Investigación sobre la Deformación en la Fase Pos-Crítica para Brechas ... Distrito Minero de Punitaqui- Región de Coquimbo-Chile.

Investigación sobre la Deformación en la Fase Pos-Crítica para Brechas de Falla del
Distrito Minero de Punitaqui- Región de Coquimbo-Chile.
Autores: *Alfonso Carvajal R., ** Jerzy Smolka y ***Danuta Krzyszton
* Universidad De La Serena – Chile : email ; [email protected]
** Centro de Investigaciones Mineras, Katowice – Polonia
*** Universidad de Minas y Metalurgia, Cracovia- Polonia
Resumen
El presente trabajo fue realizado por la Universidad de La Serena - Departamento de Minas
en el marco del Proyecto FODEF
D96I1003 y en colaboración con el Centro de
Investigaciones Mineras de Katowice y la Universidad de Minas y Metalurgia de Cracovia
– Polonia. En concreto el trabajo consistió en realizar algunos ensayos de carga y descarga
cíclica sobre muestras en una prensa del tipo rígida modelo MTS-810. Con los resultados
obtenidos se determinó el comportamiento de rocas de falla en su estado pos-crítico. Las
rocas usadas en los ensayos son clasificadas como brechas de trituración, fenómeno
producido por el fallamiento al corte de dos grandes bloques, fenómeno muy común en
yacimientos vetiformes , en este caso en el distrito minero de Punitaqui cuarta
región en Chile.
Algunos de los parámetros más importantes que se determinaron fueron: Módulos de
deformación y elasticidad, deformación crítica, deformación no reversible y el esfuerzo
máximo de rotura.
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Introducción
Las propiedades de deformación de las rocas en una fase pos-critica, llegan a ser de gran
importancia cuando se consideran proyectos de excavaciones a grandes profundidades,
donde los esfuerzos geoestáticos exceden la resistencia crítica de las rocas.
El reconocimiento de las deformaciones alrededor de las excavaciones subterráneas o
túneles, es muy importante en la ingeniería práctica. Altos valores de deformación no
reversible (plástica)
pueden causar convergencia, y el decrecimiento del módulo de
deformación en una fase pos- crítica testifica el decrecimiento de la resistencia de una roca
en su fallamiento progresivo.
El debilitamiento pos-crítico de un material de roca es determinado sobre la base de la
histérisis elástica que aparece como resultado de la carga y descarga cíclica en la fase poscrítica.
Este trabajo presenta la investigación del fallamiento progresivo de rocas mediante la
determinación de los parámetros esfuerzo- deformación en ciclos sucesivos de carga y
descarga. Dos tipos de rocas de falla fueron analizados llamadas brechas de trituración e
identificadas según su procedencia. Estas rocas están localizadas en una zona de falla en el
distrito minero Los Mantos de Punitaqui en la región de Coquimbo Chile.
Historia y Geología
Punitaqui es uno de los distritos mineros más antiguos del país, su historia se remonta al
año 1785, por el descubrimiento de minerales de Azogue.
Posteriormente entre 1937 y 1958, se reconocieron estructuras más llamativas por su
contenido de Cu, Au y Hg. En 1988 Cía. Minera Tamaya es adquirida por Anaconda Chile,
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empresa minera del Grupo Luksic. Cía. Minera TAMAYA S.A. y Northern Mines S.C.M.
Poseen pertenencias mineras que amparan los yacimientos Los Mantos, Delirio, Azogues y
Viña vieja.
La zona en estudio se encuentra localizada entre los paralelos 30º - 31º S y los meridianos
70º30’ y 71º45’W Provincia de Coquimbo. Ver Figura 1.
Figura 1.- Localización de la zona en estudio.
El distrito Los Mantos de Punitaqui, está constituido principalmente por estratos
mezosoicos que forman el ala occidental del sinclinorium en cuya parte central se presentan
fallas de rumbo NS. Los estratos son principalmente de origen continental, sin embargo,
gran parte de la formación Arqueros y Estratos del Reloj, incluyen numerosas
intercalaciones sedimentarias marinas entre las rocas volcánicas.
Formación de las rocas (brechas ) de falla
Existen tres conceptos relacionados entre sí: falla, zona de falla y zona de cizalla (e.g., Mc
Clay, 1987; Davis y Reynolds, 1996), utilizados a veces de manera indistinta y de manera
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incorrecta. Una falla es por definición una fractura frágil a lo largo de la cual ha ocurrido
un desplazamiento visible en general paralelo a la superficie de la misma. Por su parte una
zona de falla se encuentra compuesta por innumerables superficies de falla frágiles,
subparalelas e interconectadas, estrechamente espaciadas conteniendo zonas de brecha o
fault gouge. La zona de cizalla corresponde a una ancha zona de deformación generada
bajo condiciones dúctiles a dúctiles-frágiles. Las rocas son deformadas frágilmente en los
niveles superiores de la corteza terrestre y ductilmente en los inferiores. La profundidad a la
que la deformación pasa de frágil a dúctil es conocida como la transición dúctil-frágil y
generalmente se encuentra a unos 10-15 km. bajo la superficie (e.g., Sibson, 1990). En
dicha transición se desarrollan ambos tipos de deformación, mientras que por encima o por
debajo la importancia relativa de una de estas disminuye progresivamente. De cualquier
manera los 10-15 km. antes mencionados deben ser considerados como un referente general
solamente, ya que zonas de deformación dúctil pueden desarrollarse a profundidades
menores bajo condiciones de un gradiente geotérmico anómalamente alto y también pueden
darse deformaciones frágiles en profundidad como respuesta a movimientos sísmicos
bruscos. Existen dos series de rocas de deformación en relación con las zonas frágil y
dúctil, que representan tipos extremos dentro de una serie intermedia más amplia : la serie
cataclástita y la serie milonítica.
Técnicas de la investigación de propiedades geomecánicas en prensa rígida
Las investigaciones de las propiedades geomecánicas de resistencia a .la compresión y de
deformación se han realizado sobre probetas cilíndricas, preparadas desde colpas de dos
tipos de brecha de trituración, tomados de los pivotes 2 y 6 de la mina Milagro en el distrito
minero de Punitaqui. El tamaño de las probetas fue: 5,5 cm de diámetro, 9,10 cm de altura.
Se tomaron tres muestras de cada tipo de brecha de trituración.
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Las muestras de roca fueron testeadas en una prensa rígida modelo MTS-810 en
compresión uniaxial. Durante la investigación de las probetas, el crecimiento de la carga
compresiva fue controlado a través de la deformación longitudinal de las probetas. La
velocidad de deformación fue aproximadamente de 0,007 mm/s. El crecimiento efectivo de
la carga fue entre 0,3 y 0,4 MPa/s. Durante el estado de fallamiento (después de la carga
máxima), se realizaron ciclos de carga y descarga (desde 6 hasta 10 ciclos) y se
determinaron las resistencias y los módulos de deformación en dependencia del crecimiento
de la deformación. Ver Figura 2.
Figura 2.- Esquema de una máquina cervo controlada para test de comportamiento
pos-fallamiento.
Principios asumidos para la determinación de las propiedades de resistencia y de
deformación durante el estado de fallamiento
La determinación de los parámetros esfuerzo-deformación es mostrada en la Figura 3. Para
cada ciclo de carga y descarga los esfuerzos máximos
correspondientes deformaciones
icr
i
(i = 0,1,2,......n) y sus
fueron definidas. Los subíndices son referidos a
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número sucesivo de ciclos de carga y descarga. El ciclo denotado con “cero”, corresponde
al valor máximo de esfuerzo para una roca intacta (resistencia a la comprensión).
Figura 3..- Principios de determinación de las propiedades de resistencia y de
deformación en el estado pos-fallamiento.
Los módulos de deformación Eoob,............Enob fueron determinados a partir de la tangente
de las curvas de carga, y los módulos elásticos Eood,.........Enod fueron determinados desde
las tangentes de las curvas de descarga. El punto de intersección de la tangente de la curva
de carga y descarga con el eje de deformación, divide la deformación icr en deformación
elástica
sp y en deformación plástica no reversible n.
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Estas deformaciones fueron determinadas desde las curvas de carga (ispob) y de las curvas
(ispod) en cada ciclo de carga y descarga. En la Figura 3,
la determinación de la
deformación plástica y elástica en el tercer ciclo de carga y descarga es destacada.
Para el cálculo de los parámetros de esfuerzo – deformación, las siguientes fórmulas
conocidas fueron aplicadas:
Módulo de deformación
Eiob = Ficr / Ao * h / hiob
Módulo de elasticidad
Eiod = Ficr / Ao * h / hiod
Resistencia a la compresión
 = Ficr / Ao
deformación en el máximo esfuerzo
icr = hicr / h
deformación no reversible en la carga
inob = icr - ispob
deformación no reversible en descarga
inod = icr - ispod
Donde :
Ficr : carga máxima de carga en el ciclo respectivo
Ao : área inicial de la sección de la muestra
h
: altura inicial de la muestra
hiob , hiod – elongaciones de las muestras en carga y descarga
respectivamente
ispob, ispod deformación elástica en carga y descarga respectivamente
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Resultados obtenidos
Los valores numéricos de la resistencia a la compresión uniaxial y de los módulos de
elasticidad para la roca intacta y también para los ciclos sucesivos son incluidos en las
tablas 1 y 2. Los diagramas de los ensayos de resistencia a la compresión de los dos tipos
de brechas de trituración 5a y 5b son presentados en las Figura 4.
A modo de ejemplo, para la brecha de trituración muestra 5a (pivote 2 ) y muestra 9a (
pivote 6 ), los parámetros medidos son los siguientes:
a) muestra 5a
Resistencia a la compresión (Rc): 18,81 ¬ 21,48 MPa , media 19,94 MPa
Módulo de elasticidad (E) : 3.765 – 4 979 MPa , media 4.248 MPa
B) muestra 9a
Resistencia a la compresión (Rc): 38,02 ¬ 47,27 MPa , media 41,38 MPa
Módulo de elasticidad (E) : 7.631 ¬ 9.982 MPa , media 8.484 MPa
N° de la
muestra
Resistencia a
comprensión
MPa
%
Modulo
elástico
MPa
%
Deforma
ción %
N° de
los
ciclos
5a
N-0
18,81
100
3765
100
5,6
N-1
18,14
96,44
5759
152,95
6,47
N-2
12,67
67,36
4836
128,44
7,15
N-3
7,28
38,7
3207
85,18
8,91
N-4
5,39
28,65
2642
70,17
11,32
N-5
3,96
21,05
2200
58,43
14,7
N-6
3,03
16,11
1772
47,06
18,4
N-7
2,06
10,95
1073
28,5
22,7
N-8
1,39
7,39
827
21,97
27,87
Tabla 1.- Valores de parámetros de fase pos-fallamiento muestra 5a
8
N° de la
muestra
N° de
los
ciclos
Resistencia a
comprensión
MPa
%
9a
N°-0
N°-1
N°-2
N°-3
N°-4
N°-5
N°-6
N°-7
N°-8
N°-9
38,84
35,49
31,26
18,28
9,7
7,52
7,04
6,15
4,94
4,13
100
91,37
80,48
47,06
24,97
19,36
18,12
15,83
12,72
10,63
Módulo
elástico
MPa
%
9982
11129
8564
6033
4330
3704
3149
2957
2330
1491
100
111,49
85,8
60,44
43,38
37,11
31,54
29,62
23,34
14,94
Deforma
-ción cr
%
4,99
6,24
9,7
10,83
12,98
16,47
20,95
24,26
28,18
38,41
Tabla 2.- Valores de parámetros de fase pos-fallamiento muestra 9a
Comentarios
Desde las pruebas realizadas a las muestras en ciclos de carga y descarga en la fase pos
crítica, es evidente que el esfuerzo máximo y el módulo de deformación y elasticidad
decrecen al incrementar el número de ciclos, mientras que las deformaciones no reversibles
asociadas alcanzan valores mas y más altos.
Este trabajo confirma el fenómeno de decrecimiento gradual de la pendiente de la histérisis
esfuerzo – deformación durante el fallamiento progresivo de las rocas.
Las brechas ensayadas muestran que los valores de la deformación y de la resistencia a la
compresión disminuyen hasta los valores residuales, en algunos casos después del primer
ciclo y en algunos casos después del segundo ciclo el módulo elástico es superior al módulo
de la roca intacta.
9
5a
9a
Figura 4.- Gráficos del comportamiento pos-fallamiento de muestras 5a y 9a
El conocimiento de los cambios de los parámetros esfuerzo – deformación y el
debilitamiento de las rocas en la fase pos crítica puede ser muy útil en problemas mineros
particulares, tal como el dimensionamiento de pilares de protección bajo condiciones de
resistencia residual, evaluación de la estabilidad de excavaciones en regiones de macizos
rocosos alterados, especialmente aquellos localizados a grandes profundidades donde los
esfuerzos geostáticos sobrepasan la resistencia del macizo rocoso.
Las rocas localizadas en la zona de falla de Punitaqui (brechas de falla), tienen un
comportamiento de debilitamiento progresivo una vez que han alcanzado su fallamiento,
aspecto que puede finalizar con el hundimiento parcial o total de las excavaciones.
Los valores de los parámetros esfuerzo-deformación en rocas en la fase pos crítica pueden
ser de particular importancia en la solución basada en métodos numéricos.
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Referencias
1.- Carvajal A., Brunner F.y Díaz R.,: El Precableado como Reforzamiento en Explotación
de Vetas Estructuralmente Controladas y su Aplicación en Cía Minera Tamaya IV región
Chile”.CINAREM`98. Moa- Cuba.
2.- Brunner F., Carvajal A., Quintana R. y Díaz R. : Determinación de la Resistencia a la
Fractura del Macizo Rocoso del Distrito Minero los Mantos de Punitaqui de Cía. Minera
Tamaya”. CINAREM´98 Moa-Cuba.
3.- Brunner F., Carvajal A.. y Santander E.: Manual de Aplicaciones Geomecánicas a la
Explotación de Yacimientos Metalíferos Controlado por Sistema de Fallas. 1999, Edición
financiada por el Proyecto FONDEF D96I1003 Chile.
4.- Doblas M. y Oyarzún R.: Manual de Aplicaciones Geológico- Estructurales a la
Exploración de Yacimientos Metalíferos Controlados por Sistemas de Fallas”. 1999,
Edición financiada por el Proyecto FONDEF D96I1003 Chile.
5.- Krzyszton D. and Carvajal A.: Parameter Used in Geomechanical Classifications of
Jointed Rock Mass. Underground Construction 98. Cracow-Polond
6.-Krzyszton D.: Pre and post-failure behaviour of rock samples, Proceedings of the 10th
Plenary Scientific Session of the International Bureau of Strata Mechanics (World Mining
Congress) Stockolm, 4 June 1987, A.A. Balkema 1988, 37-43.
7.- Krzyszton D. And Smolka J. Investigation of deformation properties of Carboniferous
rocks in a post-critical phase. 1997 Central Mining Institute Katowice- Poland
8.- Krzyszton D. And Smolka J., Wosz Ryszard : Ensayos de Propiedades de la Resistencia
a la Compresión y del Comportamiento después del Fallamiento de las Brechas de
Trituración”. Informe interno del proyecto FONDEF D96I1003.
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