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.