Aspectos fundamentales de
la Mecánica de Rocas con
respecto al avance de
labores subterráneas
Carrera: Ingeniería en Minas.
Asignatura: Fundamentos de Méc. de Rocas
Docente: Jorge Martínez Álvarez
Alumno: Luis Carlos Núñez Alveal
Índice
Contenidos Página
1. Introducción 1
2. Discontinuidades 4
2.1. Tipos de Discontinuidades 5
3. Clasificación geomecánica del maciso rocoso 11
3.1. Bieniawski 11
3.1.1. R.Q.D (Rock Quality Designation) 12
3.1.2. Priest & Hudson 13
3.1.3. Palmström 13
4. Orientación de las excavaciones 14
4.1. Rumbo paralelo al eje de excavación 14
4.2. Rumbo perpendicular al eje de excavación 14
5. Anexos 22
6. Bibliografía 27
1
1. Introducción
La mina es una excavación realizada en el subsuelo con él fin de extraer minerales.
Es el conjunto de instalaciones destinadas a la extracción y tratamiento previo de
dichos minerales, como tal, la infraestructura minera consta de una red de túneles, galerías,
inclinados, transversales, chimeneas, pozos internos y externos, niveles, subniveles, pisos,
subpisos, paneles, coladeros, etc., destinados unos a ventilación, otros al transporte, a
desplazamientos de los mineros, a evacuación de aguas los demás y a la explotación misma
los últimos.
Todas estas obras se caracterizan por:
localizaciones respecto a la profundidad, al frente de explotación, a los
accidentes geológicos, al mineral, etc.
direcciones paralelas al cruce de dos familias principales (situación bien
desfavorable), o en cualquier ángulo,
inclinaciones horizontales, subhorizontales, verticales.
tamaños es frecuente encontrar en una misma mina galerías de diferentes
dimensiones
formas si bien las formas más usuales en minería son las de herradura
(galerías principales) y las rectangulares (galerías en carbón), es frecuente
encontrar en la mina una gran variedad de formas: circulares, trapezoidales,
ovaloides, cuadradas, etc.
vida la vida de una galería minera es función de su servicio, habrán unas que
son permanentes y que tendrán que ser mantenidas a todo costo, otras que
deberán servir durante un tiempo menos largo y las demás que tendrán una
vida muy efímera, desaparecerán a medida que avance el frente de explotación
o tras haber cumplido la finalidad buscada.
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Por lo tanto cada una de ellas demanda de un cuidado particular inherente al servicio
que presta y a las solicitudes a las cuales está sometida. Podría decirse entonces que la
estabilidad de la mina es la estabilidad de sus galerías.
Los métodos empíricos evalúan la estabilidad de la infraestructura minera mediante
estudios estadísticos de condiciones subterráneas las cuales se soportan en la experiencia
práctica y el criterio del ingeniero.
Inicialmente se estudia la literatura y cartografía geológica e hidrogeológica existente
sobre la zona; luego se realiza el reconocimiento geológico para obtener una idea concreta
del macizo rocoso y establecer los métodos y volumen de las investigaciones de campo a
efectuarse en lo posterior.
Los trabajos más ampliamente difundidos para las investigaciones de campo
constituyen las perforaciones con obtención de testigos. Este método permite efectuar la
exploración del macizo rocoso, prácticamente hasta cualquier profundidad y obtener una gran
cantidad de muestras de roca.
Sin embargo la investigación de las propiedades del macizo, solamente por los
testigos, no da una información completa sobre el carácter del macizo y comportamiento de
las rocas en las galerías subterráneas.
La perforación de sondeos, también se emplea para la investigación de las aguas
subterráneas y permeabilidad de las rocas.
La información más completa y verídica, sobre las condiciones geológicas e
hidrogeológicas, se obtienen mediante la excavación de galerías de exploración: pozos,
piques o socavones; en estas galerías se ven directamente las rocas a atravesarse y sus
condiciones de orientación.
Los pozos socavones y piques franqueados con la finalidad de exploración, también
se emplea para ampliar el número de frentes de trabajo, la ventilación, el transporte de las
rocas y los materiales.
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Además de los trabajos de investigación enumerados, cada vez más se emplean las
investigaciones por métodos geofísicos, los cuales permiten estudiar la estructura y
composición del macizo rocoso directamente desde la superficie.
En estos métodos se aprovecha la diferencia de conductibilidad, velocidades de las
ondas sísmicas, variaciones de la magnitud de gravedad, propiedades magnéticas existentes
en las rocas.
Los métodos geofísicos de exploración son, especialmente efectivos cuando el túnel
va a gran profundidad, a centenas de metros de la superficie.
Las clasificaciones ingenieriles de la masa rocosa constituyen el método empírico
más conocido para garantizar dicha estabilidad. Las 7 clasificaciones más importantes son
las de Terzaghi (1946); Laufer (1958); Williamson (1959 -1960); Deere (1964); Wickham,
Tiedemann y Skinner (1972); Bieniawski (1973), y Barton, Lien y Londe (1974) Bieniawski
ofrece una detallada descripción de cada uno de ellos.
Estos métodos han recibido una creciente atención en los últimos años y en muchos
proyectos subterráneos se han utilizado como la única base práctica.
Los métodos analíticos determinan los esfuerzos y las deformaciones alrededor de las
cavidades subterráneas. Incluyen las técnicas de las soluciones exactas, los métodos
numéricos, las simulaciones análogas y la modelización física.
El éxito de estos métodos depende de la selección de los procedimientos de
modelización más apropiados, de la validez de las relaciones constitutivas del
comportamiento mecánico de las masas rocosas y de la confiabilidad de los parámetros de
entrada requeridos para el análisis.
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Los principales factores que afectan la estabilidad minera son:
El campo de esfuerzos in situ.
La resistencia, deformabilidad y otras propiedades mecánicas de los estratos.
Las condiciones del agua subterránea
El método y la calidad de la excavación
El soporte de las galerías
La interacción entre vías adyacentes.
2. Discontinuidades
Son cualquiera de los planos de origen mecánico o sedimentario que independiza o
separa los bloques de matriz rocosa de un macizo rocoso. La deformación de las rocas, ya
sea por ruptura o plegamiento da lugar a un cambio de forma y volumen en la estructura
original de éstas, en muchos casos la evidencia de estos procesos de deformación están
evidenciados en las estructuras que se forman justo después de la génesis de dichas rocas (no
confundir con estructuras primarias: volcánicas o sedimentarias), procesos que alteran la
dimensión original de la roca que dentro de un contexto frágil se manifiesta por medio
de discontinuidades.
Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja
o nula. Su comportamiento mecánico queda caracterizado por su resistencia al corte o, en su
caso, por la del material de relleno. Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades
o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento
frente a las operaciones de minado.
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2.1. Tipos de Discontinuidades
Planos de Estratificación
Es una superficie paralela a la superficie de deposición, que puede tener o no tener una
expresión física clara. Dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias (Fig 1).
Fig. 1
Fallas
Son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras menores que se
presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar
toda la mina.
Fallas Normales. Se producen en áreas donde las rocas se están separando de manera
que la corteza rocosa de un área específica es capaz de ocupar más espacio, las rocas
de un lado de la falla normal se hunden con respecto a las rocas del otro lado de la
falla. Este tipo de falla no genera salientes rocosos.
En una falla normal es posible que se pueda caminar sobre un área expuesta de la
falla.
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Fallas Inversas. Este tipo de fallas ocurren en áreas donde la rocas se comprimen
unas contra otras de manera que la corteza rocosa de un área ocupe menos espacio, la
roca de un lado asciende con respecto la roca del otro lado. En una falla inversa, el
área expuesta de ésta, es frecuentemente un saliente, de manera que no se puede
caminar sobre ella.
Zonas de corte
Son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido
fallamiento de la roca (Fig.2).
Fig. 2
7
Diaclasas
También denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que
más comúnmente se presentan en la masa rocosa, las diaclasas son las fracturas más
frecuentes y se presentan en todos los tipos de rocas, especialmente a nivel de la superficie y
también a grandes profundidades. Estas fracturas pueden tener dimensiones que se extienden
desde algunos milímetros hasta pocos metros (Fig. 3).
Fig. 3
Planos de exfoliación
Se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o
láminas (Fig. 4).
Fig. 4
8
Contacto litológico
Cuando comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta. Es la
superficie que separa los cuerpos de diferentes litologías, o tipos de rocas.
Un contacto litológico puede ser concordante o discordante según los tipos de rocas, sus
edades relativas y sus disposiciones. Una superficie de falla también puede actuar como un
contacto litológico (Fig. 5).
Fig. 5
Venillas
Son rellenos de las fracturas con otros materiales. Es un rompimiento en la roca en el cual
se puede apreciar un mínimo desplazamiento variable en un rango que va de (μ– cm), pueden
estar total o parcialmente rellenas por minerales masivos o compuestos de granos de cristal
fibrosos como cuarzo o calcita (Fig. 6).
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Fig. 6
Pliegues
Son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados, s una deformación de las
rocas, generalmente sedimentarias, en la que elementos de carácter horizontal, como los
estratos o los planos de esquistosidad (en el caso de rocas metamórficas), quedan curvados
formando ondulaciones alargadas y más o menos paralelas entre sí. Los pliegues se originan
por esfuerzos de compresión sobre las rocas que no llegan a romperlas (Fig. 7).
Fig. 7
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Diques
Son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas
o verticales. Es una formación ígnea intrusiva de forma tabular, su espesor es generalmente
mucho menor que sus restantes dimensiones y puede variar de algunos milímetros hasta
muchos metros, mientras que su extensión lateral puede alcanzar muchos kilómetros. Las
intrusiones de diques se suelen producir a favor de fracturas de carácter distensivo (Fig. 8).
Fig. 8
11
3. Clasificación geomecanica del macizo rocoso
Para definir las condiciones del macizo rocoso existen criterios de clasificación
geomecánica ampliamente difundidos en todo el mundo, como los desarrollados por Barton
y colaboradores (1974), Laubscher (1977), Bieniawski (1989), Hoek y Marinos (2000) y
otros.
Por su simplicidad y utilidad, están los criterios RMR (Valoración de la Masa Rocosa)
de Bieniawski (1989) y GSI (Índice de Resistencia Geológica) de Hoek y Marinos (2000),
los mismos que se determinan utilizando los datos de los mapeos geomecánicos efectuados
en las paredes de las labores mineras.
En esta clasificación se tienen en cuenta aspectos como la orientación de las
discontinuidades con respecto a la excavación, para utilizar la clasificación RMR, se
recomienda dividir el macizo rocoso en zonas más o menos homogéneas, es decir, que tengan
propiedades geológicas similares. Para cada tramo definido, se toman datos referentes a las
propiedades de la matriz rocosa y a las discontinuidades que estén presentes.
3.1. Bieniawski
Esta clasificación se ha desarrollado a partir de las experiencias realizadas en África
del Sur. Su aplicación no tiene apenas limitaciones, excepto en rocas expansivas y fluyentes
donde no es aconsejable su uso.
Para determinar la calidad del macizo rocoso, se divide este en dominios estructurales,
es decir en zonas delimitadas por discontinuidades geológicas dentro de las cuales la
estructura es prácticamente homogénea. La estructura del macizo rocoso comprende el
conjunto de fallas diaclasas, pliegues y demás características geológicas propias de una
región.
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El parámetro que define la clasificación es el denominado INDICE RMR (Rock Mass
Rating), que evalúa la calidad del macizo rocoso a partir de seis parámetros.
Resistencia a la roca intacta
R.Q.D. (Rock Quality Designation)
Espaciado de las discontinuidades
Condición de las discontinuidades
Condiciones hidrológicas
Ajuste por orientación de las juntas
Los resultados obtenidos son:
El valor RMR
Clase y descripción del macizo rocoso
Guía para excavación y sostenimiento de túneles
3.1.1. R.Q.D. (Rock Quality Designation) (Fig. 10)
𝑅𝑄𝐷 (𝑡𝑒𝑠𝑡𝑖𝑔𝑜) = 𝛴 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑖𝑔𝑜𝑠 ≥ 10 𝑐𝑚
𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑟𝑜∗ 100%
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3.1.2. Priest & Hudson
𝑅𝑄𝐷 = 100℮0,1𝜆(0,1𝜆+1)
Donde:
𝜆 = 𝑁° 𝐹𝑖𝑠𝑢𝑟𝑎𝑠
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙 <
6 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙
> 16 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙
3.1.3. Palmstrom
𝑅𝑄𝐷 = 115 ∗ 3,3 (𝐽𝑣)
Donde:
𝐽𝑣 = 𝑁° 𝐹𝑖𝑠𝑢𝑟𝑎𝑠
𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑢𝑏𝑖𝑐𝑜
Fig. 10 Testigos de perforación diamantina
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4. Orientación de las excavaciones
La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la
dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural
dominante de la masa rocosa.
Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más
ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de
avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la
vida de la mina, representando peligro de caída de rocas.
4.1. Rumbo paralelo al eje de excavación
Cuando el rumbo es paralelo al eje de excavación de una labor, existe un gran riesgo
de un desprendimiento de rocas, puesto que los estratos, fallas, etc. Se encuentra sobre el
techo de la labor, esto no tiene un autosostenimiento y en cualquier momento podría
derrumbarse.
Este tipo de dirección de excavación requiere mucho sostenimiento, implicando un
aumento en los costos de sostenimiento. Pero en muchos casos el mineral se presenta de esta
forma, y si el mineral paga el sostenimiento, no sería muy costoso.
Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de
discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las
condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento
de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45°.
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En condiciones de avance muy desfavorables para la estabilidad de la excavación, la
estructura rocosa funciona a manera de varillas apiladas en forma paralela a la excavación
que a su vez, presentan inestabilidad (Fig. 11).
Fig. 11
Condición muy desfavorable Buzamiento de 40° - 45°
Condición regular Buzamiento de 20° - 45°
Condición regular Buzamiento de 0° - 20°
(Cualquier rumbo)
En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante
preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica.
En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la
excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla.
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En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en
ambientes de altos esfuerzos (Fig.12)
Fig. 12 Problemas de inestabilidad cuando la excavación avanza paralela a una falla
4.2. Rumbo perpendicular al eje de excavación
Cuando la dirección de la excavación es perpendicular a los estratos, fallas, etc. Se
tiene una mayor estabilidad de la labor y no se necesita mucho sostenimiento, pues en muchos
casos se autosostienen.
Asimismo evitándose accidentes como el desprendimiento de rocas, etc. Esta sería la
mejor forma de avanzar en un frente, pero muchas veces sabemos que la dirección del
mineral, no siempre es perpendicular, pero puede variar en cuanto al buzamiento.
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En condiciones de avance muy favorables para la estabilidad la estructura rocosa
funciona a manera de varillas apiladas en forma perpendicular a la excavación donde las
mismas presentan buena estabilidad (Fig.13).
Avance con el buzamiento
Condición muy favorable Buzamiento de 45° - 90°
Condición favorable Buzamiento de 20° - 45°
Avance contra el buzamiento
Condición regular Buzamiento de 45° - 90°
Condición desfavorable Buzamiento de 20° - 45°
Fig. 13
El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo
recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña, sino que la excavación
atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular al eje de la excavación,
en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el autosostenimiento de la
excavación, en lo posible, la excavación debe atravesar la cuña (Fig. 14).
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Fig. 14
Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras
en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales.
En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las
condiciones de su estabilidad.
En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos,
presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a
los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la
concentración de los flujos de agua y de los esfuerzos.
Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías
para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina.
La condición más ventajosa para la ubicación de un túnel, constituye la ausencia de
dislocaciones a lo largo de la extensión de mantos horizontales potentes, conformados de
rocas estables.
La posición del túnel es menos ventajosa cuando se lo ubica en mantos inclinados a
lo largo de la extensión o perpendicular a él.
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En el primer caso debe esperarse grandes presiones del manto sobre el revestimiento,
en el segundo, caso es posible el colgamiento y caídas de bloques del manto a la galería,
también abundante salida de agua en los lugares en que la galería corta a los planos de
contacto.
Cuando el túnel se dispone en mantos plegados, a lo largo de su extensión, los sitios
de presencia de anticlinales son relativamente más ventajosos: aquí se debe esperar presiones
no mayores y pequeñas cantidades de agua. La ubicación del túnel será desventajosa si se
encuentra en los flancos del anticlinal, y de manera especial, si se halla en un sinclinal, donde
además de grandes presiones de las rocas sobre la construcción debe esperarse la salida de
grandes cantidades de agua.
Si el túnel se dispone perpendicular a la extensión de los plegamientos, entonces las
condiciones serán mucho más pesadas que cuando se lo ubica en mantos inclinados, debido
a que no existe un determinado sistema por el que atraviese la galería a las diferentes partes
del plegamiento (Fig. 15).
Altamente desventajoso constituye el paso de la galería a través del plano de falla. En
este sitio es posible el interdesplazamiento de las partes del manto y la salida de grandes
corrientes de aguas subterráneas. La construcción del revestimiento del túnel, en los sitios de
las fallas debe ser reforzada.
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Fig. 15
Donde:
(a) Condiciones regulares
(b) Condiciones desfavorables
(c) Condiciones muy desfavorables
(A) Tramo de galería de condiciones favorables
(B) Tramo de condiciones desfavorables.
El relleno no debe alterar el corrimiento natural del agua a fin de evitar la creación de
sobrepresiones hidráulicas y el desarrollo de fenómenos cársticos en los sitios aledaños.
Cuando se selecciona la dirección del trazado del túnel, en regiones de elevada
sismicidad, es indispensable rehuir de los macizos constituidos por rocas inestables y
saturadas de agua, así como de las zonas de fallas tectónicas.
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Pese a que los túneles constituyen estructuras antisísmicas, en regiones donde es
posible sismos con más de 6 grados (en la escala de 12), es indispensable optar por medidas
especiales, para elevar la resistencia de las construcciones al sismo, mediante el reemplazo
de los elementos de hormigón comunes por hormigón armado, también debe preverse la
posibilidad de realizar el cálculo del interdesplazamiento de los elementos vecinos de las
construcciones aledañas, sin que sufran alteración en su capacidad de carga.
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5. Anexos
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6. Bibliografía
Javier Lillo & Roberto Oyarzun (2013), Geología estructural aplicada a la
minería y exploración minera. Principios Básicos.
Juan Montero Olarte, Caracterización geológica de macizos rocosos (cap. 11).
Humberto Sosa González (1990), Fundamentos sobre excavación de túneles.
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