articulo análisis y diseño de los taludes en la mina a cielo abierto de

ANÁLISIS Y DISEÑO DE LOS TALUDES EN LA MINA A CIELO
ABIERTO DE DIABASA DE TRITURADOS EL CHOCHO
Kevin Casanova R1 Juan Carlos Valencia1
1
Estudiantes de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana Cali
Resumen
En esta investigación se realiza un análisis a largo plazo del factor de seguridad para garantizar
la estabilidad de los taludes que quedarán al abandonar la mina “El Chocho”. Este análisis se realizó
empleando métodos probabilísticos teniendo en cuenta la variabilidad de las propiedades geo
mecánicas. Se utilizó el software Dips 6.0 con el cual se procesó la información y se revisó la
posibilidad de las diferentes formas de falla que podían presentar en el talud. También fue necesario
realizar simulaciones en el software RocPlane 3.0 y Swedge 6.0 para modelar la rotura plana y en
cuña que pudieran presentarse en el macizo rocoso.
seguridad, con el objeto de incorporar la
1. Introducción
información en el plan de abandono, teniendo
en cuenta que los factores de seguridad en
El abandono o cierre de minas presenta un
casos urbanos están usualmente cercanos a
nivel de complejidad alto, pues incluye todo
1,5 según la NSR-10.
lo relacionado con el medio ambiente físico
así como los aspectos operativos. Los
aspectos relacionados con el medio ambiente
físico incluyen en algunas ocasiones la
estabilización de taludes, la recuperación de
la cobertura vegetal, la reducción de
emisiones de material partículado por erosión
y la protección del recurso hídrico entre otros
elementos.
En Colombia, existen una serie de minas a
cielo abierto cercanas de las cabeceras
municipales de las ciudades grandes,
empleadas para la extracción de áridos para la
industria de la construcción civil. Por la
expansión urbana de las ciudades, tales como
Medellín y Santiago de Cali, estas minas
actualmente se encuentran en el área urbana y
por ende los lotes donde se localizan pasan a
tener un alto potencial y valor para ser
urbanizados.
En este trabajo se pretende analizar la
condición de estabilidad de los taludes de una
mina a cielo abierto incluyendo el efecto de la
variabilidad en la incertidumbre del factor de
1.1
Objetivo general
Cuantificar la influencia de la variabilidad
en la incertidumbre del factor de seguridad
para el plan de abandono de los taludes de un
macizo rocoso de una explotación minera de
cielo abierto.
1.2
Objetivos específicos
-
Estudiar la variabilidad de los
parámetros de clasificación geomecánica por medio de un
levantamiento de campo.
-
Propagar la variabilidad con una
herramienta probabilística cuantificar
el efecto de cada variable en la
estabilidad del macizo.
-
Diseñar los taludes en los diferentes
frentes trabajados y que cumplan con
el factor de seguridad sugerido en la
NSR-10.
2. Revisión bibliográfica
En esta sección se presentan los conceptos
que trascendentes para la investigación.
2.1
Macizo rocoso
El macizo rocoso consiste en una serie de
bloques o elementos de sustancia rocosa y
una estructura formada por familias de
discontinuidades. Por tal motivo su
comportamiento depende de ambos, roca y
discontinuidades, influyendo más unas u
otras en función de las características y las
propiedades del macizo.(Ramírez & Alejano,
2004)
2.2
donde,
SF= Factor de seguridad
c’ = Cohesión efectiva
φ= Angulo de fricción
ѱp = Angulo del plano de falla
W= Peso del bloque
U = Fuerza ejercida por la presión de
agua a lo largo del plano de
deslizamiento
V = Fuerza de la presión del agua en
la grieta
z = Presión en la profundidad de la
grieta
Análisis de estabilidad del macizo
rocoso
La Rotura plana se produce siguiendo
una
discontinuidad
con
direccion
aproximadamente igual a la del talud pero que
buza menos que este , quedando un prisma de
roca.
Figura 2 Representación de la rotura plana en
la red estereográfica (Suárez Burgoa, 2014)
La rotura en cuña se produce siguiendo
dos planos de discontinuidad, de manera que
el buzamiento de la linea de interseccion de
ambos planos tenga un buzamiento inferior al
angulo del talud, lo que descalza un tetraedro
o cuña de roca que podra deslizarse
eventualmente.
Figura 1. Equilibrio límite para la solución de
una falla plana (Eberhardt, 2003)
ѱi = Angulo de la línea de intersección
W= Peso del bloque
U = Fuerza ejercida por la presión de
agua a lo largo del plano de
deslizamiento
β,δ = Factores de geometría de la
cuña
Figura 3. Diagramas de fuerzas en las cuñas
(Eberhardt, 2003)
Fuerzas en la cuña
En la ¡Error! No se encuentra el origen
de la referencia.13 se ilustran los diagramas
de fuerzas en las cuñas.
a) Vista
perpendicular
b)vista a lo largo
Figura 4 Representación de la rotura en cuña en
la red estereográfica (Suárez Burgoa, 2014)
La rotura por volcamiento se produce si
se tiene una familia de discontinuidades poco
espaciadas que tengan un rumbo paralelo al
talud, pero que bucen contra este con una
inclinacion alta.
La rotura circular suele ocurrir en
macizos rocosos de mala calidad o
meteorizados o en suelos. Se produce
siguiendo una trayectoria circular.
de la intersección
donde,
SF = Factor de seguridad
φ = Angulo de fricción
c’ = Cohesión efectiva
Figura 5. Equilibrio límite para la solución para
una falla circular (Eberhardt, 2003).
(11)
donde,
SF= Factor de seguridad
S = Esfuerzo cortante efectivo
(S/∆b=c’+sntanf)
a = Angulo de la dovela
W= Peso del bloque
H = Empuje hidrostático de la grieta
de tracción
z= Tensión en el fondo de la grieta (0
relativo)
R= Longitud del brazo de momento
2.3
de seguridad de 2.38 y no presenta
probabilidad de falla.
En el segundo macizo se detectó un
mecanismo de falla plana, con un factor de
seguridad de 2.35 y con una probabilidad de
falla considerada como Bueno
Por otro lado en el macizo 3 se pudo
evidenciar 2 familias de discontinuidades que
generan un mecanismo de falla en cuña, con
un valor del factor de seguridad 1.34 sin tener
en cuenta las fuerzas ocasionadas por un
sismo, ya que incluyendo estas fuerzas el FS
es menor que 1 y la probabilidad da falla es
considerada como peligrosa.
Métodos Probabilísticos
El método de Monte Carlo (MCM) da
solución al problema a través de números que
se generan aleatoriamente con un gran
número de pruebas realizadas a las variables
independientes (Hidalgo Montoya & Pacheco
de Assis, 2011).
EL método FOSM Utiliza la serie de
Taylor para la determinación de la
distribución de probabilidad de una función
con un número de variables aleatorias.
El truncamiento de la función de expansión de
la Serie de Taylor forma la base de este método
(Hidalgo Montoya & Pacheco de Assis,
2011).
El método de Estimativas Puntuales
Consiste en estimar los momentos (media,
desviación estándar, etc) de la variable
dependiente en función de las independientes.
(Hidalgo Montoya & Pacheco de Assis,
2011).
3. Resultados
En el macizo 1 solo se pudo identificar un
mecanismo de falla plana y al procesar sus
datos en RocPlane se pudo verificar que esa
familia de discontinuidades genera un factor
Figura 6 Análisis de estabilidad determinístico
en RocPlane para el factor de seguridad de una
falla plana del macizo 1
4. Diseño
Debido a que el macizo 3 puede presentar
cuñas, se realizó una simulación en RocPlane
con una cuña de 4m de altura, que es la altura
del bloque que se observó en el macizo y que
posiblemente se puede desprender en algún
momento. Con la simulación se determinó
que para evitar estos desprendimientos era
necesario realizar pernos de anclaje con una
capacidad de 0.02 MN y que tenga las
siguientes características:
Figura 7 Detalle de pernos de anclaje
recomendado
Figura 8 Separación vertical recomendada del
anclaje en el talud
5. Conclusiones
Según el índice RMR los macizos de la
cantera son: macizos 1 y 2 de buena calidad,
y macizo 3 de muy buena calidad. De acuerdo
con la clasificación geomecánica en estos
macizos se esperan parámetros de resistencia
al corte en términos de Mhor-Coulomb de 3545° de fricción y 0.3 a 0.4 MPa de cohesión
para los macizos 1 y 2 y >45° y >0.4MPa para
el macizo 3 respectivamente. Si en estos
macizos se realiza una excavación
subterránea se podrían soportar túneles de 6
m de vano hasta 6 meses sin ningún tipo de
soporte adicional.
Para la estabilidad de los cortes actuales en
la explotación minera fueron identificados
dos mecanismos cinemáticos de movimiento,
falla planar y en cuña, los factores de
seguridad para el primer mecanismo
oscilaron entre 2,36 y 2,38 en la condición
estática y de 1,46 a 1,48 con el sismo de
diseño de la NSR-10. De lo anterior se puede
concluir que estos factores de seguridad son
bastante altos para una explotación minera,
donde es usual tener factores de seguridad
cercanos a la unidad (~1,0). Para el
mecanismo de falla por cuña el menor factor
de seguridad fue de 1,34, el cual aún es alto
para este tipo de actividades. Sin embargo
este valor es un valor sumamente conservador
ya que en el análisis la cuña tuvo 16 m de
altura, y no fueron identificados en campo
bloques o cuñas con estos tamaños, por los
que se presume que el factor de seguridad real
es mucho mayor.
A partir del análisis de confiabilidad
realizado con el método primer orden
segundo momento (FOSM) se pudo
evidenciar que el JRC es la variable que más
contribuye con la estabilidad del macizo
rocoso, Contribuye con una participación del
más del 90%
Por medio de esta tesis se proponen un
posible diseño de estabilidad para los taludes
basados en un estudio juicioso y exhaustivo
que se realizó en la cantera, llegando a la
conclusión que para la seguridad de las
personas que habiten esta zona se recomienda
taludes de 10 metros de altura con una
pendiente de 80°, y para posibles
desprendimientos de fragmentos de roca se
recomienda una malla anclada que cubra toda
la cara del talud con sus respectivas
especificaciones y por último se recomienda
utilizar el anclaje de cables para evitar
cualquier tipo de falla que pueda ocurrir.
Referencias Bibliograficas
Eberhardt, E. (2003). Rock Slope Stability
Analysis – U tilization of Advanced
Numerical Techniques. Vancouver, Canada:
Earth and Ocean Sciences at UBC.
Hidalgo Montoya, C. A., & Pacheco de
Assis, A. (2011a). Herramientas para Análisis
por Confiabilidad en Geotecnia: Aplicacion.
Revista de Ingeniería de La Universidad de
Medellín, 10(18), 79–86.
Hidalgo Montoya, C. A., & Pacheco de
Assis, A. (2011b). Herramientas para análisis
por confiabilidad en geotecnia: La teoría.
Scielo, 10.
Ramírez, P., & Alejano, L. (2004).
Mecanica de rocas: Fundamentos e
ingenieria de taludes.
Suárez Burgoa, L. O. (2014). Análisis De
Estabilidad De Taludes, 1–63.