is proposed in this project to implement the proposed changes to the scheme of drilling and blasting, although immediate changes will not be seen, these are a good alternative in the medium term in order to improve the fragmentation of limestone from the "Front one "operating.

KEYWORDS: Rock, Blasting, Front of Exploration, Explosives.

RESUMENLa planta Tolcemento perteneciente a la compaa Argos, presenta problemas de sobretamaos de roca producto de un esquema de voladura inapropiado para las condiciones geomecnicas del macizo rocoso Cerro Villanueva, en donde esta ubicado el frente de explotacin que ellos han denominado Frente Uno. El macizo rocoso se sectoriz en dos zonas principales de acuerdo a la caracterizacin geomecnica, con el fin de obtener informacin detallada del mismo para poder realizar el diseo de las voladuras. Se disearon esquemas de perforacin y voladura acordes a las condiciones de cada zona. Estos esquemas fueron realizados teniendo en cuenta los requerimientos de la planta, estos consisten primordialmente en disear de acuerdo al equipo y dimetro de perforacin actual, y mantener el agente explosivo (ANFO) utilizado en las voladuras.Siendo el objetivo general del diseo mejorar la fragmentacin de la roca, y de acuerdo a las restricciones del caso, el diseo se bas en el cambio de altura en los niveles de arranque del Frente Uno, esto implic el replanteo de todos los parmetros relacionados con el esquema de perforacin y voladura. El cambio de altura se analiz a partir de variables estrechamente relacionadas con la misma, como son el dimetro de perforacin, el equipo de cargue utilizado y el ndice o factor de rigidez.Se propuso una secuencia de explotacin para la disminucin de la altura en los niveles de arranque. Despus de analizar varias alternativas con topografa para llevar los niveles a una altura mxima de 9 metros, se concluy que la secuencia propuesta en la ms viable debido a que solo se aumentara de 4 a 5 el nmero de bancos.La produccin de sobretamaos es preocupante, la disminucin geomecnica de los mismos implica a la compaa un sobrecosto considerable, y encarece la extraccin de esta materia prima. Por esto se plantea en este proyecto la implementacin de los cambios propuestos para el esquema de perforacin y voladura, si bien no se vern cambios inmediatos, estos constituyen una buena alternativa a mediano plazo para lograr mejorar la fragmentacin de la roca caliza proveniente del Frente Uno de explotacin.

PALABRAS CLAVES: Roca, Voladura, Frente de Explotacin, Explosivos.

1. INTRODUCCINLa compaa Argos es una empresa que tiene como objetivo principal la fabricacin de cemento. Para el desarrollo ptimo de dicho objetivo, debe llevar a cabo una serie de procesos que tienen como actividad inicial la extraccin de materias primas conformadas por materiales como caliza, marga, arcillas y chert. Estos materiales son el aporte principal con su contenido mineral para la fabricacin del cemento.

La actividad desarrollada por Argos, esta enfocada en la obtencin de minerales, enmarcada dentro de una poltica que busca las mejores condiciones de seguridad; para sus trabajadores y para la comunidad que de una u otra forma interacta con los procesos de la empresa.

Particularmente la planta Tolcemento, perteneciente a dicha compaa y ubicada en el municipio de Toluviejo (Sucre) en el Km. 25 por la carretera que de Sincelejo conduce a Tol dentro de la extraccin de materias primas (calizas, margas, arcillas y chert), maneja la perforacin y voladura para el arranque de la caliza debido a la dureza que presenta este material para ser arrancado mecnicamente. Se manejan voladuras mensuales que no estn sujetas a los requerimientos de la planta en cuanto a produccin, adems se carece de un adecuado planeamiento minero que brinde una ptima organizacin en las actividades vinculadas exclusivamente a esta etapa.Los resultados obtenidos en cantera para el arranque de caliza con las voladuras en cuanto a la fragmentacin, desplazamiento y esponjamiento no han sido los mejores. Pero sin duda el principal inconveniente lo constituye la presencia de una gran cantidad de sobretamaos producto de un esquema de perforacin y voladura inadecuado, que deja en evidencia la necesidad de replantear lo que se tiene actualmente para poder mejorar la fragmentacin de la caliza lo que constituye el objetivo general de este proyecto. Para la consecucin de un esquema de perforacin y voladura adecuado, que deje como resultado una excelente fragmentacin; se debe contar con una informacin detallada del macizo rocoso (caracterizacin geomecnica) para poder conocer la mejor forma de manejar las variables involucradas dentro del diseo, as se obtiene informacin importante para un apropiado planeamiento minero, y se logra un mayor rendimiento en el proceso de extraccin y trituracin.

2. DETALLES EXPERIMENTALES

2.1 METODOLOGIA

Para la realizacin de estudio se tomaron los datos en una visita de campo para poder establecer la zona que se va estudiar, se siguieron los siguientes pasos: 1. Visita a campo. 2. Observacin de las muestras de roca caliza en varios de los niveles del Frente. 3. Determinacin de diaclasas y toma de un nmero representativo de datos (direccin y buzamiento, rugosidad, espaciamiento, continuidad, infiltracin, abertura.). 4. Caracterizacin de la roca para su posterior valoracin. 5. Anlisis de laboratorio para determinar las propiedades fsicas y mecnicas de la roca. 6. Recopilacin y anlisis de los datos. 7. Conclusiones y recomendaciones.

3. RESULTADOS

3.1 CARACTERIZACION DE LA MATRIZ ROCOSA

Para la caracterizacin de la matriz rocosa los aspectos que deben describirse en campo son la identificacin, meteorizacin o alteracin y resistencia a la compresin simple de la roca.

La identificacin de una roca se establece a partir de su composicin y textura, o relaciones geomtricas de sus minerales, las observaciones ms prcticas son la composicin mineralgica (ver litologa. Cuerpos de caliza), forma y tamao de los granos, color, transparencia y dureza.

El grado de meteorizacin (Ver cuadro 10) de la roca es una observacin importante en cuanto a que condiciona sus propiedades mecnicas. Segn aumenta la meteorizacin aumentan la porosidad, permeabilidad y deformabilidad del material rocoso, al tiempo que disminuye su resistencia.

La resistencia a la compresin simple de la matriz rocosa fue estimada por medio de ensayos (ASTM D 2166-91) en el laboratorio de mecnica de rocas y suelos de la UPTC Sogamoso.

La descripcin de las propiedades para la caracterizacin de la matriz rocosa la podemos observar de manera ms objetiva en el Anexo A el cual contiene el resultado de los diferentes ensayos realizados a muestras de roca provenientes del macizo rocoso. Estos ensayos estn divididos en propiedades fsicas y geomecnicas, realizados por el Laboratorio de Mecnica de Rocas UPTC Sogamoso y composicin qumica realizados por el laboratorio de Control de Calidad Argos Planta Tolcemento.

Los resultados estn ordenados en el Anexo A De la siguiente forma:

De las hojas A1 a A18 corresponden a los ensayos de mecnica de rocas (Resistencia a la compresin, Ensayo de carga por punta para resistencia y densidad, ensayo de carga por punta para propiedades fsicas, ngulo de reposo, ensayo de desgaste maquina de los ngeles, descripcin macroscopica de la muestra petrograficamente), estos estn de la siguiente manera: De la hoja A1 a la A6 para muestras tomadas en el nivel 90 del Frente Uno, de la hoja A7 a la A12 para muestras tomadas en el nivel 100, y de la hoja A13 a la A18 para muestras tomada en el nivel 130, la hoja A19 corresponde a las propiedades qumicas para muestras de las zonas I y II del macizo rocoso.

3.2 DESCRIPCION DE LAS DISCONTINUIDADES

Las discontinuidades condicionan de una forma definitiva las propiedades y el comportamiento resistente, deformacional e hidrulico de cualquier macizo rocoso. La resistencia al corte de las discontinuidades es el aspecto mas importante en la determinacin de la resistencia de los macizos rocosos duros fracturados, y para su estimacin es necesario definir las caractersticas y propiedades de los planos de discontinuidad (Ver cuadro 1).

ORIENTACION

Las discontinuidades sistemticas se presentan en familia con orientacin y caractersticas ms o menos homogneas. La orientacin relativa y el espaciado de las diferentes familias de un macizo rocoso definen la forma de los bloques que lo conforman. La orientacin de las discontinuidades con respecto a las estructuras u obras de ingeniera condiciona la presencia de inestabilidades y roturas a su favor.

En nuestro caso la orientacin de las discontinuidades que predominan (Estratificaciones tipo 1 y 2) es en promedio de 33 NW de buzamiento y azimut de 58 (2), y 76 NW de buzamiento y direccin de buzamiento de 135 (1). Estos datos han sido obtenidos a partir de las anotaciones descritas en el cuadro 1 y en la figura 4 podemos observar el anlisis por medio del software Dips.

ESPACIADO

El espaciado entre los planos de discontinuidad condiciona el tamao de los bloques de matriz rocosa y, por tanto, define el papel que este tendr en el comportamiento mecnico del macizo rocoso, y su importancia con respecto a la influencia de las discontinuidades. El espaciado lo describimos de acuerdo a los trminos del cuadro 2.

En nuestro caso el espaciado promedio para las estratificaciones tipo 1 y 2 es de 30 cm. Y 70 cm. respectivamente. Claramente podemos concluir que son espaciados muy pequeos, sobre todo el de la estratificacin tipo 1. Esto hace que el macizo se encuentre altamente fracturado y presente un comportamiento istropo, controlado por las propiedades del conjunto de bloques ms o menos uniformes.

Fotografa 10. Espaciado de estratificaciones tipo 1 y 2 respectivamente.

Junta Tipo.BuzamientoDir. Del buzamientoEspaciadoFormaAberturaRelleno

232 NW79

Las juntas con menor buzamiento, las cuales conforman un intervalo entre 22 NW y 49 NW; presentan un espaciado promedio de 70 Cm.

Las juntas con mayor buzamiento (72 NW a 89 NW),Conservan un espaciado promedio de 28 Cm.Escalonada

La abertura predominante para la estratificacin 1 de el macizo rocoso es de 5 cm, mientras que para la estratificacin 2 es de 2.6 cm

Todas las diaclasas estn rellenas con un material arcilloso con espesor acorde a la abertura de la columna anterior.

Es importante mencionar que en los niveles 90 y 100 se encuentra un sector de los bancos afectados en gran parte con un material arcilloso que se mezcla con la caliza. Adems en el nivel 90, a mas o menos 3 m. del piso del mismo se encuentra un estrato de dicho material de aproximadamente 80 Cm. De espesor.

23957Escalonada

178159Escalonada

177.5120Escalonada

189118Escalonada

22785Escalonada

24951Escalonada

21986Escalonada

18390Escalonada

179188Escalonada

182191Escalonada

23575Escalonada

23272Escalonada

22765Escalonada

24070Escalonada

23847Escalonada

22230Escalonada

22628Escalonada

22718Escalonada

22425Escalonada

23427Escalonada

17322Escalonada

174155Escalonada

175130Escalonada

172150Escalonada

173152Escalonada

174155Escalonada

172138Escalonada

173160Escalonada

175145Escalonada

175150Escalonada

22765Escalonada

24935Escalonada

23273Escalonada

23978Escalonada

22625Escalonada

23372Escalonada

23757Escalonada

22965Escalonada

181195Escalonada

176134Escalonada

172153Escalonada

16958Escalonada

183123Escalonada

16653Escalonada

179165Escalonada

182147Escalonada

Cuadro 1. Datos del levantamiento de diaclasas

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)Figura 4. Anlisis de diaclasas con software Dips. (a) Planos mayores formados por los dos tipos de discontinuidades presentes en el macizo. (b) Concentracin de polos. (c) Numero de polos formados de acuerdo al levantamiento de diaclasas. (d) Planos mximos aparentes formados. (e) Grafica de la cantidad de diaclasas con el mismo buzamiento. (e) Grafica de la cantidad de diaclasas con la misma direccin de buzamiento (Azimut).

Los valores resaltados en color rojo en este y todos los cuadros de este proyecto, son los correspondientes al macizo rocoso en estudio (Cerro Villanueva Frente Uno).

Cuadro 2. Descripcin del espaciado (ISMR)DescripcinEspaciado

Extremadamente juntoMayor a 20 mm

Muy junto20-60 mm

Junto60-200 mm

Moderadamente junto200-600 mm

Separado600-2000 mm

Muy separado2000-6000 mm

Extremadamente separadoMayor a 6000 mm

De acuerdo al cuadro anterior y nuestros espaciados promedio, el macizo rocoso esta en el intervalo de espaciado moderadamente junto (200-600 mm).

CONTINUIDAD O PERSISTENCIA

La continuidad o persistencia de un plano de discontinuidad es su extensin superficial, medida por la longitud segn la direccin del plano y su buzamiento. Es un parmetro de gran importancia pero de difcil cuantificacin (ver cuadro 3) a partir de la observacin de afloramientos, en los que normalmente se ven las trazas de los planos de discontinuidad segn un buzamiento aparente.

Cuadro 3. Valoracin para continuidad de diaclasas (ISMR) ContinuidadLongitud

Muy bajaMenor a 1m

Baja1-3 m

Media3-10 m

Alta10-20 m

Muy altaMayor a 20 m

Las discontinuidades (estratificaciones 1 y 2) presentes en el macizo Cerro Villanueva tienen una muy alta continuidad. Tambin las discontinuidades singulares (fallas) son continuas a lo largo de todos los niveles de explotacin.

RUGOSIDAD

La descripcin y medida de rugosidad tiene como finalidad principal la evaluacin de la resistencia al corte () de los planos.

El termino rugosidad se emplea para hacer referencia a la ondulacin de las superficies de discontinuidad, como a las rugosidades a pequea escala de los planos.

En nuestro caso se estimo la rugosidad de las discontinuidades utilizando la comparacin en campo con los perfiles de rugosidad (Ver figura 5) propuestos por ISMR (1981), llegando a la conclusin de que las dos estratificaciones se asemejan al perfil de rugosidad escalonada III (polida).

Figura 5. Perfiles de rugosidad ISMR (1981)

ABERTURA

La abertura es la distancia perpendicular que separa las paredes de la discontinuidad cuando no existe relleno (en el Cerro Villanueva todas las discontinuidades estn rellenas, sin embargo hemos considerado la abertura de las mismas debido a que son espesores relativamente grandes).

Este parmetro es muy variable debido a que en superficie puede ser alto, y reducirse con la profundidad. En el cuadro 4 podemos observar la descripcin de la abertura. La abertura predominante para la estratificacin 1 de el macizo rocoso es de 5 cm, mientras que para la estratificacin 2 es de 2.6 cm. Podemos concluir que son aberturas que afectan de manera significativa la resistencia al corte de las discontinuidades y modifican las tensiones que actan sobre las mismas.

Cuadro 4. Descripcin de la abertura (ISMR)AberturaDescripcin

Menor a 0.1 mmMuy cerrada

0.1-0.25 mmCerrada

0.25-0.5 mmParcialmente abierta

0.5-2.5 mmAbierta

2.5-10 mmModeradamente ancha (Tipo 2)

Mayor a 10 mmAncha

1-10 cmMuy ancha (Tipo 1)

10-100 cmExtremadamente ancha (Fallas)

Mayor a 1 mCavernosa

RELLENO

Las discontinuidades presentes en el macizo rocoso estn todas rellenas con un material arcilloso de naturaleza distinta a la roca de las paredes.

El relleno presente en los estratos tipo 1 tiene una mayor anchura que la de los estratos tipo 2, correspondiente dicha anchura a la longitud descrita para la abertura de estas discontinuidades. Al parecer fue la estratificacin tipo 1, debido a su mayor buzamiento, la que permiti el relleno de este material y por medio de esta se rellenaron los estratos tipo 2 (Ver fotografa 11).

Las propiedades qumicas de la caliza y del relleno presente en las diaclasas han sido descritas por el laboratorio de control de calidad de Argos-Tolcemento, en la hoja A19 cuadro 2 del Anexo A estn relacionadas, en ellas se explicara como este relleno contamina la caliza cuando se mezclan despus de realizadas las voladuras, junto con las anotaciones sobre el proceso correspondiente a la calidad de estas materias primas.

Fotografa 11. Relleno presente en las dos estratificaciones del Cerro Villanueva Frente Uno

FILTRACIONES

Los estratos tipo 1 debido a la abertura entre sus labios, permiten fcilmente la filtracin de agua a travs del macizo rocoso. Esta filtracin es frecuente en temporadas de invierno, y en temporadas secas debido a su circulacin se hace evidente en los niveles inferiores (100 y 90) de explotacin del macizo. De acuerdo a lo anterior podemos concluir que el macizo rocoso en cuanto a filtraciones clasifica en la clase II.

Cuadro 5. Descripcin para la clase de macizo rocoso de acuerdo a la filtracin (ISMR)ClaseDiscontinuidades sin rellenoDiscontinuidades con relleno

IJunta muy plana y cerrada y no parecePosible que circule aguaRelleno muy consolidado y seco. No es posible el flujo de agua

IIJunta seca sin evidencia de aguaRelleno hmedo pero sin agua libre

IIIJunta seca con evidencia de haber circulado aguaRelleno mojado con goteo ocasional

IVJunta hmeda pero sin agua libreRelleno que muestra seales de lavado, flujo de agua continuo (estimar caudal)

VJunta con rezume, ocasionalmente goteo pero sinFlujo continuoRelleno localmente lavado, flujo considerable segn canales preferentes (estimar caudal y presin)

VIJunta con flujo continuo de agua (Estimar el caudal en l/min y la presin)Relleno completamente lavado, presiones de agua elevadas

3.3 PARAMETROS DEL MACIZO ROCOSO

Es necesario adems de la descripcin de los componentes del macizo rocoso, la matriz rocosa y discontinuidades para la caracterizacin global, considerar parmetros relevantes del conjunto. Estos son descritos a continuacin.

NMERO Y ORIENTACION DE LAS FAMILIAS DE DISCONTINUIDADES.

El comportamiento mecnico del macizo rocoso, su modelo de deformacin y mecanismos de rotura estn condicionados por el numero de familias de discontinuidades. La orientacin de estas familias con respecto a la obra sobre el terreno, determina la estabilidad de la misma y en nuestro caso la forma de disear un apropiado esquema de perforacin y voladura.

Como ya hemos mencionado, las discontinuidades presentes en el macizo son dos estratificaciones (ver fotografa 3). Estas discontinuidades las hemos denominado tipo 1 y tipo 2 de acuerdo a la incidencia de las mismas en el comportamiento mecnico del macizo rocoso. Adems se ha descrito en captulos anteriores su orientacin junto con otros parmetros propios de la caracterizacin geomecnica (ver cuadro 1, levantamiento de diaclasas).

La orientacin de estas familias de diaclasas (ver figura 6) esta descrita de acuerdo a el norte magntico que daba la brjula en su lectura al momento del levantamiento. Todas las diaclasas fueron levantadas en los frentes de arranque de los diferentes niveles de explotacin (90, 100, 110, 120) en el Frente Uno (Cerro Villanueva), y los bloques formados por la interseccin de las mismas junto con el buzamiento de cada una de ellas la podemos observar en la figura 7 (Ver Anexo B. corte c-c).

Podemos utilizar el nmero de familias de discontinuidades para establecer una clasificacin inicial del macizo rocoso, utilizando el cuadro 6 de clasificacin de macizos rocosos por el numero de familias de discontinuidades propuesto por la SMR (1981).

Figura 6. Familias de diaclasas (estratos) presentes en los niveles de arranque Frente Uno

Figura 7. Tamao de bloques formados por interseccin de juntas

Cuadro 6. Clasificacin del macizo rocoso de acuerdo al nmero de familias (ISMR)Tipo de macizoNumero de familias

IMasivo, discontinuidades ocasionales

IIUna familia de discontinuidades

IIIUna familia de discontinuidades mas otras ocasionales

IVDos familias de discontinuidades

VDos familias de discontinuidades mas otras ocasionales

VITres familias de discontinuidades

VIITres familias de discontinuidades mas otras ocasionales

VIIICuatro o mas familias de discontinuidades

IXBrechificado

TAMAO DEL BLOQUE E INTENSIDAD DE FRACTURACION

El tamao de los bloques que forman el macizo rocoso afecta de manera importante su comportamiento. La dimensin y forma de los bloques son definidas por las familias de discontinuidades descritas anteriormente (Familia 1 (estratos tipo 1), Familia 2 (estratos tipo 2)), su orientacin, su espaciado y continuidad. La descripcin del tamao caracterstico de bloque presente en el macizo rocoso lo podemos realizar de tres formas descritas a continuacin.

INDICE DE TAMAO DEL BLOQUE (Ib)

Mediante este ndice se representa las dimensiones medias de los tipos de bloque medidos en el afloramiento. En nuestro caso tenemos una roca de origen sedimentario con planos de estratificacin que constituyen dos familias de discontinuidades, el Ib vendra definido por:

Ib = (e1+e2+e3)/3 (Ec. 1)

Siendo e1, e2 y e3 (tomado 1 m3) los valores medios del espaciado de las tres familias de discontinuidades. El Ib del macizo rocoso es aproximadamente 0.9 m3 (Ver figura 7).

PARAMETRO Jv

Mediante este parmetro se representa el nmero total de discontinuidades que interceptan una unidad de volumen (1 m3) del macizo rocoso. Es normal determinar el valor de este parmetro contando las discontinuidades de cada familia que interceptan una longitud determinada, midiendo perpendicularmente a la direccin de cada una de las familias (de esta manera se realizo para esta caracterizacin).

No de discontinuidades Jv = --------------------------------- (Ec. 2) Longitud de medida

En nuestro caso como tenemos un macizo rocoso con dos familias de discontinuidades (J1 y J2):Jv = (No J1/L1) + (No J2/ L2)

La longitud a medir depender del espaciado de cada familia, variando normalmente entre 5 y 10 metros. La longitud de medida para la evaluacin de este parmetro en el macizo rocoso fue de 1 metro cbico. Se hicieron varias medidas pero todas obedecan a 10 y 12 fisuras en un metro cbico por lo que el calculo para este parmetro se hizo teniendo en cuenta solo estos dos valores.

Jv = (10fisuras/1m3) + (12 fisuras/1m3) = 22

El valor Jv lo podemos relacionar con el tamao de los bloques formados de acuerdo al cuadro 7.

Cuadro 7. Relacin del tamao del bloque y JvDescripcinJv (discontinuidades/m3)

Bloques muy grandesMayor a 1

Bloques grandes1-3

Bloques de tamao medio3-10

Bloques pequeos10-30

Bloques muy pequeosMayor a 30

De acuerdo entonces, a la forma, tamao e intensidad de los bloques formados en el macizo, podemos tener en cuenta otra clasificacin para este de acuerdo al cuadro 8.

Cuadro 8. Clasificacin del macizo de acuerdo al tamao del bloque y forma del mismo (ISMR)ClaseTipoDescripcin

IMasivoPocas discontinuidades o con espaciado muy grande

IICbicoBloques aproximadamente equidimensionales

IIITabularBloques con una dimensin considerablemente menor que las otras

IVColumnarBloques considerablemente con una direccin mayor que las otras

VIrregularGrandes variaciones en el tamao y forma de los bloques

VITrituradoMacizo rocoso muy fracturado

RQD (Rock quality designation)

A pesar de su utilidad, las clasificaciones relacionadas anteriormente no consideran todos los aspectos que inciden en las condiciones del macizo rocoso, por lo que no son suficientes para describir las caractersticas de la fracturacin del mismo; estos aspectos adicionales los cubrimos con descripciones de campo y testigos de sondeo obtenidos del macizo.

En la planta se cuenta con testigos recuperados de sondeos (ver fotografa 12) en cantidad suficiente para brindar un valor confiable del RQD. Estos sondeos han sido llamados pozos, y podemos observar la ubicacin en el macizo rocoso de cada uno de ellos en el Anexo B (Plano del Frente Uno).

Fotografa 12. Pozos de Cerro Villanueva para clculo de RQD.

Se utilizaron los tres procedimientos para el clculo del RQD de la siguiente forma:

- Primer procedimiento. Se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos de testigo mayores que 10 cm en el intervalo de testigo de 1.5 m. Este procedimiento se pudo realizar gracias a que se cuenta en la planta con testigos recuperados de sondeos. La ecuacin es la siguiente:

RQD = (( testigos 10 cm.) / 150 cm.)) * 100 (Ec. 3)

Para este primer procedimiento se hicieron tres clculos del RQD (RQD1, RQD2 Y RQD3), debido a que se cont con un buen nmero de pozos. Para este clculo se tuvieron en cuenta los valores de los testigos que se acercaban a 10 cm. Y estos fueron los siguientes:

(13+12+10+10) cmRQD1 = --------------------------- * 100 = 30% 150 cm

(17+22+11+12+14+10) cmRQD2 = ------------------------------------- * 100 = 60% 150 cm

(10+13+14) cmRQD3 = ------------------------ * 100 = 25% 150 cmEl RQD final de este primero procedimiento se llamo RQD y es el promedio de RQD1, RQD2 Y RQD3 as:

30%+60%+25%RQD = ----------------------- = 40%3

- Segundo procedimiento. Comprende el clculo del RQD en funcin del nmero de fisuras, por metro lineal, determinadas al realizar el levantamiento litolgico-estructural (Detail line) en el rea y/o zona predeterminada de la operacin minera. La ecuacin para el clculo es la siguiente:

RQD = 100 * exp-0.1 (0,1 + 1) (Ec. 4)

es la frecuencia promedio de las diaclasas calculada por = 1/ k, donde k es el espaciado promedio de las mismas.

Para este procedimiento se hicieron dos clculos (RQD1 Y RQD2), correspondientes a las discontinuidades tipo 1 y tipo 2 respectivamente.

El espaciado promedio para las discontinuidades tipo 1 es de 30 cm y para las discontinuidades tipo dos es de 70 cm, esto nos arrojo un valor para RQD1 igual a 60% y para RQD2 de 45%. de esto obtenemos un RQD de 52% aproximadamente.

- Tercer procedimiento. Comprende el clculo del RQD en funcin del nmero de fisuras, por metro cbico (parmetro Jv), determinadas al realizar el levantamiento litolgico-estructural (Detail line) en el rea y/o zona predeterminada de la operacin minera.

RQD = 115 3.3 (Jv) para Jv > 4.5 (Ec. 5)

RQD = 100 para Jv 4.5 (Ec. 6) El RQD lo calculamos con la ecuacin 3 debido a que el valor de Jv que obtuvimos anteriormente fue de 22.

RQD = 115 3.3 (22) = 42%

Luego del clculo del RQD de la manera descrita en cada procedimiento sabemos que el RQD final es el promedio de los valores obtenidos en cada uno de ellos.

RODFinal = (40%+52%+42%) / 3 45%

De acuerdo al valor obtenido para el RQD podemos tener una idea de la calidad de la roca en el siguiente cuadro 9 propuesto por Deere entre 1963 y 1967.

Cuadro 9. Calidad de la roca a partir del RQDRQDCalidad de la roca

< 25%Muy mala

25%-50%Mala

50%-75%Regular

75%-90%Buena

90%-100%Muy buena

GRADO DE METEORIZACION

Este grado de meteorizacin del macizo rocoso se realiza mediante observacin directa del afloramiento y comparndola con los ndices estndares recogidos en el cuadro 10. Es de gran importancia diferenciar este grado de meteorizacin de la meteorizacin de la matriz rocosa ya que son dos parmetros diferentes.

Cuadro 10. Clasificacin del macizo rocoso de acuerdo al grado de meteorizacin (ISMR)Grado demeteorizacinTipoDescripcin

IFrescoNo aparecen signos de meteorizacin.

IILigeramenteMeteorizadoLa decoloracin indica alteracin del material rocoso y de las superficies de discontinuidad. Todo el conjunto rocoso esta decolorado por meteorizacin.

IIIModeradamenteMeteorizadoMenos de la mitad del macizo rocoso aparece descompuesto y/o transformado en suelo. La roca fresca o decolorada aparece como una estructura continua o como ncleos aislados.

IVAltamenteMeteorizadoMs de la mitad del macizo rocoso aparece descompuesto y/o transformado en suelo. La roca fresca o decolorada aparece como una estructura continua o como ncleos aislados.

VCompletamenteMeteorizadoTodo el macizo rocoso aparece descompuesto y/o transformado en suelo. Se conserva la estructura original del macizo rocoso.

VISueloResidualTodo el macizo rocoso se ha transformado en suelo. Se ha destruido la estructura del macizo

3.4 CLASIFICACION GEOMECANICA DEL MACIZO ROCOSO

La descripcin y medida de todas las caractersticas y propiedades de la matriz rocosa y discontinuidades y de los parmetros del macizo rocoso, entregan datos necesarios para la evaluacin geomecnica, pero es a partir de estos datos, que podemos aplicar la clasificacin y as estimar la calidad y los parmetros resistentes del macizo, en trminos de cohesin y friccin entre otros.

La clasificacin geomecnica del macizo rocoso denominado Cerro Villanueva, donde se encuentra el frente de explotacin denominado Frente Uno fue realizada a partir de las clasificaciones geomecnicas de Bieniawski y SMR respectivamente. Ya se han desarrollado en los captulos anteriores todos los parmetros necesarios para la esta.

3.4.1 CLASIFICACION POR BIENIAWSKI

Los objetivos de esta clasificacin son:

- Determinar y Estimar la calidad del macizo rocoso para disear un esquema de perforacin y voladura optimo de acuerdo a las caractersticas y estado presentes en este.

- Dividir el macizo rocoso en grupos de conducta anloga.

- Proporcionar una buena base de entendimiento de las caractersticas del macizo rocoso.

- Facilitar la planificacin y el diseo de estructuras en roca, proporcionando datos cuantitativos necesarios para la solucin real de los problemas de ingeniera.

Esta clasificacin geomecnica se basa en el ndice RMR (Rock Mass Rating), que da una estimacin de la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta los siguientes factores:

- Resistencia Compresiva de la roca.

- ndice de la Calidad de la Roca (RQD).

- Espaciamiento de Juntas.

- Condicin de Juntas.

- Presencia de Agua.

- Correccin por orientacin.

Estos factores se cuantifican mediante una serie de parmetros definindose unos valores de cada uno de ellos, cuya suma en cada caso nos da el ndice de Calidad del RMR que vara entre 0 Y 100. Los mismos ya han sido calculados; unos mediante observaciones en campo y otros por ensayos de laboratorio de mecnica de rocas y control de calidad, por lo que presentamos en este capitulo la clasificacin de los mismos de acuerdo a sus valores para llegar a la definitiva del macizo.

RESISTENCIA COMPRESIVA DE LA ROCA (C)

Este valor se determino mediante el ensayo de compresin simple (En promedio 23 Mpa.) para rocas (ASTM D 2166-91) y el ensayo de carga por punta (En promedio 34 Kgf/cm2). Para mayor informacin acerca del resultado observar el Anexo A de este documento hojas A1 y A2.

INDICE DE LA CALIDAD DE LA ROCA (RQD)

Este parmetro fue evaluado en el capitulo 5 numeral 5.2, y el valor calculado con su respectiva denominacin fue RODFinal 45%.

ESPACIADO DE JUNTAS (DISCONTINUIDADES)

Se realizo una primera apreciacin de este parmetro en el capitulo 4 numeral 4.2, pero Deere propone la siguiente clasificacin en lo referente al espaciado de juntas y es la que recomienda usar en la clasificacin de Bieniawski en el cuadro 11.

Cuadro 11. Descripcin del espaciado propuesto por Deere para clasificacin por BieniawskiDescripcin del espaciamientoEspaciado de juntasTipo de macizo rocoso

Muy anchoMayor a 3 mSlido

Ancho1 3 mMasivo

Moderadamente cerrado0.3 1 mEn bloques

Cerrado50 300 mmFracturado

CONDICION DE LAS JUNTAS

Aqu se tiene en cuenta los parmetros restantes del capitulo 4, como son; continuidad o persistencia, orientacin, rugosidad, abertura, relleno y filtraciones. Todos ellos fueron descritos, clasificados e ilustrados de manera entendible en dicho capitulo.

CORRECCION POR ORIENTACION

A la hora de considerar los efectos de la orientacin de las discontinuidades para la clasificacin del macizo rocoso, con vista al diseo de un optimo esquema de perforacin y voladura, es necesario considerar si las orientaciones del buzamiento y direccin del buzamiento son ms o menos favorables con relacin a la labor minera (direccin de avance de los niveles de explotacin).

Bieniawski en el cuadro 12 nos propone la clasificacin para definir esa correccin.

Cuadro 12. Correccin por orientacin de las juntas (Bieniawski)Rumbo perpendicular al ejeRumbo paraleloal eje de la excavacinBuzamiento0-20(Independiente del rumbo)

Direccin segn buzamientoDireccin contrabuzamiento

Buzamiento45-90Buzamiento20-45Buzamiento45-90Buzamiento20-45Buzamiento45-90Buzamiento20-45

Muy favorableFavorableRegularDesfavorableMuy desfavorablRegularFavorable

CLASIFICACION DE LOS PARAMETROS Y SUS VALORES

Cuadro 13. Clasificacin de los parmetros y sus valores (Bieniawski)ParmetrosEscala de Valores

Resistencia a la roca IntactaCarga Puntual80 Kg/cm240-80 Kg/cm220-40 Kg/cm210-20 Kg/cm210 Kg/cm2

A Compresin Simple2000 Kg/cm21000-2000 Kg/cm2500-1000 Kg/cm2250-500 Kg/cm2100-250 Kg/cm230-100 Kg/cm210-30 Kg/cm2

Valor151274210

R.Q.D.90-100%75-90%50-75%25-50%25%

Valor20171383

Espaciado de Juntas3m1-3m0.3-1m50-300mm50mm

Valor302520105

Condicin de JuntasMuy rugosas sin continuidad cerradas, paredes de roca duraLigeramente rugosa menor de 1mm de separacin, paredes de roca duraLigeramente rugosa menor de 1mm de separacin, paredes de roca suaveEspejo de falla o relleno de espesor menor a 5mm o abiertos 1-5mm. Fisuras continuas Relleno blando de espesor menor a 5mm, o abierta menor a 5 mm. Fisuras continuas

Valor25201260

Aguas SubterrneasCantidad infiltracin 10m. Del tnelNinguna25 litros/min25-125 litros/minmayor a 25 litros/min

Presin de agua00.0-0.20.2-0.50.5

Esfuer. Principal

Situacin GeneralTotalmente secoSolo hmedo. Aguas interstic.Ligera presin de aguaSerios problemas de agua

Valor10740

De acuerdo a esta clasificacin y respectiva valoracin, la calidad del macizo rocoso a partir de Bieniawski es de 46. Pero como observamos en el cuadro nmero 12 encontramos una correccin por orientacin de las discontinuidades y el eje de la excavacin, esa informacin nos permite reajustar el valor final obtenido para la calidad del macizo. Para ello utilizamos el cuadro numero 14 propuesto por Bieniawski.

Cuadro 14. Ajuste a Bieniawski para correccin por orientacin de juntas y tipo de excavacin.Orientacin de rumbo yBuzamiento de las fisurasMuyfavorableFavorableRegularDesfavorableMuydesfavorable

ValoresTnelesCimentacionesTaludes000-2-2-5

-5-7-25-10-10-50-12-25-60

Tenida en cuenta esta consideracin el valor final de la calidad del macizo rocoso es de 21, con esto determinamos la clase de macizo y descripcin de acuerdo al valor total de RMR presentada en el cuadro numero 15.

Cuadro 15. Determinacin de la clase del macizo rocoso.Valor total del RMR81 - 10061 - 8041 - 6021 - 40 3 Kg/cm22-3 Kg/cm21.5-2 Kg/cm21-1.5 Kg/cm2< 1 Kg/cm2

Angulo de friccin> 4540-4530-4030-35< 30

3.4.2 CLASIFICACION SMR PARA TALUDES

Cualquier clasificacin debe considerar, en primer lugar que la falla de un talud rocoso puede ocurrir segn formas muy diferentes. En la mayora de los casos la falla de la masa rocosa est gobernada por las discontinuidades y se produce segn superficies formadas por una o varias juntas.

El ndice SMR para la clasificacin de taludes se obtiene del ndice RMR bsico sumando un "factor de ajuste", que es funcin de la orientacin de las juntas (y producto de tres subfactores) y un "factor de excavacin" que depende del mtodo utilizado, la ecuacin es la siguiente:

SMR = RMR + (F1*F2*F3) + F4 (Ec. 7)

RMR

El valor del RMR utilizado por la clasificacin SMR es el obtenido en la clasificacin geomecnica de Bieniawski, pero sin tener en cuenta el ajuste realizado en la correccin por orientacin de las juntas. Ese valor que define la calidad del macizo es de 46.

FACTOR DE AJUSTE DE LAS JUNTAS

Este factor es producto de tres subfactores que encontramos enunciados en la ecuacin 7 como F1, F2, y F3; estos sern explicados y calculados a continuacin.

- F1. depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y la cara del talud. Vara entre 1.00 (cuando ambos rumbos son paralelos) y 0.15 (cuando el ngulo entre ambos rumbos es mayor de 30 y la probabilidad de falla es muy baja). Estos valores, establecidos empricamente, se ajustan aproximadamente a la expresin:

F1 = (1- sen bj-bs) 2 (Ec. 8)

Siendo bj y bs los valores del buzamiento de la junta y del talud respectivamente. En nuestro caso el macizo rocoso cuenta con dos estratificaciones y debemos realizar el clculo para cada una de ellas de todos los factores. Partiendo entonces de este primer factor, trabajaremos con el dato de 0.15 debido a que el mas cercano a las condiciones reales del macizo estudiado.

F1 = (1- sen (75-10)) 2 (Estratos tipo 1)

F1 = 0.85

F1 = (1- sen (33-10)) 2 (Estratos tipo 2)

F1 = 0.37

- F2. Depende del buzamiento de la junta en la falla plana. En cierto sentido es una medida de la probabilidad de la resistencia a esfuerzo cortante de la junta. Varia entre 1,00 (para juntas con buzamiento superior a 45) y 0.15 (para juntas con buzamiento inferior a 20). Fue establecido empricamente pero puede ajustarse aproximadamente segn la relacin:

F2 = (Tg2 (bj))2 (Ec. 9)

F2 = (Tg2 (75))2 (Estratos tipo 1)

F2 = 1

F2 = (Tg2 (33))2 (Estratos tipo 2)

F2 = 0.70- F3. Refleja la relacin entre los buzamientos de la junta y el talud. Se han mantenido los valores propuestos por Bieniawski (1976) que son siempre negativos.

Para fallas planas F3 expresa la probabilidad de que las juntas afloren en el talud. Se supone que las condiciones son normales, cuando el buzamiento medio de la familia de juntas es igual al del talud, y por lo tanto aflorarn algunas pocas juntas. Cuando el talud buza ms que las juntas, casi todas afloran y las condiciones sern muy desfavorables, lo que supone un valor de F3 de -60 (para bs - bj > 10), o desfavorables lo que supone un valor de F3 de -50 (para 0 < bs - bj < 10). La diferencia con el valor de F3 normal (que es-25) es muy grande. El valor para F3 es el escogido en el cuadro numero 14 para un estado regular de nuestros taludes o niveles y es de -25.

Despus de haber obtenido tres subfactores correspondientes al factor de ajuste de las juntas, podemos determinar de acuerdo a cada caso las condiciones del macizo rocoso a travs de l cuadro nmero 17.

Cuadro 17. Factor de ajuste para las juntas (Romaa, 1985)CasoMuy favorableFavorableNormalDesfavorableMuy desfavorable

PTaj-asaj-as-180> 303020201010-5< 5

P/TF10.150.400.700.851.00

Pbj< 2020-3030-3535-45> 45

F20.150.400.700.851.00

TF211111

PTbj-bsbj-bs> 10< 110

10-0110-1200> 1200(-10)< 10

P/TF30-6-25-50-60

Donde:

P : Falla plana T : Falla por vuelco as : Direccin del buzamiento del talud bs : Buzamiento del talud aj : Direccin de buzamiento de las juntas bj : Buzamiento de las juntas

Escogidos los tres subfactores del cuadro 17, podemos calcular el valor para estimar la calidad del macizo rocoso de acuerdo al SMR. De la ecuacin 7 tenemos:

SMR = 46 + (0.85*1*(-25)) + F4

SMR 25

Este primer calculo esta hecho sin tener en cuenta F4 que se refiere al ajuste segn el mtodo de excavacin utilizado para el arranque del mineral. Sin este reajuste podemos estimar la estabilidad de los niveles de explotacin a partir de los datos del cuadro 18.

Cuadro 18. Clases de estabilidad segn el SMR (Romaa, 1985).Clase No.VIVIIIIII

SMR0-2021-4041-6061-8081-100

DescripcinMuy malaMalaNormalBuenaMuy buena

EstabilidadTotalmenteinestableInestableParcialmenteEstableEstableTotalmenteestable

FallasGrandes roturasPor planos continuosO por masaJuntas o grandes cuasAlgunas juntas omuchas cuasAlgunosbloquesNinguna

TratamientoReexcavacinCorreccinSistemticoOcasionalNinguno

FACTOR DE AJUSTE SEGN EL METODO DE EXCAVACION (F4)

Este factor fue establecido empricamente, y tiene en cuenta las siguientes estimaciones de acuerdo a las diferentes condiciones de excavacin que se pueden presentar en taludes y de una u otra forma afectan su estabilidad. Estas estimaciones son definidas a continuacin.

- Taludes naturales. Son ms estables a causa de los procesos previos de erosin sufridos por el talud, y de los mecanismos internos de proteccin que muchos de ellos poseen (vegetacin, desecacin superficial, drenaje torrencial, etc.). F4 = + 15

- Precorte. Aumenta la estabilidad de los taludes en media clase. F4 = + 10.

- Voladura suave (recorte). Bien ejecutadas aumentan la estabilidad de los taludes.F4 = + 8.

- Voladuras normales. Aplicadas con mtodos razonables no modifican la estabilidad. F4 = 0.

- Voladuras defectuosas. Son muy frecuentes y pueden daar seriamente la estabilidad del talud. F4 = -4.

- Excavacin mecnica. Los taludes con arranque por ripiado slo son posibles cuando el macizo rocoso est muy fracturado o la roca es blanda. Con frecuencia se combina con prevoladuras poco cuidadas. Las caras del talud presentan dificultades de acabado. Por ello el mtodo ni mejora ni empeora la estabilidad. F4 = 0.

En el cuadro 19 encontramos estas estimaciones.

Cuadro 19. Factor de ajuste segn el mtodo de excavacin (Romaa, 1985).MtodoTalud naturalPrecorteVoladurasuaveVoladuramecanizadaVoladuradeficiente

F4151080-4

Teniendo en cuenta este ajuste el valor final del SMR = 21

4. CARACTERIZACION GLOBAL DEL MACIZO ROCOSO

De acuerdo a los ensayos realizados de mecnica de rocas, la caliza presente en el macizo rocoso tiene una resistencia a la compresin simple baja. Partiendo de este dato, y a travs de la descripcin hecha en el cuadro 20, observamos que es una roca medio blanda en los niveles superiores de la explotacin (ver anexo A) y blanda en los niveles inferiores.

Cuadro 20. Clasificacin de dureza de las rocas de acuerdo a la resistenciaClasificacinDureza MOHSResistencia a la compresin simple(Mpa)

Muy dura7200

Dura6-7120-200

Medio dura4.5-660-102

Medio blanda3-4.530-60 (niveles superiores)

Blanda2-310-30 (niveles inferiores)

Muy blanda1-2-10

El anlisis hecho a partir del RQD, Jv e Ib, nos describe la roca como de mala calidad, con muchas fisuras por metro cbico y bloques relativamente pequeos. Estas caractersticas son corroboradas en la clasificacin geomecnica por Bieniawski. Esta clasificacin nos describe un macizo conformado en bloques con juntas moderadamente cerradas.

Los parmetros restantes para la condicin de las juntas no son menos crticos; estas son continuas en todo el macizo rocoso, la orientacin de las mismas afecta el arranque de la caliza a travs de la voladuras, debido al sentido de avance que tiene la excavacin, la rugosidad no es de tanta importancia en este caso, ya que la abertura de las juntas es relativamente critica y todas ellas estn rellenas de una mezcla formada entre un material arcillosos y caliza erosionada de las paredes de las juntas.

El nico parmetro que no afecta el macizo rocoso en su clasificacin, es el correspondiente a las filtraciones (Ver cuadro 5), ya que su presencia es mnima, tanto que puede incluso no considerarse dentro de la caracterizacin. Tambin podemos anotar que la meteorizacin del macizo rocoso (Ver cuadro 10), al igual que en la matriz rocosa es mnima.

En conclusin, el macizo rocoso de acuerdo a Bieniawski arrojo un valor para el RMR de 21, valor que clasifica al macizo en clase IV y le da una descripcin de macizo rocoso en condiciones malas.

La clasificacin geomecnica a partir del SMR esta totalmente descrita en el cuadro 18. Esta nos dice que el macizo rocoso es de mala calidad, inestable, con una gran presencia de bloques y necesita una correccin inmediata. Considerando adems un factor de ajuste que se hizo segn el mtodo de excavacin utilizado (voladura) se obtuvo un valor final para el SMR de 21, llegando al lmite del intervalo 21-40 (mala calidad). Esto es preocupante, ya que podemos concluir que si se siguen realizando voladuras inadecuadas para el estado actual del macizo, quedara totalmente inestable y con grandes roturas, necesitando incluso de una reexcavacin.

4.1 ANALISIS DE LA ALTURA DE BANCO ACTUAL DE ACUERDO A LA CARACTERISTICAS DEL MACIZO ROCOSO

Las caractersticas geomecnicas del macizo rocoso son un conjunto de parmetros que no podemos cambiar en el diseo de una voladura, solo podemos minimizar su incidencia negativa reevaluando los parmetros controlables (variables geomtricas, qumico-fsicas y de tiempo) en dicha voladura.

En el caso del macizo rocoso Cerro Villanueva, de acuerdo a lo concluido en la clasificacin geomecnica, la altura de banco actual solo favorece a la aparicin de productos no deseados en las voladuras, esto debido a que es un macizo rocoso de mala calidad, que presenta numerosas zonas irregulares y una muy baja resistencia a la compresin. De este modo, al presentarse una altura relativamente alta de los niveles de explotacin, como es el caso, ser menos el control que se tenga sobre las propiedades del macizo rocoso; en pocas palabras; la altura de los niveles de explotacin es inversamente proporcional al control aparente sobre los parmetros geomecnicos del macizo rocoso.

De acuerdo a lo dicho anteriormente, se presenta en este capitulo una estimacin inicial de la optima altura para los niveles de explotacin del Fente Uno Cerro Villanueva. Esta estimacin se realizara mediante tres factores relacionados estrechamente con dicha altura como son:

De acuerdo al dimetro de perforacin actual (D)

De acuerdo a el equipo de carga (Pala hidrulica)

De acuerdo al ndice o factor de rigidez (K)

Antes de entrar a la estimacin de cada uno de estos factores, es necesario conocer ciertos datos acerca de la perforacin. En el los niveles del Frente Uno se utiliza la perforacin rotopercutiva con un equipo con martillo en cabeza Ingersoll Rand ECM 590 (Ver fotografa 13), este equipo presenta un intervalo de dimetros de perforacin que oscila entre dos pulgadas y media y cuatro pulgadas (Ver fotografa 14). Las caractersticas de la perforacin para todos los niveles la podemos observar en el cuadro 21.

Cuadro 21. Caractersticas de perforacin en el Frente unoNivelDimetro(D)Malla(B*E)Altura deBanco (H)Factor de rigidez (K)(K = H/V)

1304Tres bolillo(3.5*3.5)11 m3.1

1204Una sola lnea(4*3.5)17 m4.2

1104Una sola lnea(4*4)15 m3.7

1004Una sola lnea(4*4) Zona I(3*3) Zona II12 m3 4

Fotografa 13. Equipo de perforacin Fotografa 14. Dimetro de perforacin

4.2 ALTURA PTIMA DE BANCO (H) DE ACUERDO AL DIAMTREO DE PERFORACION (D)

Recopilando las propuestas hechas por diversos autores (Langerfors, Konya, ITGE, entre otros), tenemos las siguientes ecuaciones de clculo que relacionan el dimetro de perforacin y la altura de bancos (niveles):

H (m) = D (mm) / 8, para excelente distribucin de energa (Ec 10).

H (m) = D (mm) / 15, para una altura de banco conocida (Ec 11).

D (mm) = (5-10) H (m), formula de aproximacin (Ec 12).

El dimetro de perforacin actual es de 4 pulgadas (102 mm) y los niveles de explotacin tienen en promedio 15 m de altura.

Utilizando la ecuacin 10, se obtuvo una H igual a 12 m. Esta seria la altura apropiada para el dimetro de perforacin actual. Partiendo de la ecuacin 11, H es la altura promedio conocida, obteniendo as un D igual a 210 mm. Este valor de D es muy elevado, lo que nos indica nuevamente la tendencia a utilizar niveles ms bajos, partiendo del hecho que para lograr un D igual a 102 mm mediante la ecuacin 11, H debera ser de 7 m.

En la ecuacin 12 podemos ver claramente si utilizamos el limite superior, que la altura de banco actual (15 m) nos arroja un dimetro igual a 150 mm. De este modo concluimos tambin mediante esta ecuacin que con una altura de 10 m se trabajara de manera ideal al conservar el dimetro de perforacin. Tambin es cierto que conservando la altura actual y utilizando el limite inferior de la ecuacin 12, la reduccin del dimetro a 3 pulgadas seria la mejor opcin.

Mediante estas ecuaciones se puede observar que una altura de bancos de 9 a 10 m es una buena opcin. El dimetro de perforacin oscilara en el intervalo 76-120 mm, lo que nos brinda un punto de partida interesante para la posterior elaboracin del diseo ptimo de perforacin y voladura. Analizando los dems parmetros relacionados con este (piedra, espaciamiento, dimetro de carga, retacado, Sobreperforacin, entre otros), podramos concluir si es mejor una excelente distribucin de energa (D = 76 mm), o queremos ser conservadores con el consumo de explosivos (D = (102-120) mm).

4.3 ALTURA PTIMA DE BANCO DE ACUERDO AL EQUIPO DE CARGA (PALA HIDRAULICA)

Se cuenta actualmente en la planta para el cargue de la caliza proveniente de las voladuras, con una pala hidrulica frontal de la compaa TEREX O&K con referencia RH30-E (Ver figura 8. Especificaciones tcnicas). Se gestiona actualmente la compra de otra pala frontal RH40-E (Ver figura 9. Especificaciones tcnicas), por esto el anlisis se hace teniendo en cuenta las especificaciones de estos dos equipos. Las ecuaciones que relacionan la altura ptima de banco con el equipo de carga son:

H = 4 + 0.45 (Cc), donde Cc es la capacidad de carga de la cuchara, ecuacin para equipos hidrulicos (Ec 13).

H = Mximo alcance vertical del brazo del equipo (Ec 14).

Para la pala RH30-E la cual tiene una Cc igual a 6 m3 los resultados para H utilizando las ecuaciones 13 y 14, es 7 m y 9 m respectivamente. La altura de banco promedio para el ptimo desempeo de esta pala es de 8 m.

Para la pala RH40-E la cual tiene una Cc igual a 7 m3 los resultados para H utilizando las ecuaciones 13 y 14, es 9 m y 11 m respectivamente. La altura de banco promedio para el ptimo desempeo de esta pala es de 9.5 m.

Con las alturas obtenidas con cada una de las palas para los niveles de explotacin, se observa que una altura de 9 m seria ideal a la hora de utilizar cualquiera de los dos equipos.

En la fotografa 15 mostrada a continuacin se pude observar la dificultad de operacin de la pala RH30-E debido a la altura de banco actual. Seria ms eficiente y segura la operacin de este equipo si se tuvieran bancos de menor altura.

Fotografa 15. Operacin de la pala RH3O-E con altura actual de bancos en el Frente Uno

Figura 8. Especificaciones tcnicas pala RH30-E TEREX O&K

Figura 9. Especificaciones tcnicas pala RH40-E TEREX O&K4.4 ALTURA PTIMA DE BANCO DE ACUERDO AL NDICE O FACTOR DE RIGIDEZ (K)

El ndice o factor de rigidez del paraleleppedo de la roca situado delante de los barrenos (Ver figura 10) tiene una gran influencia en el resultado de las voladuras. El ndice de rigidez esta definido por la siguiente ecuacin:

K = H / V (Ec 15)

Figura 10. Factor de rigidez del paraleleppedo de roca

Como observamos en la ecuacin 15, el factor de rigidez es el cociente entre la altura del banco y la piedra o burden. Con la ayuda de este cociente se puede establecer aproximaciones de efectos adversos en las voladuras. En el cuadro 22 podemos ver algunos de esos efectos.

Cuadro 22. Efectos en las voladuras de acuerdo al ndice de rigidez (ITGE)ndice de rigidezFragmentacinOnda areaProyeccionesVibracionesNota

1PobreSeveroSeveroSeveroRedisear

2SuaveSuaveSuaveSuaveRediseo pos.

3BuenoBuenoBuenoBuenoBuena frag.

4ExcelenteExcelenteExcelenteExcelenteOptimo

El Instituto Tcnico- Geolgico de Espaa (ITGE) en el capitulo 19 numeral 3 de su libro Manual de Perforacin y Voladura de Rocas, hace la siguiente apreciacin acerca del factor de rigidez: Si K es grande, el desplazamiento y deformacin de la roca es fcil, particularmente en el centro del banco. Ash (1977) seala lo siguiente para la relacin H/V: H/V 3, los resultados son ptimos. Si H/V = 1, se obtendr una fragmentacin gruesa con problemas de sobreexcavacin y repis. Con H/V = 2, se aminoran los efectos anteriores.

Es importante mencionar que el ndice de rigidez no contempla en su ecuacin las condiciones geomecnicas del macizo rocoso. Si observamos en el cuadro 21 el ndice de rigidez promedio que se maneja actualmente para el Frente Uno es de 3.6, de acuerdo a esto se estara obteniendo un resultado optimo en las voladuras, afirmacin que no es correcta ya que se tiene un gran problema con los sobtretamaos de roca que no pueden ser cargados a la trituradora, por esto es muy importante la intervencin del ingeniero mediante observaciones y registros de las voladuras que ayuden a ir mejorando las condiciones del arranque de la roca.

Si manejamos la altura de banco de 9 m de acuerdo a los parmetros anteriores (Caractersticas geomecnicas del macizo rocoso, dimetro de perforacin, equipo de carga), tendramos lo siguiente:

- De la ecuacin 15 se obtiene K = 9 / V; donde V es la piedra mxima terica de la malla de perforacin (Ver figura X) y esta definida por la ecuacin:

Vmax (mm) = (25-40) D (mm) (Ec 16).

- Si reemplazamos la ecuacin 16 en la ecuacin 15 obtenemos la expresin:

9 (m) K = --------------------- (Ec 17)(25-40) D (mm)

9 (m) K = -------------- = 3.6, para limite inferior de V2.5 (m)

9 (m) K = -------------- = 2.2, para limite superior de V4 (m)

- Observamos que disminuyendo la altura de los bancos a 9 m, tenemos un intervalo para el factor de rigidez que oscila de 2.2 (piedra mxima) a 3.6 (piedra mnima). De esto decimos que al disminuir la altura actual de los bancos, se puede mantener la misma medida para la malla y dimetro de perforacin utilizados actualmente (Ver cuadro 21), mejorando la fragmentacin de la roca y sin producir grandes vibraciones.

El principal inconveniente en las voladuras hasta ahora lo constituye la formacin de sobretamaos de roca caliza, por lo que guiados por el parmetro K, podramos utilizar el mnimo tamao para la piedra (V = 2.5 m) con el fin de obtener excelentes resultados en la fragmentacin de la roca (K = 3.6).

Otra solucin seria mantener una altura de banco de 9 m y disminuir el dimetro de perforacin a 76 mm con lo que se concentrara mejor la energa del explosivo debido a que la operacin es llevada a cabo en un macizo rocoso altamente fracturado. As se podra trabajar con la mnima piedra y mantener un factor de rigidez apropiado; que ayude a lograr una optima fragmentacin y no produzca altas vibraciones.

4.5 VENTAJAS PRESENTES EN LA DISMINUCION DE LA ALTURA DE LOS NIVELES (BANCOS) DE EXPLOTACION

Al disminuir la altura de los bancos de explotacin de 15 a 9 m, se minimizan los problemas de desviacin de los barrenos que afectan la fragmentacin de la roca y aumentan el riesgo de generar fuertes vibraciones, proyecciones y sobreexcavacin, debido a que la malla de perforacin (B*E) por la altura actual no se mantiene constante en las diferentes cotas del barreno.

Se mejoran las condiciones de seguridad para el operador y el equipo de carga. Cuando la pala esta operando muy cerca a la pared de un nivel superior, corre el riesgo que un bloque de roca pueda desprenderse en cualquier momento y ocasionar un accidente (Ver fotografa 15).

Ser mucho ms fcil y rpida la construccin de accesos, y habr mejores condiciones para restaurar y liquidar el talud final de explotacin.

En ningn momento la disminucin de la altura de los bancos afectara la produccin requerida por la planta, debido a que esta se puede mantener con un nuevo esquema de perforacin y voladura. En ese sentido dicha disminucin debe mirarse como una inversin que soluciona el problema de fragmentacin de la roca, ya que los metros cbicos de roca que necesitan ser extrados, pueden explotarse de manera racional y ser llevados a trituracin sin ningn inconveniente.

En la secuencia ilustrada a continuacin denominada figura 11, se observa una propuesta de explotacin que propone la disminucin de la altura de los bancos de 15 m a 9 m aproximadamente. Esta propuesta se mostrara de manera ms clara en el proyecto denominado Diseo ptimo de Perforacin y Voladura Para Evitar la Formacin de Sobretamaos de Roca Caliza en el Frente de Explotacin Denominado Frente Uno en la Compaa Argos Planta Tolcemento. Por ahora podemos decir que se trata de una extraccin de aproximadamente un milln de toneladas de roca caliza (310000 m3 de caliza), que es ms de lo que requiere la planta para su consumo en un ao.

Esta propuesta de explotacin demorara mnimo dos aos en ejecucin, teniendo en cuenta que en ella no se han contemplado aun la construccin de nuevas rampas debido a la disminucin de altura de los bancos, y muchas otras labores de desarrollo. El anlisis econmico ser presentado tambin en el proyecto mencionado anteriormente, en el cual se darn varias alternativas de diseo de voladuras que sean rentables tcnica y econmicamente.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g) Figura 11. Corte A-A del Anexo B, Plano del Frente Uno. Propuesta de explotacin para la disminucin de la altura de los bancos. (a) Altura actual de los niveles de explotacin en el Frente Uno. (b) Identificacin de los diferentes sectores para la secuencia de avance de la explotacin, con arranque mediante perforacin y voladura. (c) Avance de los primeros 90 m distribuidos en todos los niveles. La secuencia de este avance debe ser programada de manera tal que no se afecte la produccin ni la estabilidad de los bancos, as como la calidad de la caliza que se lleva a la trituradora. Los 90 m de avance constituyen aproximadamente 10 voladuras lo que significa 10 meses de explotacin. (d) En este instante de la explotacin, se habr avanzado 70 m mas, para un avance total de 160 m. Se tendr conformado un primer banco con la altura proyectada entre las cotas 93-103 y un solo sector del arranque inicial con un ancho de voladura de aproximadamente 20 m. Este avance se obtiene de la ejecucin de aproximadamente 7 voladuras, realizadas en un tiempo de 7 meses, instante en el cual se llevaran 17 meses de explotacin. (e) En esta parte de la explotacin se encuentra solo un pequeo sector de transicin para lograr la nueva altura de bancos. (f) Se observa todos los bancos conformados con la altura proyectada, y solo un pequeo sector de transicin que puede ser extrado mediante una voladura de desarrollo. Ya para este instante se llevaran como mnimo dos aos de ejecucin de la secuencia de explotacin propuesta. (g) Contraste entre la altura de banco actual y la proyectada en la secuencia de explotacin propuesta.

5. CONCLUSIONES

El macizo rocoso Cerro Villanueva es de mala calidad, presenta muchas fisuras por metro cbico, y debido a esto se forman bloques de roca relativamente pequeos. Es muy fcil que una gran cantidad de la energa de los explosivos utilizados en las voladuras se pierda al intersectar las discontinuidades.

Las clasificaciones geomecnicas nos dan una idea del estado actual del macizo rocoso, y nos pueden orientar a conseguir una posible solucin a un problema relacionado. Pero es necesario tener en cuenta que sin las observaciones del ingeniero y los registros que pueda manejar de las operaciones relacionadas (Perforacin, Voladuras, Cargue, etc.), dichas clasificaciones serian nulas, ya que estas no estn hechas para casos particulares.

La gran irregularidad del macizo rocoso hace que sea muy difcil una prediccin exacta de los resultados en una voladura. A pesar que solo se dividi en dos zonas el macizo rocoso, este presenta numerosas zonas singulares (fallas, cavernas, brechas, entre otras) que requeriran un tratamiento especial, lo cual demandara un diseo para las voladuras particular acorde a cada una de ellas. Para esto se tendran que manejar demasiadas variables, lo que le quitara eficiencia a la operacin y seguramente la hara mas costosa.

La altura de banco actual en el Frente Uno no representa un problema geomecnico critico, es decir; los taludes no presentaran roturas ni problemas geotcnicos debido a ella, pero esta caracterizacin esta orientada a la optimizacin del esquema de perforacin y voladura, y para esta operacin si representa un problema, ya que la geomecnica presente hace imposible brindar voladuras optimas con dicha altura de bancos.

Las dos zonas descritas del macizo rocoso, necesitan un tratamiento diferente para las voladuras. Una de ellas presenta mayor resistencia a la compresin y es de una caliza mucho ms pura, mientras la otra debido a la contaminacin con las margas tiene una resistencia a la compresin menor. Sin embargo las voladuras ejecutadas en estas zonas han sido de las mismas caractersticas, presentando variaciones pequeas en la piedra y el espaciamiento, pero manteniendo el dimetro y la longitud de los barrenos, lo que ocasiona un problema de un material muy fino en la zona II y una gran cantidad de sobretamaos en la zona I.

Actualmente la humedad no representa un problema inquietante en la explotacin de caliza en el Frente Uno, pero en el levantamiento de diaclasas se encontr humedad en el nivel inferior (Nivel 90), lo que hace pensar que el nivel fretico esta cerca de la superficie de este nivel y a futuro ser un parmetro a tener en cuenta en el diseo de las voladuras.

6. RECOMENDACIONES

Realizar un modelo geolgico del macizo rocoso Cerro Villanueva, con el cual se pueda elaborar un planeamiento adecuado para la explotacin de la caliza partiendo de las caractersticas obtenidas en dicho modelo.

Se recomienda la disminucin de la altura de los niveles de explotacin a una altura mxima de 9 m. Esta disminucin es primordial para mejorar la fragmentacin de la roca y disminuir las vibraciones producto de las voladuras, debido a las caractersticas geomecnicas del macizo rocoso.

Realizar perforaciones de reconocimiento en todos los niveles del macizo rocoso, de tal forma que se pueda tener una descripcin prevoladura del mismo, al identificar mejor las zonas singulares (fallas, brechas, cavernas, etc.), y de esta forma hacer los correctivos necesarios para obtener buenos resultados en las voladuras.

Llevar un control con el personal encargado de la perforacin de las irregularidades encontradas en el macizo rocoso. Seria de gran importancia el diseo de una planilla, en la cual los perforadores puedan registrar y enumerar cada barreno, para describir en un cuadro de observaciones problemas como atascamiento de la sarta de perforacin, dificultad en la evacuacin del detrito, cambio en la coloracin del detrito evacuado, rotura de las paredes del barreno, y tiempos de perforacin. Estas descripciones serian un gran aporte para brindar una informacin ms detallada del macizo rocoso, y as mismo nos van orientando para ir adaptando el diseo de perforacin y voladura a esas caractersticas.

Las voladuras deben ser sectorizadas de acuerdo a las zonas definidas en la caracterizacin geomecnica, de esa forma se podrn trabajar mallas de perforacin y carga de explosivo adecuados para cada una de ellas. Actualmente se perfora con caractersticas similares a lo largo de cada nivel, a pesar que el cambio en las propiedades geomecnicas y qumicas del macizo es visible.

Es necesario definir los de acuerdo a las condiciones climticas, las zonas apropiadas para realizar las voladuras. El macizo rocoso en sus niveles inferiores presenta una fuerte contaminacin con una marga arcillosa, este material en temporadas de invierno puede afectar el proceso de trituracin, bajando el rendimiento de la misma. Se recomienda entonces identificar los meses de lluvias fuertes para avanzar en ese tiempo en los niveles superiores del Frente Uno, y contrarrestar la humedad presente en el Macizo por filtraciones y la posterior al arranque.

7. BIBLIOGRAFA

DE VALLEJO GONZALEZ, Luis. Ingeniera Geolgica. PEARSON EDUCACIN S.A. Madrid 2002. P. 297.

LPEZ JIMENO, Carlos. Manual de perforacin y voladuras de rocas. ITGE, Madrid, 1994. P. 390.

LPEZ JIMENO, Carlos et al. Manual de sondeos. E.T.I.M. Madrid, 2000. P. 387

QUIJANO COTES, Daniel. Diseo de voladuras a cielo abierto. Tercera especializacin, 2006. P. 185.