universidad central del ecuador facultad de ingeniería en geología
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y AMBIENTAL CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA “CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL PLAN DE CIERRE Y LIQUIDACIÓN DE LAS CANTERAS UBICADAS EN LAS PARROQUIAS DE SAN ANTONIO DE PICHINCHA (“FUCUSUCU III”) Y DE PÍNTAG (“ESPERANZA”)” CAIZALUISA JÁCOME VERÓNICA CAROLINA CRIOLLO ANDAGOYA SILVANA ALEXANDRA Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar por el Título de Ingenieras en Geología Grado Académico de Tercer Nivel. Quito, Octubre del 2015 UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y AMBIENTAL CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA “CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL PLAN DE CIERRE Y LIQUIDACIÓN DE LAS CANTERAS UBICADAS EN LAS PARROQUIAS DE SAN ANTONIO DE PICHINCHA (“FUCUSUCU III”) Y DE PÍNTAG (“ESPERANZA”)” Trabajo de Grado presentada como requisito parcial para optar por el Título de Ingenieras en Geología Grado Académico de Tercer Nivel. Autores CAIZALUISA JÁCOME VERÓNICA CAROLINA CRIOLLO ANDAGOYA SILVANA ALEXANDRA Tutor ING. ADÁN GUZMÁN Quito, Octubre del 2015 i AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL Nosotras, Caizaluisa Jácome Verónica Carolina, Criollo Andagoya Silvana Alexandra, en calidad de autores de la tesis realizada sobre: “CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL PLAN DE CIERRE Y LIQUIDACIÓN DE LAS CANTERAS UBICADAS EN LAS PARROQUIAS DE SAN ANTONIO DE PICHINCHA (“FUCUSUCU III”) Y DE PÍNTAG (“ESPERANZA”)”, por la presente autorizamos a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que contiene la obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autores nos corresponden, con excepción de la presente autorización seguirán vigentes a nuestro favor, de conformidad a lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento. Quito, 30 de Septiembre del 2015 ------------------------------------------ ------------------------------------------ Caizaluisa Jácome Verónica Carolina Criollo Andagoya Silvana Alexandra C.C. 1723178008 C.C. 1719363622 ii APROBACIÓN DEL TUTOR En mi calidad de Tutor del Trabajo de Grado, presentado por las señoritas Caizaluisa Jácome Verónica Carolina, Criollo Andagoya Silvana Alexandra, para optar por el Título de INGENIERAS EN GEOLOGÍA, cuyo título es: “CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL PLAN DE CIERRE Y LIQUIDACIÓN DE LAS CANTERAS UBICADAS EN LAS PARROQUIAS DE SAN ANTONIO DE PICHINCHA (“FUCUSUCU III”) Y DE PÍNTAG (“ESPERANZA”)”. Considero que dicho trabajo reúne los requisitos suficientes para ser sometido a la presentación pública y evaluación por parte del jurado examinador que se designe. En la Ciudad de Quito a los 30 días del mes de Septiembre del 2015. ----------------------------------Ing. Adán Guzmán TUTOR DE TESIS C.C. 1800727115 iii APROBACIÓN DEL TRIBUNAL El tribunal constituido por: Ing. Alex Mateus, Ing. Danny Burbano. Que la presente tesis denominada “CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL PLAN DE CIERRE Y LIQUIDACIÓN DE LAS CANTERAS UBICADAS EN LAS PARROQUIAS DE SAN ANTONIO DE PICHINCHA (“FUCUSUCU III”) Y DE PÍNTAG (“ESPERANZA”)” , ha sido íntegramente desarrollada por las señoritas Caizaluisa Jácome Verónica Carolina, Criollo Andagoya Silvana Alexandra, egresadas de la Carrera de Ingeniería en Geología, ha sido revisada y verificada, dando fe de la originalidad del trabajo. Ha emitido el siguiente veredicto: Se ha aprobado el Proyecto de Tesis para su Defensa Oral. En la ciudad de Quito, a los 29 días del mes octubre del 2015 Para constancia de lo actuado firman: ------------------------------------------ ------------------------------------------ Ing. Alex Mateus Ing. Danny Burbano REVISOR TESIS REVISOR TESIS iv DEDICATORIA A Dios, por llenarme de sabiduría, paciencia y fuerza para cumplir cada meta propuesta, por aquellas personas que puso en mi camino y que han sido mi soporte durante todo este tiempo. A mi querida madre, por su sacrificio, su apoyo, su ejemplo y su amor que me impulsaron a ser una persona de bien y a seguir en el camino sin miedo. A la memoria de mi tío Carlos, por sus consejos, su ánimo, su alegría y sobre todo por su ejemplo de lucha y superación, que me levantaron en momentos de flaqueza, porque sé que la felicidad que ahora siento, también es la suya desde el cielo. ¡Eternamente agradecida tío! A mi hermana y mi sobrina por cada momento compartido y por llenar mi vida de tanta alegría. A mi abuelita y a la memoria de mi abuelito por su amor incondicional. A mi familia y amigos por su gran apoyo y cariño. ¡A todos ustedes, mil gracias por estar siempre ahí! Verónica v DEDICATORIA A Dios por guiar mi camino, darme las fuerzas para seguir siempre adelante, por permitir culminar está de mi vida, por darme la oportunidad de tener a mi lado a seres maravillosos como son mi familia y amigos. A mi padre por su esfuerzo, valentía, paciencia y coraje de estar siempre junto a nosotras, por ser el mejor , por dedicar nos tú vida entera y aunque muy pocas veces te lo digo TE AMO. A la memoria de mi primo Christian David Vimos Andagoya, cuanto me hiciste reír con tus locuras, me hubiese encantado estar a tu lado siempre. Te quiero y nunca te olvidare. A mi sobrina Camilita por ser la estrella que alumbró nuestras vidas y las lleno de felicidad. A mi tía Maty, por ser como una madre. Gracias por acompañarme en mis tristezas y alegrías . A mis hermanas Tatiana y Camila por su apoyo. Las quiero son las mejores. A mi gran amor Gustavo Obando por su apoyo incondicional. TE AMO. A mi madre y su esposo Ermo por su amor , paciencia y comprensión. A mis abuelitos Cayetano, Aleja (+), Camilo (+) y Carmen. A mi pequeña Antonella por ser como una hija. A mis pequeños hermanos Ermito y Andresito. A Sabi por ser mi compañerito. A toda mi familia y amigos. Gracias a todos Alexandra vi AGRADECIMIENTOS Al finalizar el desarrollo del presente trabajo, viene a nosotras un sentimiento de profundo agradecimiento con aquellas personas que lo hicieron posible. De manera especial queremos agradecer a los Ingenieros: Adán Guzmán y Alex Mateus por su gran capacidad para guiar esta investigación a través de sus conocimientos, experiencia, paciencia y motivación, que además han permitido nuestra formación como investigadoras. Ha sido un verdadero privilegio contar con su ayuda. De igual manera agradecemos a los técnicos de las canteras en estudio, Ingenieros: Roberto Rodríguez, Edgar Madrid y Wladimir Brito, quienes desinteresadamente nos acogieron y nos brindaron valiosa información que permitió el avance de nuestra investigación. A nuestros amigos: Luis, Elaine, Daniela, Mayrita y todos aquellos que aunque no se puedan nombrar, debido a que resultaría muy extenso, nos han brindado su amistad, apoyo y ánimo en todo momento durante toda nuestra vida universitaria. Con todo nuestro cariño, gracias a Dios y a nuestras familias por ser nuestro apoyo y guiarnos a lo largo de nuestras vidas, y sobre todo por darnos fortaleza en momentos de debilidad. Para ustedes muchas gracias por todo. Verónica y Alexandra vii ABREVIATURAS N: Norte S: Sur O: Oeste E: Este RMR: Rock Mass Rating SMR: Slope Mass Rating Ha: Hectáreas UTM: Universal transversal Mercator PSAD: Provisional South American Datum IAV: Valle interandino RQD: Rock Quality Designation Az: Azimuth de buzamiento msnm: Metros sobre el nivel del mar SIG: Sistema de Información Geográfica viii ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO I .......................................................................................................................... 1 1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1 1.1 ANTECEDENTES ................................................................................................................... 1 1.2 JUSTIFICACIÓN..................................................................................................................... 1 1.3 ALCANCE.............................................................................................................................. 2 1.4 OBJETIVOS ........................................................................................................................... 3 1.4.1 General ................................................................................................................................. 3 1.4.2 Específicos ............................................................................................................................ 3 1.5 UBICACIÓN .......................................................................................................................... 3 1.5.1 Fucusucu III ........................................................................................................................... 3 1.5.2 Esperanza .............................................................................................................................. 4 CAPÍTULO II ......................................................................................................................... 7 2 MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 7 2.1 GEOLOGÍA REGIONAL .......................................................................................................... 7 2.2 GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO ................................................................................. 9 2.2.1 Calidad del macizo rocoso por el método de Bieniawski (RMR) .......................................... 9 2.2.2 Método Romana (SMR) ...................................................................................................... 15 2.2.3 Tipos de roturas en los taludes ........................................................................................... 18 2.3 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LA CANTERA .................................................................. 20 2.3.1 Profundidad de la Cantera (H) ............................................................................................ 21 2.3.2 Límites finales ..................................................................................................................... 21 2.3.3 Ángulo del borde de liquidación de la cantera ................................................................... 21 2.3.4 Banco .................................................................................................................................. 21 2.3.5 Altura del banco.................................................................................................................. 21 2.3.6 Prisma de deslizamiento o borde de seguridad (B) ............................................................ 22 2.3.7 Berma ................................................................................................................................. 22 2.3.8 Ángulo de talud de banco (∝ 𝟏) ........................................................................................ 23 ix 2.3.9 2.4 Plataforma de trabajo del banco ........................................................................................ 23 METODOLOGÍA PARA LA EJECUCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ............................................. 23 2.4.1 Tipo de estudio ................................................................................................................... 23 2.4.2 Técnicas .............................................................................................................................. 24 2.4.3 Herramientas ...................................................................................................................... 24 2.4.4 Procedimiento .................................................................................................................... 25 CAPÍTULO III .................................................................................................................... 27 3 ANÁLISIS Y DISEÑO DE TALUDES DE LA CANTERA FUCUSUCU III ......... 27 3.1 GEOLOGÍA LOCAL .............................................................................................................. 27 3.1.1 3.2 Litoestratigrafía .................................................................................................................. 28 GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO ............................................................................... 33 3.2.1 3.3 Evaluación geomecánica del macizo rocoso ....................................................................... 33 EVALUACIÓN DE LOS ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA CANTERA FUCUSUCU III ............. 46 3.3.1 Parámetros actuales de explotación de la cantera Fucusucu III ......................................... 46 3.3.2 Parámetros finales de la cantera Fucusucu III .................................................................... 47 3.3.3 Etapa de cierre .................................................................................................................... 49 3.3.4 Etapa de operación ............................................................................................................. 50 3.4 ANÁLISIS CINEMÁTICO DE TALUDES .................................................................................. 50 3.4.1 Rotura Planar ...................................................................................................................... 50 3.4.2 Factor de ajuste de las discontinuidades (F1xF2xF3) y excavación (F4) por el método Romana (SMR) ................................................................................................................................. 53 3.5 DISCUSIÓN......................................................................................................................... 57 CAPÍTULO IV..................................................................................................................... 58 4 ANÁLISIS GEOMECÁNICO Y DISEÑO DE TALUDES DE LA CANTERA ESPERANZA....................................................................................................................... 58 4.1 4.1.1 4.2 GEOLOGÍA LOCAL .............................................................................................................. 58 Litoestratigrafía .................................................................................................................. 58 GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO ............................................................................... 61 x 4.2.1 4.3 Evaluación geomecánica del macizo rocoso ....................................................................... 61 EVALUACIÓN DE LOS ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA CANTERA ESPERANZA ................ 69 4.3.1 Etapa de operación ............................................................................................................. 70 4.3.2 Etapa de cierre .................................................................................................................... 71 4.4 RESERVAS EXTRAÍBLES DE MATERIAL PÉTREO ................................................................... 72 4.5 DISCUSIÓN......................................................................................................................... 72 CAPÍTULO V ...................................................................................................................... 74 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES........................................................... 74 5.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 74 5.2 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 76 CAPÍTULO VI..................................................................................................................... 77 6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 77 CAPÍTULO VII ................................................................................................................... 80 7 ANEXOS ...................................................................................................................... 80 xi LISTA DE FIGURAS Figura 1: Mapa de Ubicación de las Concesiones Mineras Fucusucu III y Esperanza ............................. 6 Figura 2: Correlación Estratigráfica tentativa en las Cuencas De IAV .................................................... 8 Figura 3: Geometría de bloques en macizos fracturados ..................................................................... 10 Figura 4: Medida de la orientación de discontinuidades...................................................................... 11 Figura 5: Perfiles de rugosidad (ISMR, 1981) ....................................................................................... 12 Figura 6: Rotura planar ........................................................................................................................ 18 Figura 7: Rotura por cuña .................................................................................................................... 19 Figura 8: Rotura por vuelco .................................................................................................................. 20 Figura 9: Parámetros o criterios de diseño de una mina a cielo abierto. ............................................. 20 Figura 10: Prisma de deslizamiento ..................................................................................................... 22 Figura 11: Geología de e la Concesión Minera Fucusucu III ................................................................. 27 Figura 12: Columna estratigráfica de depósitos piroclásticos (UTM 85275/ 4230) ............................. 32 Figura 13: Mapa de RQD de la cantera Fucusucu III ............................................................................ 35 Figura 14: Mapa de Rock Mass Rating (RMR) cantera Fucusucu III. .................................................... 45 Figura 15: Parámetros geométricos en los bancos de explotación ...................................................... 46 Figura 16: Parámetros geométricos de liquidación de la cantera Fucusucu III .................................... 47 Figura 17: Rotura planar en el tramo 2270-II-C de Fucusucu III ........................................................... 51 Figura 18: Rotura en cuña en el tramo 2350-II-A-B1 de Fucusucu III ................................................... 52 Figura 19: Rotura por vuelco en el tramo 2350-II-B-B1 de Fucusucu III ............................................... 53 Figura 20: Mapa de Slope Mass Rating (SMR).Cantera Fucusucu III. ................................................... 56 Figura 21: Mapa de calidad del macizo rocoso por el método Bieniawski RMR – Cantera Esperanza 68 xii LISTA DE TABLAS Tabla 1: Coordenadas UTM “Fucusucu III” ............................................................................................. 4 Tabla 2: Coordenadas UTM “Esperanza” ............................................................................................... 4 Tabla 3: Clasificación en base a la resistencia de la roca ....................................................................... 9 Tabla 4: Descripción del espaciado ...................................................................................................... 11 Tabla 5: Descripción de continuidad (ISMR, 1981) ............................................................................... 12 Tabla 6: Descripción de la abertura (ISMR, 1981) ................................................................................ 13 Tabla 7: Descripción de las filtraciones en discontinuidades ............................................................... 14 Tabla 8: Parámetros de la clasificación Geomecánica RMR básico ..................................................... 15 Tabla 9: Clasificación SMR (1985) ........................................................................................................ 17 Tabla 10 : Ángulos para los taludes de los bordes en receso ............................................................... 21 Tabla 11: Resultados de los ensayos de compresión simple ................................................................ 34 Tabla 12: Tabla resumen de la familia I de la cantera Fucusucu III ...................................................... 43 Tabla 13: Tabla resumen de la familia II de la cantera Fucusucu III ..................................................... 43 Tabla 14: Tabla resumen de la familia III de la cantera Fucusucu III .................................................... 44 Tabla 15: Tabla resumen de la familia IV de la cantera Fucusucu III ................................................... 44 Tabla 16: Elementos geométricos de explotación de la cantera Fucusucu III ...................................... 47 Tabla 17: Elementos geométricos del diseño final de la cantera Fucusucu III ..................................... 48 Tabla 18: Elementos geométricos finales de la cantera Fucusucu III ................................................... 49 Tabla 19: Elementos geométricos durante la etapa de operación de la cantera Fucusucu III ............. 50 Tabla 20: Secciones que presentan rotura planar de la cantera Fucusucu III ...................................... 50 Tabla 21: Secciones con presencia de rotura en cuña de la cantera Fucusucu III ................................ 51 Tabla 22: Tramos que presentan estabilidad buena y normal de la cantera Fucusucu III ................... 54 Tabla 23: Tramos que presentan estabilidad mala de la cantera Fucusucu III .................................... 55 Tabla 24: Tramos que presentan estabilidad muy mala de la cantera Fucusucu III ............................. 55 Tabla 25: Elementos geométricos durante la etapa de operación de la cantera Esperanza ............... 70 Tabla 26: Elementos geométricos finales de la cantera Esperanza ..................................................... 71 Tabla 27: Reservas extraíbles estimadas. Cantera “Esperanza” .......................................................... 72 xiii LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1: Espaciado entre discontinuidades – Cantera Fucusucu III ................................................... 37 Gráfico 2: Continuidad de las discontinuidades - Cantera Fucusucu III ................................................ 38 Gráfico 3: Rugosidad de las discontinuidades - Cantera Fucusucu III .................................................. 39 Gráfico 4: Abertura entre discontinuidades - Cantera Fucusucu III...................................................... 39 Gráfico 5: Relleno en las discontinuidades - Cantera Fucusucu III ....................................................... 40 Gráfico 6: Meteorización en las discontinuidades - Cantera Fucusucu III ............................................ 41 Gráfico 7: Filtraciones de agua - Cantera Fucusucu III ......................................................................... 42 Gráfico 8: Espaciado entre discontinuidades – Cantera Esperanza ..................................................... 62 Gráfico 9: Continuidad de las discontinuidades – Cantera Esperanza ................................................. 63 Gráfico 10: Rugosidad de las discontinuidades – Cantera Esperanza .................................................. 63 Gráfico 11: Abertura entre las discontinuidades – Cantera Esperanza ................................................ 64 Gráfico 12: Relleno en las discontinuidades - Cantera Esperanza ....................................................... 64 Gráfico 13: Meteorización – Cantera Esperanza .................................................................................. 65 Gráfico 14: Flujo de agua en las discontinuidades – Cantera Esperanza ............................................. 67 xiv LISTA DE FOTOGRAFÍAS Fotografía 1: Ensayo de compresión realizados sobre cubos de roca. 7-A) Cubos de roca 7-B) Aplicación de la carga 7-C) Rotura del cubo de roca ................................................................... 26 Fotografía 2: Afloramiento de tobas soldadas en contacto con dacitas con anfíbol y piroxeno en el banco 2666. Cantera Fucusucu III ................................................................................................ 28 Fotografía 3: Depósito de flujo piroclástico “block and ash” (UTM 86390/03989). Cantera Fucusucu III ..................................................................................................................................................... 29 Fotografía 4: Afloramiento de rocas dacíticas con anfíbol .................................................................. 30 Fotografía 5: Bancos de explotación de rocas dacíticas con anfíbol y piroxeno muy fracturadas (UTM 86014/03845). Cantera Fucusucu III ............................................................................................ 31 Fotografía 6: Afloramiento de depósitos de caída, presentan intercalación de ceniza, arena, lapilli.. 31 Fotografía 7: Cantera Fucusucu III dividida en zonas de estudio ......................................................... 33 Fotografía 8: Dacita con anfíbol altamente fracturada ....................................................................... 36 Fotografía 9: Dacita con anfíbol, espaciado entre planos de discontinuidades. .................................. 37 Fotografía 10: Parámetros de continuidad, abertura, relleno y rugosidad en el macizo rocoso ......... 40 Fotografía 11: Banco 2297 tramo II-C-B2 (UTM 86108/3957 a 86123/3809). .................................... 42 Fotografía 12: Afloramiento de Cangahua (UTM). Cantera Esperanza. ............................................. 58 Fotografía 13: Autobrecha andesítica – basáltica ( UTM 795056/ 9953118). Cantera Esperanza. .... 59 Fotografía 14: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno ................................................ 60 Fotografía 15: Lavas basálticas tipo AA UTM ( 795230/ 9953218). Cantera Esperanza ..................... 61 Fotografía 16: Lava andesita basáltica con piroxeno........................................................................... 62 Fotografía 17: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno ................................................ 65 Fotografía 18: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno ................................................ 66 Fotografía 19: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno moderadamente alterada (UTM 795088/ 9953205). Cantera Esperanza ....................................................................................... 69 Fotografía 20: Toma de ángulos de buzamiento en taludes ................................................................ 71 xv UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA, MINAS, PETRÓLEOS Y AMBIENTAL CARRERA DE INGENIERÍA EN GEOLOGÍA “CARACTERIZACIÓN GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO PARA EL PLAN DE CIERRE Y LIQUIDACIÓN DE LAS CANTERAS UBICADAS EN LAS PARROQUIAS DE SAN ANTONIO DE PICHINCHA (“FUCUSUCU III”) Y DE PÍNTAG (“ESPERANZA”)” Autores: Verónica Caizaluisa Alexandra Criollo Tutor: Ing. Adán Guzmán RESUMEN La presente investigación tuvo como objetivo principal realizar la caracterización geomecánica del macizo rocoso para el plan de cierre y liquidación de las canteras “Fucusucu III” y “Esperanza”, para esto se partió de un estudio geológico y geomecánico a través del Método Bieniawski (RMR) en cada área, el cual permitió estimar la calidad del macizo rocoso. La Cantera Fucusucu III, posee un diseño de explotación y liquidación, sin embargo mediante el análisis de estabilidad de taludes realizado mediante el Método Romana (SMR), se identificaron zonas de inestabilidad para las cuales se propuso una corrección en los elementos geométricos de dichos taludes, con el fin de garantizar una estabilidad temporal durante la etapa de operación y una a largo plazo durante la etapa de liquidación. La Cantera Esperanza se explota de manera anti-técnica, razón por la cual se ha realizado un diseño de explotación y uno de liquidación, tomando como base la topografía del área y sus características geomecánicas; además se ha estimado el volumen de reservas extraíbles en la cantera a través de un análisis gráfico, método de Isolíneas. Palabras clave: Geomecánica, estabilidad, diseño, explotación, liquidación, reservas. xvi xvii xviii CAPÍTULO I 1 1.1 INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES En el Ecuador, varias de las concesiones mineras dedicadas a la explotación de materiales pétreos no cumplen con las medidas de estabilidad de taludes que garanticen la seguridad de los trabajadores y que a su vez permitan un buen aprovechamiento del recurso; tal como Ponce & Brito (2003) afirman: “La explotación se la ejecuta mediante taludes verticales no recomendados para la explotación de áridos y que no guardan las normas de seguridad establecidas (…) En ocasiones se observan inclusive taludes negativos con alto riesgo de desprendimiento de material.” (p. 6). La estabilidad de taludes se evalúa mediante diversos parámetros como Mario Morales (2009) afirma: “Una etapa fundamental de todo proyecto minero a cielo abierto considera llevar a cabo la caracterización geológico-geotécnica del macizo rocoso y la evaluación de los ángulos de talud. (…) Con respecto al Método Romana (SMR), este índice se presenta como un método óptimo, debido a que considera la orientación de los planos de discontinuidad con respecto a la cara del talud.” (p. 3 y 15). Para llegar a un diseño geotécnico adecuado de la cantera tanto en la etapa de operación como en la de cierre es necesario tener en cuenta los parámetros geométricos propios del tajo abierto así como Juan Herrera Herbet (2007) afirma: “El procedimiento para realizar la explotación queda definido por la aplicación de unos parámetros o criterios de diseño de la excavación, que permiten alcanzar las producciones programadas, de la forma más económica posible y en las máximas condiciones de seguridad. Los parámetros geométricos principales que configuran el diseño son: banco, altura de banco, talud de banco, talud de trabajo, limites finales de la explotación, talud final de explotación, bermas, pistas y ángulo de reposo del material” (p.8). 1.2 JUSTIFICACIÓN En los últimos 30 años el Ecuador ha presentado una creciente demanda de materiales de construcción para el desarrollo de obras de infraestructura, que han aportado a la economía del país. Esto se evidencia en la apertura de aproximadamente 500 canteras de materiales pétreos, para satisfacer las necesidades de la población en recursos minerales para la construcción (El Telégrafo, 2012). 1 En el cantón Quito existen 102 centros de explotación de este tipo de material, que se concentran principalmente en las parroquias de San Antonio de Pichincha, que cubre la demanda Norte de la ciudad y Píntag del sector Sur, solamente el 33% de estas canteras cuentan con un estudio técnico que contribuya en la elaboración de un plan de cierre y liquidación adecuados, que permitan la prevención, mitigación y restitución de los efectos ocasionados durante la etapa de explotación y después del cierre de la actividad ( El Telégrafo, 2012). Al ser cielo abierto el método de extracción comúnmente empleado, la inestabilidad de los taludes constituye la principal problemática, debido al movimiento de un gran volumen de roca, produciendo un desbalance en las propiedades físicas del macizo rocoso. Debido a lo expuesto, las canteras no disponen de parámetros de diseño geotécnico adecuados, por lo cual se ha planteado priorizar la caracterización geomecánica del macizo rocoso en las concesiones mineras localizadas en San Antonio de Pichincha (Fucusucu III) y Píntag (Esperanza) con la finalidad de determinar la estabilidad física de los taludes y diseñar los elementos geométricos de las canteras para un adecuado plan de cierre y liquidación. 1.3 ALCANCE Con la creciente demanda de materiales pétreos para la construcción en la ciudad de Quito y sus alrededores, varias concesiones mineras han abastecido esta necesidad. Estos centros necesitan estudios técnicos donde se detallen los parámetros geométricos de las canteras y que además cumplan con las medidas de estabilidad de taludes, de modo que se priorice la integridad física de los trabajadores y equipos. Por lo cuál nace la necesidad de realizar la caracterización geomecánica del macizo rocoso para el plan de cierre y liquidación de las canteras ubicadas en las parroquias de San Antonio de Pichincha (“Fucusucu III”) y Píntag (“Esperanza”). La elaboración de la presente investigación presenta la caracterización geológica de la zona de estudio, mediante la realización de un mapa de unidades litológicas a escala 1:1000, se determinaron los parámetros geomecánicos del macizo rocoso a través de matrices establecidas por Bieniawski en el año 1989 que permitieron valorar la calidad del macizo rocoso, se evaluó la estabilidad de taludes con la aplicación del Método Romana (SMR) y el análisis cinemático de discontinuidades. Además, se determinaron los elementos geométricos de las canteras con la toma de datos en el campo y cálculos a través de fórmulas matemáticas. Estas actividades fueron realizadas con el fin de proponer y replantear el diseño de los elementos geometricos de las canteras como: ángulo de inclinación de los bordes finales, ancho de plataformas, ángulo de talud y altura de bancos, para que cumplan con los parámetros 2 de estabilidad física requeridos para un adecuado plan de cierre y liquidación, el cual será plasmado a través de un plano. Esta investigación cumplirá con el objetivo de aportar con los parámetros geométricos recomendables durante las etapas de operación y cierre de actividades de las canteras en estudio. 1.4 OBJETIVOS 1.4.1 General Realizar la caracterización geomecánica del macizo rocoso para el plan de cierre y liquidación de las canteras ubicadas en las parroquias de San Antonio de Pichincha (“Fucusucu III”) y de Píntag (“Esperanza”)”. 1.4.2 Específicos Caracterizar geológicamente el área de estudio a escala 1:1000 Determinar los parámetros geomecánicos del macizo rocoso tales como: resistencia a compresión simple, RQD (Rock Quality Designation), espaciado y condición de las discontinuidades y presencia de agua. Determinar los elementos geométricos de las canteras como: talud banco, ancho de plataformas de trabajo, altura de bancos y prisma de deslizamiento. Realizar el análisis cinemático y estabilidad de los taludes de las canteras mediante el método SMR (Romana). Diseñar los elementos geométricos: ángulo de inclinación de los bordes finales, ancho de plataformas, ángulo de talud y altura de bancos de las canteras tanto para la etapa de operación y cierre. Recomendar los elementos geométricos: ángulo de inclinación de los bordes finales, ancho de bermas de seguridad, ángulo de talud y altura de bancos apropiados para la estabilidad de taludes para un adecuado plan de cierre y liquidación de las canteras. 1.5 1.5.1 UBICACIÓN Fucusucu III La concesión minera “Fucusucu III” código 4214 cuenta con una superficie de 25 Ha mineras, se ubica al Norte de la ciudad de Quito en la Parroquia San Antonio de Pichincha, sector de Rumicucho (Ver Fig 1), que se muestra en la Tabla 1. 3 Tabla 1: Coordenadas UTM “Fucusucu III” PUNTOS LONGITUD LATITUD PP 786000 10004300 1 786500 10004300 2 786000 10003800 3 786500 10003800 Fuente: Informe Semestral de Producción Área “Fucusucu III” (Período Julio – Diciembre 2014). UTM PSAD 56 El área donde se encuentra la cantera presenta una topografía irregular con cotas que varían entre 3356 y 1400 msnm, siendo el punto más alto la Loma Sincholahua. Se distingue una vegetación dominada por arbustos, bosquetes y otras especies herbáceas bajas. Además, presenta un clima cálido seco-templado, con temperaturas que varían entre 12°C y 18°C (GAD Pichincha, 2012). El acceso a la concesión minera se lo realiza vía terrestre, desde el sector El Condado, se toma la Autopista Manuel Córdova Galarza hasta San Antonio de Pichincha, se desvía hacia la Calle 13 de Junio hasta la conexión con la Calle Reina de Quito, se avanza por esta vía 1Km aproximadamente y finalmente se toma un camino de segundo orden hacia Tanlahua donde está localizada la cantera. 1.5.2 Esperanza La concesión minera “Esperanza” código 400120 posee una superficie de 20 Ha mineras aproximadamente y se ubica en la provincia de Pichincha, cantón Quito en la parroquia de Píntag (Ver Fig 1), que se muestra en la Tabla 2. Tabla 2: Coordenadas UTM “Esperanza” PUNTOS LATITUD LONGITUD PP 795 000 9 953 500 1 795 400 9 953 500 2 795 400 9 953 000 3 795 000 9 953 000 Fuente: Informe Semestral de Producción “Esperanza” (Primer semestre 2015). UTM PSAD 56 El área donde se localiza la cantera presenta un relieve irregular cuyas cotas varían entre 4376 hasta 2520 msnm, siendo el punto más alto el Cerro Pasochoa. 4 El clima que predomina en el área es Ecuatorial de Alta Montaña, el rango de precipitación media anual varía entre 1468,8 a 2029,3 mm y la temperatura media anual varía de 7,8 a 12,9 °C. La vegetación corresponde a plantaciones forestales; cultivos de ciclo corto y clima frío tales como: parcelas de papas, cebada, arveja, maíz y habas; y áreas erosionadas (Orozco & Granja, 2006). Para acceder a la Cantera “Esperanza” desde la ciudad de Quito, se toma la Autopista General Rumiñahui hasta el redondel El Colibrí, desde el cual se sigue la carretera hacia Pifo, hasta llegar al desvío que conduce al poblado de Píntag, finalmente se toma la vía de segundo orden que se dirige al poblado Pinantura cercano a la cantera. 5 Figura 1: Mapa de Ubicación de las Concesiones Mineras Fucusucu III y Esperanza Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 6 CAPÍTULO II 2 2.1 MARCO TEÓRICO GEOLOGÍA REGIONAL La concesión minera Fucusucu III se ubica regionalmente en el Valle Interandino (IAV), que constituye una depresión tectónica - geomorfológica, orientada en sentido N-S a NNE-SSW, situándose entre los 2°30’S y 0°45’N; limitando al Este con la Cordillera Real y Oeste con la Cordillera Occidental del Ecuador. De Norte a Sur dividida en cuatro subcuencas (Ver Fig 2): Cuenca Chota, Cuenca Quito - San Antonio - Guayllabamba, Cuenca Ambato - Latacunga y Cuenca Riobamba - Alausí; mismas que han evolucionado individualmente (Winkler et al, 2002). La zona de estudio se ubica específicamente en la Cuenca Quito-San Antonio - Guayllabamba consiste en un relleno volcano sedimentario de depósitos volcánicos y volcanoclásticos, caracterizado por dos secuencias. La secuencia superior corresponde a las Fms. Guayllabamba, Chiche, Machángara, Mojanda y Cangahua, mientras que la secuencia inferior la conforman las Fms. Pisque y San Miguel (Villagómez, 2003). El área minera Esperanza regionalmente se ubica de manera transicional entre el valle interandino y el flanco Oeste de la Cordillera Real, siendo esta última un cinturón alargado de rumbo NNE con una longitud de 650 km y 60 km de ancho. Dicho cinturón está formado por terrenos metamórficos de origen oceánico y continental, de naturaleza autóctona y alóctona y edad Paleozoica – Mesozoica (Litherland et al., 1994). El basamento de la zona de estudio está constituido por la Unidad Cuyuja, conformada por esquistos, sobre la cual yacen discordantemente los volcánicos Pisayambo constituida por rocas andesíticas - riolíticas y piroclastos, las mismas que infrayacen al flujo de lava Antisanilla de composición andesítica –basáltica. 7 Figura 2: Correlación Estratigráfica tentativa en las Cuencas De IAV Fuente: Winkler et al, 2004. 8 2.2 2.2.1 GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO Calidad del macizo rocoso por el método de Bieniawski (RMR) El Rock Mass Rating (RMR) desarrollado por Bieniawski (1973), permite estimar la calidad del macizo rocoso (Ver Tabla 8), a través de la evaluación de discontinuidades y propiedades mecánicas de las rocas. Resistencia a la Compresión Simple También llamada resistencia uniaxial, es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial, determinada sobre una probeta cilíndrica sin confinar. Se la obtiene por la siguiente expresión (González, 2002). 𝝈𝒄 = 𝐹𝑐 𝐴 (Ec. 1) donde, 𝝈𝒄 = Resistencia a la compresión [ MPa] 𝑭𝒄 = Fuerza compresiva aplicada A = Área de aplicación Tabla 3: Clasificación en base a la resistencia de la roca RESISTENCIA A DESCRIPCIÓN COMPRESIÓN SIMPLE (MPA) 1-5 Muy blanda 5-25 Blanda 25-50 Moderadamente dura 50-100 Dura 100-250 Muy dura > 250 Extremadamente dura Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) Índice de calidad de la roca (RQD) La calidad de la roca (RQD) (Deere, 1967), se determina a partir del porcentaje de trozos de testigos mayores a 10cm recuperados en un sondeo. Muchas veces se lo puede estimar a partir de afloramientos mediante las relaciones (Palmström, 2005) dada por las siguientes expresiones: 𝑹𝑸𝑫 = 110 − 2,5𝐽𝑣 (Ec. 2) 𝑹𝑸𝑫 = 115 − 3,3𝐽𝑣 (Ec. 3) 9 donde, JV = Índice volumétrico de juntas o número de juntas por metro cúbico 𝑱𝒗 = 𝑛° 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 (Ec. 4) La Ec.2 se la aplica para bloques tabulares o prismáticos, mientras que la Ec.3 es para bloques ploédricos, romboédricos y equidimensionales. Figura 3: Geometría de bloques en macizos fracturados Fuente: Perforación, Voladura y Ventilación en Minería Subterránea (Arcos, 2008) Espaciado de las discontinuidades Es la distancia media entre los planos de discontinuidad, medida en la dirección perpendicular a dichos planos, siendo estos los que condicionan el tamaño de los bloques. (González, 2002). 10 Tabla 4: Descripción del espaciado DESCRIPCIÓN ESPACIADO Extremadamente junto < 20 mm Muy junto 20-60 mm Junto 60-200 mm Moderadamente junto 200-600 mm Separado 600-2.000 mm Muy separado 2.000-6.000 mm Extremadamente separado > 6.000 mm Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) Condición de las discontinuidades Orientación Se define como la dirección de buzamiento y el buzamiento de una discontinuidad (González, 2002). Figura 4: Medida de la orientación de discontinuidades Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) Continuidad o Persistencia La persistencia de un plano de discontinuidad es su extensión superficial, medida por la longitud según la dirección y buzamiento del plano (González, 2002). 11 Tabla 5: Descripción de continuidad (ISMR, 1981) CONTINUIDAD LONGITUD Muy baja continuidad <1m Baja continuidad 1–3m Continuidad media 3 -10 m Alta continuidad 10 -20 m Muy alta continuidad > 20 m Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) Rugosidad Este parámetro tiene como principal finalidad la evaluación de la resistencia al corte de los planos de una discontinuidad, además hace referencia a la ondulación o irregularidades de las superficies de la discontinuidad (González, 2002). Se lo obtiene mediante los perfiles estándar de rugosidad como se muestra en la Figura 5. Figura 5: Perfiles de rugosidad (ISMR, 1981) Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) 12 Abertura Es la distancia perpendicular que separa las paredes de la discontinuidad (González, 2002). Tabla 6: Descripción de la abertura (ISMR, 1981) ABERTURA DESCRIPCIÓN <0,1 mm Muy cerrada 0,1-0,25 mm Cerrada 0,25-0,5 mm Parcialmente abierta 0,5-2,5 mm Abierta 2,5-10 mm Moderadamente ancha > 10mm Ancha 1-10 cm Muy ancha 10-100 cm Extremadamente ancha > 1m Cavernosa Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) Relleno Las discontinuidades pueden estar rellenas del mismo material de las paredes del macizo rocoso o de material de distinta naturaleza (González, 2002). Meteorización “EI grado de meteorización de la roca condiciona de forma definitiva sus propiedades mecánicas. Según avanza el proceso de meteorización aumentan la porosidad, permeabilidad y deformabilidad del material rocoso, al tiempo que disminuye su resistencia” (González, 2002). Flujo de agua en las discontinuidades “EI agua en el interior de un macizo rocoso procede generalmente del flujo que circula por las discontinuidades” (González, 2002). 13 Tabla 7: Descripción de las filtraciones en discontinuidades CLASE I II III IV V VI DISCONTINUIDADES SIN RELLENO Junta muy plana y cerrada. Aparece seca y no parece posible que circule agua Junta seca sin evidencia de agua Junta seca pero con evidencia de haber circulado agua Junta húmeda pero sin agua libre DISCONTINUIDADES CON RELLENO Relleno muy consolidado e seco. No es posible el flujo de agua Relleno húmido pero sin agua libre Relleno mojado con goteo ocasional Relleno que muestra señales de lavado, flujo de agua continuo (estimar caudal en l/min) Junta con rezume, ocasionalmente Relleno localmente lavado, flujo goteo pero sin flujo continuo considerable según canales preferentes (estimar caudal e presión) Junta con flujo continuo de agua Rellenos completamente lavados, (estimar el caudal en l/min y la presiones de agua elevados presión) Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) 14 Tabla 8: Parámetros de la clasificación Geomecánica RMR básico Valores del RMR (Bieniawski, 1979) PARÁMETROS INTERVALO DE VALORES Resistencia de la roca intacta a 5-25 1-5 <1 MPa MPa MPa 2 1 0 > 250 MPa 100-250 MPa 50-100 MPa 25-50 MPa Valoración 15 12 7 4 RQD 90%-100% 75%-90% 50%-75% 25%-50% < 25% Valoración 20 17 13 8 3 >2m 0,6-2 m 200-600 mm 60-200 mm < 60 mm 20 15 10 8 5 compresión simple Separación entre juntas Valoración Espejos de falla Condición de las juntas Muy rugosas Algo rugosas Algo rugosas o No continuas Separación < Separación < Relleno < 5 Cerradas 1mm 1mm mm Bordes sanos y Bordes algo Bordes muy o duros meteorizados meteorizados Separación 1-5 mm Relleno blando > 5 mm o Separación >5 mm Continuas Continuas Valoración 30 Flujo de agua en las Secas juntas Valoración 15 25 Ligeramente húmedas 10 20 10 0 Húmedas Goteando Fluyendo 7 4 0 CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO SEGÚN RMR Clase I II III IV V Calidad Muy buena Buena Media Mala Muy mala Puntuación 100-81 80-61 60-41 40-21 <20 Fuente: http://www.stmr.es/ 2.2.2 Método Romana (SMR) El índice SMR (Slope Mass Rating) tiene como finalidad evaluar la estabilidad de taludes (Ver Tabla 9) y viene dado por la siguiente expresión: 𝑺𝑴𝑹 = 𝑅𝑀𝑅𝑏á𝑠𝑖𝑐𝑜 + (𝐹1 ∙ 𝐹2 ∙ 𝐹3 ) + 𝐹4 15 (Ec. 5) donde, 𝑺𝑴𝑹 = Índice Slope Mass Rating 𝑹𝑴𝑹𝒃á𝒔𝒊𝒄𝒐 = Rock Mass Rating de Bieniawski 𝑭𝟏 ∙ 𝑭𝟐 ∙ 𝑭𝟑 = Sub - factores de ajuste de discontinuidades 𝑭𝟒 = Factor de ajuste según el método de excavación empleado Factor de ajuste de las discontinuidades Se lo determina mediante el producto de los siguientes tres sub – factores: F1.Para roturas planares y en vuelco se define como el paralelismo que existe entre la dirección de buzamiento de la discontinuidad y la dirección de la cara del talud, mientras que para roturas en cuña se refiere a la dirección de la línea de intersección entre los planos y la dirección de buzamiento del talud (Tomás et al, 2006). F2.Está determinado por el buzamiento de la discontinuidad para roturas planares, mientras que para roturas en cuña por la inmersión de la línea de intersección y para roturas en vuelco siempre va a tomar el valor de 1 (Tomás et al, 2006). F3.Tanto para roturas planas como en vuelco se define como la relación que existe entre el buzamiento de la cara del talud y el buzamiento de la discontinuidad; y la inmersión de la línea de intersección en el caso de roturas en cuña (Tomás et al, 2006). 16 Tabla 9: Clasificación SMR (1985) MUY TIPO DE ROTURA MUY FAVORABLE NORMAL DESFAVORABLE >30° 30 – 20° 20 – 10° 10 – 5° < 5° FAVORABLE DESFAVORABLE | αj – αs| P | αj – αs – 180| T A W | αi– αs| P/T/W F1 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 |βj| ó |βi| <20° 20- 30° 30 -35° 35 -45° >45° 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 P/W B P/W F2 1.00 T | βj – βs| P | βi – βs | W C T | βj – βs| P/T/W F3 >10° 10 –0° 0° 0 – (-10°) < (-10°) 0 -6 -25 -50 -60 P: rotura plana; T: rotura por vuelco; W: rotura en cuña αj: dirección de buzamiento de la discontinuidad αs: dirección de buzamiento del talud αi: dirección de plunge de la línea de intersección de los planos de discontinuidad βj: buzamiento de la discontinuidad βs: buzamiento del talud βi: inmersión de la línea de intersección de los planos de la cuña METODO DE EXCAVACIÓN (F4) Talud natural +15 Voladura normal o excavación Precorte +10 mecánica Voladura suave +8 Voladura deficiente 0 -8 CLASES DE ESTABILIDAD SEGÚN EL SMR (ROMANA, 1985) Clase V IV III II I SMR 0 - 20 21 – 40 41 - 60 61 - 80 81 - 100 Descripción Muy mala Mala Normal Buena Muy buena Estabilidad Tratamiento Totalmente inestable Reexcacavación Inestable Corrección Pacialmente estable Sistemático Estable Ocasional Totalmente estable NInguno Fuente: Paper Nuevas Funciones Continuas para el Cálculo del Slope Mass Rating (SMR): Aplicación mediante un sistema de Información Geográfica a los taludes rocosos de una cantera y http://www.stmr.es/ 17 2.2.3 Tipos de roturas en los taludes Rotura planar Es aquella que se produce a favor de un plano preexistente, siendo común en macizos rocosos de resistencia media a alta afectados por discontinuidades. Para que se produzca la rotura, las discontinuidades deben aflorar en la cara o pie del talud y además cumplir condiciones como: la discontinuidad debe ser paralela o casi paralela al talud, donde el ángulo de buzamiento del talud (ψ) sea mayor al buzamiento de la discontinuidad (α) y al ángulo de fricción (ϕ); que entre el rumbo de la discontinuidad y el rumbo del talud debe existir una desviación de 20° - 25° (Ramírez & Alejano, 2004). Figura 6: Rotura planar Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) 18 Rotura en cuña Formada por la intersección de dos planos de discontinuidad, para que se produzca la rotura los planos deben aflorar en la cara del talud y cumplir con las mismas condiciones de la rotura plana (ψ > α > ϕ); siendo (α) el buzamiento de la línea de intersección (González, 2002). Figura 7: Rotura por cuña Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) 19 Rotura por vuelco Se produce cuando el buzamiento de la discontinuidad es contrario al buzamiento del talud y además presenta una dirección casi paralela al mismo (González, 2002). Figura 8: Rotura por vuelco Fuente: Ingeniería Geológica (González, 2002) 2.3 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LA CANTERA El diseño de explotación a cielo abierto se configura de acuerdo a los siguientes parámetros: Figura 9: Parámetros o criterios de diseño de una mina a cielo abierto. Profundidad de la cantera (H) Fuente: Canteras y Explotaciones para Áridos (Herrera, 2002) 20 2.3.1 Profundidad de la Cantera (H) Es la diferencia de nivel que existe entre la cota de la superficie y la del fondo de la cantera (Sosa, 1989). 𝐻 = 𝐻𝑚á𝑥 − 𝐻𝑚í𝑛 (Ec. 6) Donde: Hmáx = Cota superior máxima del campo de la cantera Hmín = Cota inferior mínima correspondiente al límite de reservas probables de la cantera en su primera etapa. 2.3.2 Límites finales Son los contornos que alcanza la cantera en el momento de la liquidación (Sosa, 1989). 2.3.3 Ángulo del borde de liquidación de la cantera Es el ángulo formado entre la horizontal y el talud del banco. En la práctica y con experiencia se toman de manera aproximada a bordes en condiciones semejantes (Sosa, 1989). (Ver Tabla 10). Tabla 10 : Ángulos para los taludes de los bordes en receso Fuente: Tecnología de la explotación de minerales duros por el método a cielo abierto (Sosa, 1989) 2.3.4 Banco Constituye la parte del macizo rocoso en forma de escalón que se explota separadamente, limitada por planos de dos niveles un superior y un inferior (Sosa, 1989). 2.3.5 Altura del banco Este parámetro se limita por las condiciones de seguridad durante la explotación y el ancho del amontonamiento de las rocas. Su valor no debe ser mayor que la altura de máxima excavación de la máquina. Sin embargo en rocas resistentes y que no forman planchas, su valor puede superar el alcance vertical de la pala mecánica (Sosa, 1989). 𝐻𝑏 = 1.5 𝑥 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 (Rocas resistentes) (Ec. 7) 21 𝐻𝑏 = 0.9 𝑥 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 (Rocas poco resistentes) (Ec. 8) Donde: Hb= Altura de banco Hexc máx= Máxima altura que alcanza el cucharón de la retroexcavadora 2.3.6 Prisma de deslizamiento o borde de seguridad (B) Es la parte inestable del banco del borde superior del talud, limita en su parte superior con el techo del banco y en sus costados por el talud del banco y el plano de deslizamiento natural de las rocas (Sosa, 1989). (Ver Figura 10). Figura 10: Prisma de deslizamiento Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 𝐵 = 𝐻𝑏 tan(𝛼𝑒 − 𝛼1 ) (Ec. 9) Donde: Hb: Altura del banco (m). αe: Ángulo de talud del banco, valor máximo (90°) que alcanza α1: Ángulo de talud del banco (°) 2.3.7 Berma Depende de las condiciones físico-mecánicas de las rocas, el tipo de excavadora y sus parámetros; y tipo de transporte. Su valor se escoge de un 20-30% de la altura del banco, en función del ángulo de liquidación final de la cantera (Sosa, 1989). 22 2.3.8 Ángulo de talud de banco (∝𝟏 ) Durante la explotación este ángulo debe asegurar una estabilidad temporal, por lo cual puede tener un valor abrupto (hasta 80°) que facilita la excavación; mientras que los bancos en receso deben mantener una estabilidad de larga duración (Sosa, 1989). 𝐹= 𝑅𝐶𝑂𝑀 100 (Ec. 10) ∝1 = arctan(𝐹) (Ec. 11) Donde: RCOM : Resistencia a la compresión F: Coeficiente de resistencia de Protodiakonov 2.3.9 Plataforma de trabajo del banco Constituye el piso del banco donde se encuentra la maquinaria de extracción y transporte (Sosa, 1989). 𝐵𝑝𝑡 = 𝐴 + 𝐶 + 𝑇 + 𝐵 (Ec. 12) Donde: A=Ancho del amontonamiento. B=Borde de seguridad o prisma de deslizamiento T= Espacio que ocupa el volquete C= Espacio de maniobra de la excavadora, que es 1.5 veces la longitud de la cargadora. 2.4 2.4.1 METODOLOGÍA PARA LA EJECUCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Tipo de estudio La presente investigación de acuerdo al lugar fue de campo, debido a que se tomaron datos geológicos y geomecánicos en la zona de estudio. El estudio fue descriptivo porque a través del mismo se hizo un análisis y una descripción de las variables relacionadas a la investigación. De igual forma la investigación fue transversal puesto que las variables fueron estudiadas de manera simultánea en un tiempo determinado (cinco meses); y finalmente el presente estudio 23 fue proyectivo porque los resultados que se obtuvieron a partir de la caracterización geomecánica sirvieron para el desarrollo del diseño de los parámetros geométricos estables de las canteras de San Antonio de Pichincha (“Fucusucu III”) y de Píntag (“Esperanza”). 2.4.2 Técnicas Las técnicas empleadas para el presente estudio fueron: Investigación bibliográfica Reconocimiento preliminar de las áreas de estudio Mapeo geológico y geomecánico Análisis macroscópicos , microscópicos y ensayos de compresión simple de las muestras Procesamiento de la información 2.4.3 Herramientas Para diseñar el mapa geológico de los sectores en estudio se empleó Sistemas de Información Geográfica (SIG) y se tomó como referencia el mapa Geológico del Valle Interandino Central (Quito- San Antonio de Pichincha- Guayllabamba) Esc: 1: 35 000, el mapa geológico del Complejo Volcánico Pululahua Esc 1:50 000 y el mapa Geológico de Píntag Esc: 1: 100 000. El análisis cinemático se lo realizó a través de proyecciones estereográficas para lo cual se empleó programas de análisis estructural. Para conocer la aplicación del Método Romana (SMR) y hacer uso de las tablas propuestas por Bieniawski (1989), se emplearon libros referentes a Geomecánica: Fundamentos e Ingeniería de Taludes de Pedro Ramírez e Ingeniería Geológica de González de Vallejo. Para conocer los elementos geométricos de las canteras: talud, banco, ancho de plataformas de trabajo, altura de bancos y prisma de deslizamiento, se utilizó el libro Diseño de Explotaciones de Cantera de la Universidad Politécnica de Madrid y Tecnología de la Explotación de Minerales Duros por el Método a Cielo Abierto del Dr. Sosa. Se emplearon manuales de Plan de Cierre de Minas como guías para establecer un conjunto de acciones y medidas a tomarse durante las etapas de operación y cierre de actividades en las canteras. 24 2.4.4 Procedimiento Las etapas para el desarrollo de la investigación fueron: Primera Etapa Recopilación de información Durante esta etapa se definieron las áreas de estudio, posteriormente se recopiló y depuró la información bibliográfica y cartográfica para la elaboración de mapas preliminares. Segunda Etapa Trabajo de campo Se realizó una visita previa a las canteras para el reconocimiento del área de estudio. A través de diez campañas de campo, se efectuó el levantamiento geológico y geomecánico donde se evaluó las discontinuidades del macizo rocoso: RQD (Rock Quality Designation), espaciado, condición de las discontinuidades y presencia de agua; además de los factores de ajuste necesarios para la aplicación del Método Romana (SMR). También se evaluaron los elementos geométricos de las canteras en estudio. Para el mapeo geomecánico las canteras fueron divididas en zonas de acuerdo a su geometría y a la condición del macizo rocoso. Finalmente se tomaron muestras representativas para los ensayos de compresión simple y el análisis petrográfico macro y microscópico. Tercera Etapa Análisis macro y microscópico Se realizaron fichas de análisis macroscópico de tres muestras de Fucusucu III y tres de Esperanza; además se elaboraron fichas del análisis mineralógico en láminas delgadas de tres muestras de la cantera Fucusucu III y una de Esperanza. Ensayos de compresión simple En el caso de la Cantera Fucusucu III, se obtuvieron seis muestras de roca, las cuales fueron sometidas a un ensayo de compresión uniaxial en el Departamento de Ensayo de Materiales y Modelos de la Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática de la Universidad Central del Ecuador (Ver Fotografía 1). 25 Fotografía 1: Ensayo de compresión realizados sobre cubos de roca. 7-A) Cubos de roca 7B) Aplicación de la carga 7-C) Rotura del cubo de roca B A C Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Procesamiento estadístico de datos Con los datos levantados en campo se realizó un tratamiento estadístico de cada parámetro requerido para la valoración del macizo rocoso a través de programas de análisis estructural. Trabajo de Gabinete Con los resultados obtenidos se elaboraron mapas de unidades litoestratigráficas, índice RMR de Bieniawski, índice SMR de Romana; y mediante su interpretación se plantearon los parámetros geométricos estables de las canteras durante la etapa de operación y cierre. 26 CAPÍTULO III 3 3.1 ANÁLISIS Y DISEÑO DE TALUDES DE LA CANTERA FUCUSUCU III GEOLOGÍA LOCAL Según el estudio Geovolcanológico del Complejo Volcánico Pululahua CVP (Andrade, 2002), se diferencia: Un basamento Pliocénico de la parte E del CVP atribuido a la Formación Pisque y una Unidad Volcánica denominada domos pre - caldera jóvenes de edad Pleistocénica Tardía (Ver Fig 11). Formación Pisque (PlPi) Constituida por lavas, brechas andesíticas amarillentas, tobas y lahares consolidados (Villagómez et al., 2002). Domos pre-caldera Jóvenes (PDJ) Constituyen un grupo de domos dacíticos, siendo los flujos “block and ash” sus depósitos característicos (Andrade, 2002). Figura 11: Geología de e la Concesión Minera Fucusucu III Fuente: (Andrade, 2002) 27 3.1.1 Litoestratigrafía En la cantera Fucusucu III se han distinguido las Unidades Litoestratigráficas (Ver Anexo 1) que se describen a continuación: Unidad tobas soldadas Afloran en el banco 2265 ( UTM 86188 / 3965), presentan una potencia de 3m y una longitud de 20m aproximadamente (Ver Fotografía 2), tanto en el análisis macroscópico como microscópico (Ver Anexo 2) se distinguieron minerales de plagioclasa, cuarzo, anfíbol, piroxeno y líticos de rocas dentro de una matriz de ceniza de coloración verdosa. Fotografía 2: Afloramiento de tobas soldadas en contacto con dacitas con anfíbol y piroxeno en el banco 2666. Cantera Fucusucu III S N Dacitas con anfíbol y piroxenos Tobas soldadas 1,65m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Depósito de flujo piroclástico tipo “block and ash” Este tipo de depósito es característico del colapso de un domo volcánico (Ver Fotografía 3), se ubica en la parte NE del área de estudio y es controlado por su topografía; presenta las siguientes características: Tamaño de grano: Bloques de dacita, lapilli de pómez y ceniza. Estructura: Gradada inversa Fábrica: Clasto-soportado 28 Fotografía 3: Depósito de flujo piroclástico “block and ash” (UTM 86390/03989). Cantera Fucusucu III ESE WNW Pipes Dacitas con anfíbol y piroxeno 6m “Depósito Block and Ash” Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Domo dacítico Unidad dacitas con anfíbol Se ubican hacia el Sur de la concesión minera, está constituida por dacitas con anfíbol, según los análisis macro y microscópicos realizados (Ver Anexo 3), presentan una coloración rosada debido a que el flujo probablemente se depositó muy caliente provocando la oxidación de minerales ricos en hierro al contacto con la atmósfera. Todos los afloramientos correspondientes a esta unidad litológica, se encuentran altamente fracturados, siendo clasto-soportados, además se pueden apreciar estructuras jigsaw-fit (Ver Fotografía 4). 29 Fotografía 4: Afloramiento de rocas dacíticas con anfíbol (UTM 86014/03845). Cantera Fucusucu III S N Dacitas con anfíbol Jigsaw-fit 1,65m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Unidad dacitas con anfíbol y piroxeno Esta Unidad constituye la parte interna del domo que ha quedado al descubierto debido a los trabajos mineros realizados. Esta unidad está compuesta por dacitas con anfíbol y piroxeno de coloración azul grisácea (Ver Anexo 4). Afloramientos de esta unidad se encuentran altamente fracturados y estructura clastosoportada, debido a que durante el flujo y enfriamiento de la lava existió fricción entre bloques produciendo trituración (Ver Fotografía 5). 30 Fotografía 5: Bancos de explotación de rocas dacíticas con anfíbol y piroxeno muy fracturadas (UTM 86014/03845). Cantera Fucusucu III S N Banco 2370 Banco 2320 Banco 2350 Banco 2304 Banco 2297 Banco 2284 Banco 2270 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Depósitos piroclásticos de caída Se encuentran de forma periclinal, presentándose desde 50cm hasta 8m de potencia, principalmente afloran en la parte O de la zona de estudio (UTM 85275/ 4230) y al S del área minera (Ver Fotografía 6). Fotografía 6: Afloramiento de depósitos de caída, presentan intercalación de ceniza, arena, lapilli. NE SW 8m 1,58m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 31 La Figura 12 presenta la columna estratigráfica de la unidad, misma que muestra una alternancia de estratos de arena, ceniza y clastos tanto en matriz de arena como en ceniza. Figura 12: Columna estratigráfica de depósitos piroclásticos (UTM 85275/ 4230) Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 32 3.2 GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO Para realizar la evaluación geomecánica del macizo rocoso la cantera fue dividida en cinco zonas de acuerdo a sus características geométricas (Ver Fotografía 7), en cada zona se estudiaron los distintos bancos existentes, mismos que a su vez se dividieron en tramos debido a sus rasgos litológicos y estructurales (Ver Anexo 5). Los dastos recolectados fueron 295, mismos que se registraron en la matriz propuesta por Bieniawski, a través del programa de análisis estructural se distinguieron cuatro familias de discontinuidades. Basado en el estudio Evaluación de la estabilidad en taludes rocosos. Aplicación del SMR mediante un SIG (Chacón & Irigaray, 2001), se elaboraron shapefiles por cada familia, donde se integraron los valores de los parámetros evaluados. Para la generación de un mapa RMR por familia, a través del álgebra de mapas se inició con la rasterización de los parámetros requeridos por Bieniawski, llegando así a un mapa RMR final de los taludes estudiados. Fotografía 7: Cantera Fucusucu III dividida en zonas de estudio SW NE . ZONA ZONA II III ZONA IV ZONA I Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 3.2.1 Evaluación geomecánica del macizo rocoso Calidad del macizo rocoso por el método Bieniawski (RMR) básico A continuación se evalúan los siguientes parámetros: Resistencia a la compresión simple Los resultados obtenidos a través del ensayo de compresión simple (Ver Anexo 12), se los ha promediado (Ver Tabla 11) para la ponderación de Bieniawski. 33 Tabla 11: Resultados de los ensayos de compresión simple N° RESISTENCIA A LA MUESTRA COMPRESIÓN ( MPa) 13,53 1 2 Dacita con anfíbol y 27,26 piroxeno 26,84 3 Promedio 22,54 28,72 4 5 Dacita con anfíbol 21,95 30,62 6 Promedio 27,09 Fuente: Informe de los ensayos de compresión simple realizados sobre cubos de roca. De acuerdo a la ponderación propuesta por Bieniawski (1989), la dacita con anfíbol y piroxeno cuya resistencia está en el rango 5-25 MPa se le atribuye un valor de 2 que indica una resistencia débil; y la dacita con anfíbol ubicada en el rango de 25-50 MPa una valoración de 4 considerándola como moderadamente resistente. Grado de fracturación del macizo rocoso R.Q.D Este parámetro se lo ha determinado a través de la ecuación propuesta por Palmstrom 𝑹𝑸𝑫 = 110 − 2,5𝐽𝑣 (Ec. 2) Los valores de RQD se obtuvieron para cada familia de discontinuidad en cada tramo de los bancos (Ver Figura 13), en taludes en los cuales el macizo rocoso se encuentra altamente fracturado se asignó un puntaje RQD de 3 (Ver Fotografía 8). 34 Figura 13: Mapa de RQD de la cantera Fucusucu III Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 35 Fotografía 8: Dacita con anfíbol altamente fracturada SE SW Macizo rocoso altamente fracturado 1.57m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Espaciado de las discontinuidades El espaciado entre los planos de discontinuidad va desde juntas hasta muy juntas, variando en un rango de 0.002m a < 0.2m (Ver Gráfico 1 y Fotografía 9). No se asignó un valor de espaciado en los tramos donde el macizo se encuentra altamente triturado debido a que no se distinguen planos de discontinuidad. 36 Gráfico 1: Espaciado entre discontinuidades – Cantera Fucusucu III % Espaciado (m) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 <0.02 0.02-0.06 0.06-0.2 0.2-0.6 0.6-2 2-6 >6 Extrem. Juntas Moderad. Muy Extrem. Separadas Juntas Separadas Separadas Muy Junta Juntas J-1 0 28 59 11 2 0 0 J-2 0 19 68 14 0 0 0 J-3 0 9 73 18 0 0 0 J-4 0 86 14 0 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Fotografía 9: Dacita con anfíbol, espaciado entre planos de discontinuidades. SW NE 20cm Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 37 Condición de las discontinuidades Continuidad La persistencia en la mayoría de discontinuidades van desde bajas a muy bajas ya que los valores oscilan entre 3m y <1m (Ver Gráfico 2 y Fotografía 10). Gráfico 2: Continuidad de las discontinuidades - Cantera Fucusucu III Continuidad (m) 120 100 % 80 60 40 20 0 <1 1-3 3-10 10-20 >20 Muy Baja Baja Moderada Alta Muy Alta J-1 33 51 16 0 0 J-2 39 47 14 0 0 J-3 36 18 45 0 0 J-4 100 0 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Rugosidad La superficie de rugosidad varía de planas rugosas a planas lisas (Ver Gráfico 3 y Fotografía 10). 38 Gráfico 3: Rugosidad de las discontinuidades - Cantera Fucusucu III % Rugosidad 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 I. Rugosa III. Pulida II. Lisa IV. V. Lisa Rugosa Escalonada VI. Pulida VII. IX. VIII. Lisa Rugosa Pulida Ondulada Plana J-1 0 0 0 0 0 0 29 70 1 J-2 0 0 0 0 0 2 20 76 2 J-3 0 0 0 0 0 0 27 73 0 J-4 0 0 0 0 0 0 57 43 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Abertura Las discontinuidades presentan una abertura moderadamente abierta con valores de 2.5mm 10mm (Ver Gráfico 4 y Fotografía 10). Gráfico 4: Abertura entre discontinuidades - Cantera Fucusucu III Abertura (mm) 120 100 % 80 60 40 20 0 <0.1 0.10.25 0.250.5 Muy Cerrada Cerrada 0.5-2.5 2.5-10 >10 Parcial Moder m. Abierta m. Ancha Abierta Abierta 10-100 1001000 >1000 Muy Extrem. Cavern ancha Ancha osa J-1 4 22 0 2 61 11 0 0 0 J-2 2 19 0 0 61 19 0 0 0 J-3 0 9 0 0 45 45 0 0 0 J-4 0 0 0 0 100 0 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 39 Relleno El relleno que predomina en las discontinuidades es blando < 5mm (Ver Gráfico 5 y Fotografía 10), y de la misma composición del macizo rocoso. Gráfico 5: Relleno en las discontinuidades - Cantera Fucusucu III Relleno 60 50 % 40 30 20 10 0 Ninguno Duro < 5mm Duro > 5mm Blando < 5mm Blando >5 mm J-1 15 7 8 57 14 J-2 14 15 20 37 14 J-3 36 9 45 9 0 J-4 57 0 0 29 14 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Fotografía 10: Parámetros de continuidad, abertura, relleno y rugosidad en el macizo SW NW rocoso 3m Abertura 1mm, relleno blando <5mm y ligeramente rugosa 1,57m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 40 Meteorización La mayoría de discontinuidades no presentan ningún tipo de meteorización, asignándole una valoración de 6, mientras que en lugares puntuales del banco 2297 el macizo rocoso presenta una meteorización ligera y moderada, asignándoles valores de 5 y 3 respectivamente (Ver Gráfico 6 y Fotografía 11). Gráfico 6: Meteorización en las discontinuidades - Cantera Fucusucu III Meteorización 120 100 % 80 60 40 20 0 J-1 Fresco Ligerament e Moderada mente Altamente Completam ente Suelo Residual I II III IV V VI 92 5 2 0 0 0 J-2 98 2 0 0 0 0 J-3 100 0 0 0 0 0 J-4 71 29 0 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 41 Fotografía 11: Banco 2297 tramo II-C-B2 (UTM 86108/3957 a 86123/3809). Dacita con anfíbol moderadamente alterada. S Dacita con anfíbol N Dacita con anfíbol moderadamente alterada 6m Dacita con anfíbol Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Flujo de agua en las discontinuidades No existe la presencia de agua por lo que se asignó una valoración de 15 para todos los pisos estudiados (Ver Gráfico 7). Gráfico 7: Filtraciones de agua - Cantera Fucusucu III Filtraciones 120 100 % 80 60 40 20 0 Seco Húmedo Goteo Flujo J-1 100 0 0 0 J-2 100 0 0 0 J-3 100 0 0 0 J-4 100 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 42 Todos los parámetros descritos anteriormente se muestran en el Anexo 6. Mediante la aplicación de un Sistema de Información Geográfica (SIG) se obtuvo un mapa de RMR medio en todos los bancos evaluados (Ver Fig 14 y Anexo 7). A continuación se muestra un resumen de los parámetros de Bieniawski por familias de discontinuidades. Tabla 12: Tabla resumen de la familia I de la cantera Fucusucu III FAMILIA J-1 Azimut de Buz / 42/69 Buzamiento PARÁMETROS DESCRIPCIÓN RANGO Espaciamiento (m) Juntas 0.06 - 0.2 Continuidad (m) Baja 1-3 Abertura (mm) Moderadamente abierta 2.5 - 10 Rugosidad Plana lisa Meteorización Fresca Relleno Blando < 5mm Agua Seco Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Tabla 13: Tabla resumen de la familia II de la cantera Fucusucu III FAMILIA J-2 Azimut de Buz / 168/72 Buzamiento PARÁMETROS DESCRIPCIÓN RANGO Espaciamiento (m) Juntas 0.06 - 0.2 Continuidad (m) Baja 1-3 Abertura (mm) Moderadamente abierta 2.5 - 10 Rugosidad Plana lisa Meteorización Fresca Relleno Blando < 5mm Agua Seco Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 43 Tabla 14: Tabla resumen de la familia III de la cantera Fucusucu III FAMILIA J-3 Azimut de Buz / 233/76 Buzamiento PARÁMETROS DESCRIPCIÓN RANGO Espaciamiento (m) Juntas 0.06 - 0.2 Continuidad (m) Muy baja <1 Abertura (mm) Moderadamente abierta 2.5 - 10 Rugosidad Plana lisa Meteorización Fresca Relleno Duro > 5mm Agua Seco Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Tabla 15: Tabla resumen de la familia IV de la cantera Fucusucu III FAMILIA J-4 Azimut de Buz / Buzamiento Parámetros Espaciamiento (m) Continuidad (m) Abertura (mm) Rugosidad Meteorización Relleno Agua 323/83 Descripción Muy juntas Muy baja Moderadamente abierta Plana rugosa Fresca Ninguno Seco Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 44 Rango 0.02 - 0.06 <1 2.5 - 10 Figura 14: Mapa de Rock Mass Rating (RMR) cantera Fucusucu III. Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 45 En toda el área de estudio se pueden observar 3 tipos de calidad de la roca que va desde buena a muy mala. La mayoría de los taludes muestran tramos con roca de calidad media seguidos por tramos que presentan una roca de muy mala calidad y solamente 6 tramos poseen una calidad de roca buena (Ver Fig 14). 3.3 EVALUACIÓN DE LOS ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA CANTERA FUCUSUCU III 3.3.1 Parámetros actuales de explotación de la cantera Fucusucu III La cantera cumple actualmente con los siguientes parámetros de diseño como se muestra en la Fig 15, Tabla 16 y Anexo 8. Figura 15: Parámetros geométricos en los bancos de explotación Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 46 Tabla 16: Elementos geométricos de explotación de la cantera Fucusucu III Elementos Geométricos de la cantera Simbología Valor Profundidad H 300 m Ángulo del sub - banco hb 3m Altura de banco Hb 10m Ángulo de talud del banco α 75° Berma de operación excavadora bl 10m Quebradura q 0.88m Plataforma de trabajo Pt 20m Fuente: Informe Semestral de Área de Producción Fucusucu III código 4214 3.3.2 Parámetros finales de la cantera Fucusucu III Los parámetros que configuran el diseño geométrico final de la cantera se han desarrollado con el fin de optimizar el recurso minero y humano (Ver Fig 16, Tabla 17 y Anexo 9). Figura 16: Parámetros geométricos de liquidación de la cantera Fucusucu III Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 47 Tabla 17: Elementos geométricos del diseño final de la cantera Fucusucu III Elementos Geométricos de la cantera Simbología Valor Profundidad H 300 m Ángulo del borde de liquidación α 32° Altura de banco Hb 10m Ángulo de talud del banco α1 60° Berma de liquidación bl 10m Quebradura q 5.77m Berma de resguardo br 50m Fuente: Informe de producción Cantera “Fucusucu III” 48 3.3.3 Etapa de cierre Tabla 18: Elementos geométricos finales de la cantera Fucusucu III PARÁMETRO ECUACIÓN RESULTADO OBSERVACIÓN Profundidad de la cantera 𝐻= 𝐻𝑚á𝑥−𝐻𝑚í𝑛 300m El diseño de ampliación posee un Hmáx=2520m y un Hmín=2220m. 32° Este valor corresponde a la pendiente en la cual domos cercanos a la cantera y que poseen las mismas características litológicas, alcanzan una estabilidad natural. Ángulo del borde de liquidación ------------ Se emplea una excavadora CAT 330Cl, cuyo 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 = 10m. Altura de bancos 𝐻𝑏=0.9 𝑥 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 Ángulo de inclinación de los bordes finales de la cantera 𝐹 = 𝑅𝐶𝑂𝑀/100 Bermas de liquidación Cálculo trigonométrico Bermas de resguardo ∝1 = arc tan (𝐹) ------------- 10m Se obtuvo un valor de 9m, con el fin de minimizar gastos en la explotación de considera un valor de 10m. El valor 𝑅𝐶𝑂𝑀 = 22,54 MPa. 60° Se obtiene un valor de 66°, con el objetivo de dar seguridad se opta por un valor de 60° 10m ------------------ 50m Este parámetro se lo ubica en el centro de la concesión, tomando en cuenta la gran profundidad de la cantera (300m). Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 49 3.3.4 Etapa de operación Tabla 19: Elementos geométricos durante la etapa de operación de la cantera Fucusucu III PARÁMETRO ECUACIÓN RESULTADO OBSERVACIÓN El valor 𝑅𝐶𝑂𝑀 = 22,54 MPa. 𝐹 = 𝑅𝐶𝑂𝑀/100 Ángulo de talud en trabajos 70° – 75° ∝1 = arc tan (𝐹) Prisma de deslizamiento 𝐵= 𝐻𝑏 tan (𝛼𝑒− 𝛼1) 3m Ancho de plataformas de trabajo 𝐵𝑝𝑡=𝐴+𝐶+𝑇+𝐵 20m Se obtiene un valor de 66, sin embargo se opta por un valor superior con la finalidad de asegurar una estabilidad temporal y facilitar el trabajo de excavación. El valor obtenido corresponde a 2,66m, por seguridad se optó por un valor superior. Sabiendo que: A=3m, T=5m, C= 9m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 3.4 3.4.1 ANÁLISIS CINEMÁTICO DE TALUDES Rotura Planar Existen cuatro secciones que presentan este tipo de rotura (Ver Tabla 20). Tabla 20: Secciones que presentan rotura planar de la cantera Fucusucu III Datos estructurales de la rotura FAMILIA DE SECCIONES DIACLASAS AzBz Bz 2270-II-C II 162° 71° 2350-II-A-B2 II 165° 66° 2350-II-A-B3 IV 354° 61° 2360-III-A II 130° 57° Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Como se observa en la Figura 17 se forma una rotura planar entre la familia II y la cara del talud donde βs= 75° es mayor a βj= 71°, además αs= S70°W es casi paralelo a αj= S72°W cumpliendo con el rango de desviación y finalmente ϕ= 33.42 es menor a βs= 75°. 50 Figura 17: Rotura planar en el tramo 2270-II-C de Fucusucu III Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Rotura en Cuña Nueve secciones presentan este tipo de rotura (Ver Tabla 21). Tabla 21: Secciones con presencia de rotura en cuña de la cantera Fucusucu III LINEA DE SECCIONES CUÑA ENTRE FAMILIAS (Az/Bz) INTERSECCIÓN ENTRE FAMILIAS DE DIACLASAS (Az/Bz) I (46/62) II (162/62) 104/45 I (14/55) II (188/80) 107/43 I (14/55) III (222/82) 135/67 2297-II-B-B2 I (55/66) II (194/72) 120/46 2304-II-A I (47/50) II (309/84) 50/92 2320-I II (120/44) IV (320/68) 75/162 2350-II-A-B1 I (50/81) II (203/75) 129/42 2350-II-B-B1 I (88/33) IV (318/85) 45/63 2360-III-B II (149/69) III (222/60) 22/32 I (75/68) II (109/70) 83/22 I (75/68) III (230/80) 142/52 2270-II-A 2297-II-A-B2 2297-I-A Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 51 En la Figura 18 se aprecia una rotura en cuña formada por la intersección entre los planos de discontinuidad de las familias I y II, donde βi=42° es menor que βs=75° y tanto la dirección de buzamiento de la familia I y II quedan fuera del área sombreada. Figura 18: Rotura en cuña en el tramo 2350-II-A-B1 de Fucusucu III Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Rotura por Vuelco En el tramo 2350-II-B-B1 se distinguió la formación de este tipo de una rotura. En la Figura 19 se observa una rotura por vuelco formada por la familia II, debido a que βs= 75° > 58.42° que es el resultado de la siguiente operación: ϕ= 33.42° + (90° - βj=65°); el αs= E es casi paralelo al αj= NS85°E y el polo II se ubica dentro del área sombreada. 52 Figura 19: Rotura por vuelco en el tramo 2350-II-B-B1 de Fucusucu III Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) En los tramos restantes no se ha distinguido ningún tipo de rotura (Ver Anexo 10). 3.4.2 Factor de ajuste de las discontinuidades (F1xF2xF3) y excavación (F4) por el método Romana (SMR) Para la obtención del SMR se partió del análisis cinemático, el cual estableció que varias secciones de los taludes no presentan ningún tipo de rotura, otros tienen roturas en cuña, en menor porcentaje presentan rotura planar y solamente uno por vuelco. De acuerdo al tipo de rotura se calcularon los factores F1, F2 y F3 según la tabla propuesta por Romana (Ver Tabla 9). Los resultados se muestran en el Anexo 10. El F4 se le asignó un valor de cero debido a que el método explotación empleado en la cantera es mecánico y además el macizo rocoso es poco competente (Ver Tabla 9). A través del SIG se obtuvo el mapa SMR medio (Ver Fig 20 y Anexo 11), en el cual se observan ciertas zonas inestables debido a que el valor RMR asignado fue bajo a causa de que el macizo rocoso se encuentra altamente fracturado, mientras que el resto de taludes presentan una estabilidad que va de buena a media. 53 Estabilidad de taludes por el Método Romana (SMR) Estabilidad Buena (II) y Normal (III) Los taludes dentro de este rango son catalogados como normalmente estables que pueden presentar un peligro moderado debido a la caída de pequeños bloques de roca, en el mapa de la Figura 20 este tipo de estabilidad está representada por las tonalidades verde y amarilla respectivamente. Tabla 22: Tramos que presentan estabilidad buena y normal de la cantera Fucusucu III ESTABILIDAD SECCIONES 2297-I-B 2265-V-B II 2297-III Buena 2350-IV-A-B1 2350-III 2360-IV 2297-I-A 2262-II-B 2270-II-E 2270-II-B 2270-II-A 2284-II-A 2284-III 2297-II-B-B1 2297-II-B-B2 2297-II-C-B2 2304-II-B III 2320-II-E Normal 2320-IV 2320-III 2320-II-A 2320-II-C 2320-II-D 2320-II-E 2350-II-A-B1 2350-II-B-B1 2360-III-B 2360-II 2370-II-A Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 54 Estabilidad IV: Mala Los taludes que presentan este tipo de estabilidad son representados por el color rojo en la Figura 20, son considerados como inestables debido a que si llegan a derrumbarse podrían ocasionar severos daños. El tratamiento que podrían recibir estos taludes sería la creación de banquetas. Tabla 23: Tramos que presentan estabilidad mala de la cantera Fucusucu III ESTABILIDAD SECCIONES 2270-II-C 2304-II-A IV 2350-II-A-B2 Mala 2350-II-A-B3 2360-III-A Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Estabilidad V: Muy mala Todos los taludes representados por la tonalidad violeta en la Figura 20 se los considera como críticos, debido a que al encontrarse altamente fracturados se les asignó un valor mínimo para cada parámetro, a excepción de la presencia de agua obteniendo un puntaje RMR de 18 y al no distinguirse familias de discontinuidades adquirieron directamente el mismo SMR. Tabla 24: Tramos que presentan estabilidad muy mala de la cantera Fucusucu III ESTABILIDAD SECCIONES 2265-V-A 2265-V-C 2265-I 2262-V 2262-I 2262-II-A 2270-I 2270-II-D V 2284-I Muy mala 2284-II-B 2297-II-A-B1 2304-III 2304-II-C 2350-IV-B-B1 2370-II-B 2350-I 2340-I Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 55 Figura 20: Mapa de Slope Mass Rating (SMR).Cantera Fucusucu III. Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 56 3.5 DISCUSIÓN La Cantera Fucusucu III presenta un diseño técnico de explotación a cielo abierto, a pesar de esto, durante el trabajo de campo realizado mediante el análisis geomecánico y de estabilidad de taludes, se han distinguido zonas inestables que necesitan variar su geometría. Los taludes que presentan una estabilidad muy mala (Ver Fig 20), se caracterizan por estar totalmente triturados. Según el diseño de liquidación propuesto, estos taludes deberían quedar con un ángulo de inclinación final de 60°, pero de acuerdo al análisis realizado es recomendable reducirlo a 30° que corresponde al ángulo de buzamiento natural en el que este tipo de material permanece estable. Durante la etapa de operación, estos taludes pueden mantener el ángulo de inclinación con el que se ha venido trabajando, debido a que presentan una estabilidad temporal lo que a facilitado el trabajo de arranque con la excavadora. La sección 2360-III-A muestra una estabilidad mala (Ver Fig 20), según el análisis cinemático de discontinuidades se ha determinado la presencia de una rotura de tipo planar, ya que su plano de discontinuidad (Az 130°) se encuentra casi paralelo al plano del talud (Az 150°) y su ángulo de buzamiento (57°) es menor al ángulo del talud con el que se ha venido trabajando durante la etapa de operación (75°). Para llegar a la estabilidad es aconsejable disminuir tanto el ángulo de trabajo como de liquidación hasta 50° y disminuir la altura actual de 20m a 10m como se propone en el diseño de operación y liquidación. Las secciones 2350-II-A-B2 y 2350-II-A-B3 tienen una estabilidad mala (Ver Fig 20), presentan una rotura de tipo planar por lo que se recomienda reducir el ángulo de talud a 60° en la etapa de operación que sería menor al ángulo actual de 75°. En la etapa de liquidación se mantendría en ángulo de 60° que es el propuesto por los técnicos. La sección 2304-II-A presenta una estabilidad mala (Ver Fig 20), se identificó una rotura en cuña entre la familia de discontinuidades I(47/50) y II(176/81), con el fin de llegar a una estabilidad; es aconsejable cambiar la dirección del talud a 180°, debido a que con este ángulo es menos probable este tipo de rotura. La sección 2270-II-C tiene una estabilidad mala (Ver Fig 20), presenta una rotura planar para lo cual es necesario reducir el ángulo de trabajo a 70° y en liquidación se puede mantener el ángulo propuesto (60°). El diseño de liquidación contempla una mega-plataforma final, la cual podría utilizarse como un espacio recreativo para la comunidad. 57 CAPÍTULO IV 4 ANÁLISIS GEOMECÁNICO Y DISEÑO DE TALUDES DE LA CANTERA ESPERANZA 4.1 GEOLOGÍA LOCAL La explotación de los materiales en la cantera se la realiza en el flujo de lava del Antisanilla, que posee una longitud aproximada de 11km y un ancho variable (0.5 a 2km). El flujo proviene de dos ventos que se extendió por el valle glaciar de Muerto Pungo, ocupando un drenaje principal del área que obstaculizó la salida de agua produciendo así la formación de lagunas (León & Pozo, 2001). Según el estudio “Posibilidades de Aplicación de la Roca del Flujo de Lava de Antisanilla” (Lachowicz, 1987), la composición de la roca corresponde a una andesita con olivino y cuarzo secundario, cuyas propiedades físico – mecánicas son excelentes. 4.1.1 Litoestratigrafía En el área de estudio se evidenciaron las litologías (Cangahua, Autobrecha, Lava andesítica basáltica con piroxeno y Lava basáltica tipo AA) (Ver Anexo 13 ). Cangahua Esta unidad aflora en la parte Sur de la concesión y consiste en una toba de color blanco amarillento compuesta por ceniza fina y lapilli, de estructura maciza, matriz soportada y moderadamente sorteada (Ver Fotografía 12). Fotografía 12: Afloramiento de Cangahua (UTM). Cantera Esperanza. E W 1.65m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 58 Autobrecha Consiste en una brecha monolítica volcánica de composición andesítica basáltica ferruginosa con piroxeno, cuyos clastos son angulosos variando entre 10cm a 78cm, presenta una textura porfirítica donde se distinguen fenocristales de plagioclasa y piroxeno de moderada abundancia; además, presenta una estructura vesicular y una tonalidad rojiza como resultado de la oxidación termal. Esta unidad aflora hacia el SW de la concesión (Ver Fotografía 13). Fotografía 13: Autobrecha andesítica – basáltica ( UTM 795056/ 9953118). Cantera Esperanza. W E 1.65m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Lava andesítica básica con piroxeno Está unidad se encuentra en contacto altamente irregular con la auto brecha, presenta una estructura de disyunción en placas, aflora de manera puntual dentro del área de explotación (Ver Fotografía 14). A través del análisis macroscópico realizado se le asignó una composición andesítica basáltica (Ver Anexo 14). 59 Fotografía 14: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno (UTM 795158/ 9953149). Cantera Esperanza. W E 110/45 1.65m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Lava basáltica tipo “AA” Comprenden bloques angulosos que varían de decimétricos a métricos distribuidos de manera caótica, poseen superficies muy ásperas e irregulares debido la perdida inmediata de gases, el agrietamiento que se observa es producto de un avance lento que va disminuyendo la temperatura y el empuje de la lava caliente que se encuentra por debajo (Ver Fotografía 15 ). 60 Fotografía 15: Lavas basálticas tipo AA UTM ( 795230/ 9953218). Cantera Esperanza E W Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Mediante el análisis macroscópico y microscópico realizado se ha determinado que la roca tiene una composición basáltica (Ver Anexo 15). 4.2 GEOMECÁNICA DEL MACIZO ROCOSO La evaluación geomecánica del macizo rocoso se realizó en afloramientos puntuales del flujo de lava de composición andesítica basáltica con piroxeno, debido a que durante los seis meses que lleva operando la cantera se ha explotado la autobrecha, dejando al descubierto la parte masiva del flujo. 4.2.1 Evaluación geomecánica del macizo rocoso Calidad del macizo rocoso por el método Bieniawski (RMR) básico Resistencia a la compresión simple De acuerdo al Informe Semestral de Producción “Esperanza” Primer Semestre -2015, la resistencia de la roca a la compresión simple supera los 2000 kg/cm2, este valor se ubica en el rango 100 -250 MPa según la tabla propuesta por Bieniawski, asignándole una valoración de 12 que indica una resistencia muy alta. Grado de fracturación del macizo rocoso Los valores RQD obtenidos en los afloramientos mediante la ecuación de Palmström, se encuentran en el rango de 90 – 100 %, cuya valoración corresponde a 20 (Ver Fotografía 16). 𝑹𝑸𝑫 = 110 − 2,5𝐽𝑣 (Ec. 2) 61 Espaciado de las discontinuidades El espaciado entre los planos de discontinuidad van desde separados hasta moderadamente juntos, que oscila entre 0.2m a 2m (Ver Fotografía 16 y Gráfico 8). Fotografía 16: Lava andesita basáltica con piroxeno (UTM 795158/ 9953149). Cantera Esperanza. W E 40cm 20cm 1,70m 30cm 1,60m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Gráfico 8: Espaciado entre discontinuidades – Cantera Esperanza Espaciado (m) 60 50 % 40 30 20 10 0 Juntas (%) <0.02 0.020.06 Extrem. Juntas Muy Junta Juntas 0 0 0 0.06-0.2 0.2-0.6 0.6-2 >6 Modera Muy Extrem. Separad d. Separad Separad as Juntas as as 56 44 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 62 2-6 0 0 Condición de las discontinuidades Continuidad Los planos de discontinuidad poseen una persistencia baja y alta debido a que varían entre 1 a 10m (Ver Gráfico 9 y Fotografía 17). Gráfico 9: Continuidad de las discontinuidades – Cantera Esperanza Continuidad (m) 70 60 50 % 40 30 20 10 0 <1 1-3 3-10 10-20 >20 Muy Baja Baja Moderada Alta Muy Alta 0 67 0 33 0 Juntas (%) Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Rugosidad La superficie en todos los planos de discontinuidades se caracteriza por ser ondulada rugosa (Ver Gráfico 10 y Fotografía 17). Gráfico 10: Rugosidad de las discontinuidades – Cantera Esperanza Rugosidad 120 100 % 80 60 40 20 0 I. IV. III. Rugos II. Lisa Rugos Pulida a a Escalonada Juntas (%) 0 0 V. Lisa VII. VI. Rugos Pulida a Ondulada 0 100 0 IX. Pulida Plana 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 63 VIII. Lisa 0 0 0 Abertura La abertura que presentan las discontinuidades es mayor a 10mm, catalogándolas como abiertas (Ver Gráfico 11 y Fotografía 17). Gráfico 11: Abertura entre las discontinuidades – Cantera Esperanza Abertura (mm) 120 100 % 80 60 40 20 0 0.10.25 <0.1 0.250.5 0.52.5 2.5-10 10100 >10 100>1000 1000 Parcia Mode Muy Extre Cerra lm. Abiert rm. Muy Caver Cerra Ancha m. da Abiert a Abiert ancha nosa da Ancha a a Juntas (%) 0 0 0 0 0 100 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Relleno El relleno es duro <5mm y presenta la misma composición del macizo rocoso, asignándole un valor de 4 (Ver Gráfico 12 y Fotografía 17). Gráfico 12: Relleno en las discontinuidades - Cantera Esperanza Relleno 120 100 % 80 60 40 20 0 Juntas (%) Ninguno Duro < 5mm Duro > 5mm Blando < 5mm Blando >5 mm 0 100 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 64 Fotografía 17: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno (UTM 795158/953149). Cantera Esperanza. Relleno duro 5cm Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Meteorización El macizo rocoso se encuentra ligeramente a moderadamente alterado, asignándoles puntuaciones de 3 y 5 respectivamente (Ver Gráfico 13 y Fotografía 18). Gráfico 13: Meteorización – Cantera Esperanza Meteorización 60 50 % 40 30 20 10 0 Juntas (%) Fresco Ligerame nte Moderad amente Altament Completa e mente I II III IV V VI 0 44 56 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 65 Suelo Residual Fotografía 18: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno (UTM 795056/ 9953118). Cantera Esperanza. W E Andesita básica con piroxeno moderadamente 1,65 m Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Flujo de agua en las discontinuidades En los afloramientos no existe la presencia de agua, considerando que el estudio se lo realizó en época de verano, por lo tanto se le asignó una valoración de 15 (Ver Gráfico 14). 66 Gráfico 14: Flujo de agua en las discontinuidades – Cantera Esperanza Filtraciones 120 100 % 80 60 40 20 0 Juntas (%) Seco Húmedo Goteo Flujo 100 0 0 0 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Todos los parámetros descritos anteriormente se muestran en el Anexo 16.. En la Figura 21 y Anexo 17 se observan los valores de RMR obtenidos para los afloramientos correspondientes a la parte masiva del flujo. 67 Figura 21: Mapa de calidad del macizo rocoso por el método Bieniawski RMR – Cantera Esperanza Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 68 4.3 EVALUACIÓN DE LOS ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA CANTERA ESPERANZA Actualmente en la cantera se realizan labores mineras de extracción, carguío, transporte, clasificación y comercialización, sin embargo dicha actividad se la ha realizado de forma antitécnica porque no existe un diseño de explotación. Existen dos frentes de extracción hacia SW de la concesión, en los cuales mediante una retroexcavadora se ha desmontado la autobrecha del flujo de lava, el material es transportado por un volquete hacia la zaranda para su separación gravimétrica y posterior comercialización. En ciertos lugares ha quedado visible el macizo rocoso, planificandose una futura extracción a través del método de perforación y voladura (Ver Fotografía 19). Fotografía 19: Afloramiento de lava andesita basáltica con piroxeno moderadamente alterada (UTM 795088/ 9953205). Cantera Esperanza SW NE Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 69 4.3.1 Etapa de operación Tabla 25: Elementos geométricos durante la etapa de operación de la cantera Esperanza PARÁMETRO ECUACIÓN VALOR OBSERVACIÓN Profundidad de la cantera 𝐻= 𝐻𝑚á𝑥−𝐻𝑚í𝑛 30m La concesión minera posee una Hmáx=3250m y una Hmín=3220m. Altura de bancos La maquinaria de extracción corresponde a una excavadora tipo DOOSAN 340 LCV, cuya 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 = 10m. 𝐻𝑏=1.5 𝑥 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 (Rocas resistentes) 𝐻𝑏=0.9 𝑥 𝐻𝑒𝑥𝑐 𝑚á𝑥 (Rocas poco resistentes) 5m Se obtuvieron dos valores: 15,03m (Flujo de lava masiva) y 9,018m (Autobrecha), sin embargo con el fin de mantener condiciones estables y brindar seguridad se propone un valor inferior. El valor 𝑅𝐶𝑂𝑀 > 2000 Kg/cm2 Ángulo de talud en trabajos 𝐹 = 𝑅𝐶𝑂𝑀/100 ∝1 = arc tan (𝐹) 80° Se obtuvo un valor de 87°, con el objetivo de obtener mayor seguridad y facilitar la extracción del macizo rocoso se disminuyó el ángulo. Bermas Cálculo trigonométrico 2m ----------------------------------- Prisma de deslizamiento 𝐵= 𝐻𝑏 tan (𝛼𝑒− 𝛼1) 1m Se calculó un valor de 0,88m que se aproxima a 1m por seguridad. Anchos de las plataformas de trabajo 𝐵𝑝𝑡=𝐴+𝐶+𝑇+𝐵 25m Sabiendo que: A=5m, T=5m, C= 14m para una excavadora tipo DOOSAN 340 LCV Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 70 4.3.2 Etapa de cierre Tabla 26: Elementos geométricos finales de la cantera Esperanza PARÁMETRO MEDIDAS RESULTADO Ángulo de inclinación de los bordes finales de la cantera 60°, 42°, 36°, 34°, 46°, 38°, 44°, 41°, 46°, 46°, 51°, 41°. 40° Ángulo del borde de liquidación ----- 32° OBSERVACIÓN Se han tomado varias medidas del ángulo natural en el cual este tipo de litología permanece estable (Ver Fotografía 20), obteniendo un promedio de 43,75°. Se reduce el valor calculado con el fin de obtener mayor estabilidad A través de un cálculo trigonométrico se estableció este valor. Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) Fotografía 20: Toma de ángulos de buzamiento en taludes naturales que permanecen estables. W E Ángulo de buzamiento natural 32° Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 71 4.4 RESERVAS EXTRAÍBLES DE MATERIAL PÉTREO Con el fin de estimar el volumen de reservas extraíbles y conocer la manera en que se desarrollará y avanzará la explotación en la concesión minera “Esperanza”, se ha realizado un análisis gráfico a través de análisis gráfico, empleando la base topográfica y los elementos geométricos de la cantera calculados anteriormente. Para este análisis se partió de una cota superior de 3250 msnm que sirvió como referencia para la posterior conformación de bancos descendentes. Las reservas estimadas a partir de este método se detallan en la siguiente tabla: Tabla 27: Reservas extraíbles estimadas. Cantera “Esperanza” Reservas Extraíbles ALTURA DEL BANCO(msnm) ÁREA (m2) 3245 40 468,90 5 202 344,50 3240 57 036,40 5 285 182,00 3235 91 884,43 5 459 422,15 3230 113 406,32 5 567 031,60 3225 Oeste 9 700,49 5 48 502,45 3225 Sur 5 056,96 5 25 284,80 3220 10 645,59 5 53 227,95 BANCO (m) VOLÚMEN (m3) VOLUMEN TOTAL 1 640 995,45 Fuente: Autores (Caizaluisa & Criollo, 2015) 4.5 DISCUSIÓN De acuerdo al estudio realizado en la Concesión Minera “Esperanza”, se identificó que la explotación de materiales pétreos se la realiza de manera anti-técnica. Mediante la caracterización geológica se determinó la presencia de tres unidades litológicas explotables correspondientes a la autobrecha, lava andesítica con piroxeno y lava basáltica tipo aa. La explotación se la ha realizado en la parte superficial del flujo es decir la autobrecha, quedando visible la parte masiva, cuyo análisis geomecánico arrojó una calidad de roca que va de buena a muy buena, por lo que no es posible su extracción con la ayuda de una excavadora sino con métodos de perforación y voladura, sin embargo en las condiciones actuales como se presentan estos remanentes no es aconsejable su aplicación, debido a que 72 produciría resultados no deseados tales como la formación de cavernas e incluso se dificultaría la manipulación de explosivos. Por lo expuesto anteriormente se propone un diseño de explotación técnica (Ver Anexo 19) que consiste en formar bancos descendentes que permitan el máximo aprovechamiento del recurso minero y remediar los trabajos de extracción anti-técnicos que se han venido realizando. Este diseño está compuesto por seis bancos con alturas de 5m, bermas de 2m y ángulos de trabajo de 80° que permiten una estabilidad temporal durante la operación. 73 CAPÍTULO V 5 5.1 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES De acuerdo a la caracterización geológica de la Concesión Minera Fucusucu III se distingue una litología propia de un domo dacítico, siendo la unidad Dacita con anfíbol y piroxeno la que aflora mayormente y el principal recurso explotable; también se identificó la presencia de la unidad Dacita con anfíbol posee una tonalidad rojiza producto de la oxidación termal que aflora al S y O de la cantera; finalmente se observó la presencia de un depósito de tipo “block and ash”, el mismo que corroboró que el material de extracción corresponde a un domo volcánico. La caracterización geomecánica realizada por el Método de Bieniawski (1989) en la cantera Fucusucu III permitió determinar que la calidad del macizo rocoso va de clase IV (buena) a clase V (muy mala), predominando la roca de clase III (media). En tramos donde el material está altamente triturado adquirió una valoración RMR muy baja, es decir clase V (mala). La cantera Fucusucu III se explota de forma técnica cuyo diseño de explotación está conformado por los siguiente elementos: profundidad=300m, altura de banco=10m, ángulo de talud de trabajo=75°, altura de sub-banco=3m, berma=10m y plataformas de trabajo=20m. El diseño de liquidación presentará los siguientes parámetros geométricos: altura de banco=10m, ángulo de inclinación de los bordes finales de la cantera=60°, bermas de liquidación=10m, berma de resguardo=50m y ángulo de borde de liquidación=32° mismo que corresponde al ángulo natural de inclinación de domos aledaños al sector que poseen las mimas características geológicas. Mediante el empleo del Método Romana SMR (1985), se identificaron sectores con estabilidad que van de buena (clase II) a muy mala (clase V) en la Cantera Fucusucu III. Los tramos con estabilidad mala muestran roturas de tipo planar y en cuña; y en el caso de los tramos con estabilidad muy mala no se observaron discontinuidades por las características del material, por lo que no se puedo determinar ninguna clase de rotura, adquiriendo directamente el valor RMR asignado. Los taludes de la cantera Fucusucu III catalogados con una estabilidad muy mala (clase V) mediante el Método Romana SMR (1985), deben disminuir su ángulo tanto en la etapa de operación como en la de liquidación a 30°, debido a que según pruebas 74 realizadas en el campo, este tipo de material alcanza estabilidad en el ángulo mencionado. La Cantera Fucusucu III presenta tramos que poseen una rotura planar, la cual origina inestabilidad. La sección 2360-III-A necesita una corrección tanto en el ángulo de talud como en su altura. El ángulo de talud propuesto para las etapas de operación y cierre es de 50° que difiere con los ángulos de diseño establecidos por los técnicos de la cantera; de igual forma la altura con la que se trabaja actualmente (20m) debería ser la establecida en los diseños (10m). Las secciones 2350-II-A-B2 y 2350-II-A-B3 deberían reducir su ángulo de talud en trabajo a 60°, que debe mantenerse en la etapa de liquidación. Finalmente, a la sección 2270-II-C se recomienda disminuir el ángulo de trabajo a 70° y mantener el ángulo de liquidación de 60° propuesto por los técnicos. En la sección 2304-II-A de la Cantera Fucusucu III, se identificó una rotura en cuña por lo que es aconsejable cambiar el azimut de buzamiento del talud a 180°, con lo cual no se produciría ningún tipo de rotura. En la Concesión Minera Esperanza se explota material correspondiente al flujo de lava Antisanilla, de acuerdo a la caracterización geológica realizada se determinaron tres unidades litológicas: la Autobrecha andesítica basáltia ferruginosa con piroxeno, lava de composición andesítica basáltica con piroxeno y lavas basálticas tipo aa. El análisis geomecánico (RMR) realizado en la cantera Esperanza, se lo hizo en remanentes pertenecientes a la lava masiva que han quedado expuestos en el área actualmente explotada, dando una calidad de roca que va de buena a muy buena la cual no puede ser explotada mediante una excavadora sino con el uso de técnicas de perforación y voladura. Actualmente la Cantera Esperanza no cuenta con un diseño técnico de operación, debido a que la explotación se la realiza desde la cota más baja con la ayuda de una excavadora que desmonta únicamente la autobrecha y deja al descubierto la parte masiva del flujo. El diseño de explotación que se propone en la presente investigación para la Cantera Esperanza se conforma de bancos descendentes iniciando desde la cota 3250msnm ubicada en la parte Norte de la Concesión, sus parámetros son los siguientes: profundidad=30m, altura de bancos=5m, bermas=2m y ancho de plataformas de trabajo=25m. Se ha realizado un análisis gráfico tomando como base la topografía de la cantera Esperanza, con el fin de estimar las reservas extraíbles que serían de 1 640 995,45 m3. El diseño de liquidación propuesto para la Cantera Esperanza posee los siguientes parámetros: ángulo de inclinación de los bordes de la cantera=40°, ángulo del borde de liquidación=32°, altura de bancos=5m y ancho de bermas=2m. 75 Tanto la cantera Fucusucu III como Esperanza contarán con una mega-plataforma final que podrá ser utilizada con fines recreacionales en beneficio de la comunidad. 5.2 RECOMENDACIONES Se debe incluir estudios geológicos, geomecánicos y de análisis de estabilidad para el desarrollo de una cantera, que ayuden a determinar la viabilidad técnica y económica del proyecto. Se debe elaborar un diseño tanto de explotación como liquidación para el desarrollo de todo tipo de labor minera. Se debe aplicar las correcciones en los parámetros geométricos de diseño de la Cantera Fucusucu III propuestos en esta investigación, con el fin de asegurar la integridad física de los trabajadores y equipos. Se debería aplicar otros métodos geomecánicos que respalden el método empleado en este estudio. 76 CAPÍTULO VI 6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Andrade, D. (2002). Estudio Geovolcanológico del Complejo Volcánico Pululahua. Proyecto previo a la obtención del título de Ingeniero Geólogo, Escuela Politécnica Nacional, Quito - Ecuador. Arcos, D. (2008). Perforación, Voladura y Ventilación en Minería Subterránea. Ayacucho. Cando, M., León E. & Núñez H. (2000). Diagnóstico de la actividad minera en el sector del volcán, parroquia de Píntag y su influencia en el recurso hídrico de la zona. Quito: Ministerio de Energía y Minas. Carrillo, M., Linkimer, L., Rodríguez, A., & Zúñiga, H. (2002). Clasificación geomecánica y análisis estabilidad de taludes del macizo rocoso Coris, Cartago, Costa Rica. Revista Geológica de América Central. Universidad de Costa Rica. Costa Rica Canteras no se abrirán mientras no cumplan todos los requisitos. (2012, 30 de Mayo). El Telégrafo. 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Tecnología de la Explotación de Minerales Duros por el Método a Cielo Abierto. Quito – Ecuador. Tomás, R., & otros. (2006). Nuevas Funciones Continuas para el Cálculo del Slope Mass Rating (SMR): Aplicación Mediante un Sistema de Información Geográfica a los Taludes Rocosos de una Cantera. Revista de la Sociedad Geológica de España. Villagómez, D., Eguéz, A., Winkler, W., & Spikings, R., (2002). Plio – Quaternary Sedimentary and Tectonic Evolution of the Central Inter – Andean Valley in Ecuador. Winkler, W., Villagómez, D., Spikings, R., Abegglen, P., Tobler, St., & Egüez, A. (2004). The Chota basin and its significance for the inception and tectonic setting of the inter – Andean depression in Ecuador. ElSEVIER. Journal of South American Earth Sciences, p. 8. 79 CAPÍTULO VII 7 ANEXOS Anexo 1: Mapa Litoestratigráfico de la cantera Fucusucu III Anexo 2: Fichas de descripción macroscópica y microscópica de tobas soldadas Anexo 3: Fichas de descripción macroscópica y microscópica de dacitas con anfíbol Anexo 4: Fichas de descripción macroscópica y microscópica de dacitas con anfíbol y piroxeno Anexo 5: Mapa de secciones de la cantera Fucusucu III Anexo 6: Matriz RMR por familias de discontinuidades de la cantera Fucusucu III Anexo 7: Mapa Rock Mass Rating (RMR) de la cantera Fucusucu III Anexo 8: Plan de Minado de la cantera Fucusucu III Anexo 9: Diseño de Ampliación, etapa de liquidación de la cantera Fucusucu III Anexo 10: Matriz SMR por familias de discontinuidades Cantera Fucusucu III Anexo 11: Mapa Slope Mass Rating (SMR) de la cantera Fucusucu III Anexo 12: Resultados de los Ensayos de Compresión Simple y Triaxial de la cantera Fucusucu III. Anexo 13: Mapa Litológico de la cantera Esperanza Anexo 14: Ficha de descripción macroscópica de la Andesita basáltica Anexo 15: Fichas de descripción macroscópica y microscópica de la lava basáltica Anexo 16: Matriz RMR de la cantera Esperanza Anexo 17: Mapa Rock Mass Rating (RMR) de la cantera Esperanza Anexo 18: Mapa topográfico de la cantera Esperanza Anexo 19: Planos de diseño de explotación de la cantera Esperanza Anexo 20: Plano de diseño de Liquidación de la cantera Esperanza Anexo 21: Curriculum vitae 80 CURRICULUM VITAE DATOS PERSONALES Nombres: Apellidos: Dirección: Nacionalidad: Fecha de nacimiento: Lugar de nacimiento: Estado Civil: Edad: Teléfono: Teléfono celular: Email: Verónica Carolina Caizaluisa Jácome Machachi, Calle César Endara y Delfín Cevallos. Ecuatoriana. 22 de mayo de 1990. Quito-Pichincha. Soltera 25 años 2310-700 0998496174 [email protected] FORMACION Y ESTUDIOS PRIMARIA Fecha: 1996-2002 Institución: Escuela Fiscal Mixta “José Mejía Lequerica” SECUNDARIA Fecha: 2002-2008 Institución: Colegio Nacional “Machachi” Título obtenido: Bachiller en Ciencias Especialidad: Físico Matemático UNIVERSITARIA Fecha: 2009- 2015 Institución: Universidad Central del Ecuador-Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental (FIGEMPA). Título obtenido: Ingeniera Geóloga. INGLÉS INFORMÁTICA 11VO Nivel (Académico IV.). Certificado de suficiencia en el Idioma Inglés (B1). Nivel medio oral y escrito. Centro de Educación Continua de la Escuela Politécnica Nacional “CEC”. Quito-Ecuador. Entorno Windows: Word, Excel, Power Point. Internet: Navegación, páginas Web y Correo electrónico Programas: AutoCad 2D, ArcGis, Surfer, CivilCad, Dips. CURSOS Y/O SEMINARIOS REALIZADOS Curso de CivilCad Lugar: Escuela Politécnica Nacional-Federación de estudiantes politécnicos del Ecuador. Fecha: 23 de marzo al 7 de abril del 2015. Curso de Sistemas de Información Geográfica, Niveles avanzado. Lugar: Centro Panamericano de Estudios e investigaciones Geográficas Fecha: 10 al15 de marzo del 2014. Curso de Sistemas de Información Geográfica, Niveles básico e intermedio. Lugar: Centro Panamericano de Estudios e investigaciones Geográficas Fecha: 23 de septiembre al 25 de Octubre del 2013 Seminario Sistemas Petroleros Plays y Trampas (Con Elementos de Tectónica y Estratigrafía Secuencial). Lugar: Auditorio Principal de la FIGEMPA Fecha: 29 y 30 de noviembre del 2013 Tiempo de Duración: 8 horas. Jornadas Técnica Schlumberger Lugar: Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental. Fecha: 19 de noviembre del 2013 Jornadas técnicas Tecpetrol Lugar: Escuela Politécnica Nacional Fecha: 25 de Octubre del 2013 Tiempo de Duración: 8 horas. Curso de Windows, Word, Outlook Lugar: DCA Ingeniería de Sistemas. Fecha: 8 de Febrero del 2004 Tiempo de duración: 36 horas. EXPERIENCIAS PRE-PROFESIONALES Fecha: 01/02/2013 al 28/02/2013 Empresa: Secretaría Nacional del Agua (SENAGUA) Actividades desarrolladas: Practicas pre- profesionales en el área de calidad del agua y apoyo en cartografía a través del software ArcGis. Horas Laborales: 170 horas. Fecha: 05/08/2013 al 05/09/2013 Empresa: Empresa Pública Estratégica Hidroeléctrica Coca Codo Sinclair, COCASINCLAIR EP. Actividades realizadas: Prácticas pre-profesionales en el Área de Geología, apoyo en la supervisión del mapeo geológico para diseños geotécnicos, apoyo en actividades de fiscalización, supervisión de las excavaciones subterráneas y colaboración con la elaboración de informes relacionados a las tareas asignadas. Horas Laborales: 232 horas. HABILIDADES Personales: Persona responsable, creativa, sociable. Buena respuesta a trabajo, facilidad de adaptación. Sentido de liderazgo y trabajo en equipo. REFERENCIAS Ing. Adán Guzmán Título: Ingeniero de Minas. Cargo actual: Docente Institución: Universidad Central del Ecuador. Teléfono: 0997532574 Ing. Víctor Collaguazo Título: Ingeniero en Geología. Cargo actual: Docente. Institución: Universidad Central del Ecuador Teléfono: 0992939480 Verónica Carolina Caizaluisa Jácome. CI. 1723178008-8 CURRICULUM VITAE Datos Personales NOMBRE Silvana Alexandra Criollo Andagoya DOCUMENTO DE IDENTIDAD 1719363622 FECHA DE NACIMIENTO 10 de enero de 1990 LUGAR DE NACIMIENTO Quito- Pichincha ESTADO CIVIL Soltera CIUDAD Quito DIRECCIÓN Pomasqui, calle Pérez Reina Oe- 350 TELÉFONO 099 540 7131/ 2 352 521 E-MAIL [email protected] LICENCIA DE CONDUCIR Tipo B Formación Académica Estudios Primarios: Escuela Alexander Voon Humboldt Estudios Secundarios: Unidad Educativa Experimental “Manuela Cañizares” Físico - Matemático Universitarios: Universidad Central del Ecuador Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental Ingeniería en Geología – (Egresada) Idioma Extranjero: 9no Nivel de ingles (Académico II) Centro de Educación Continua de la Escuela Politecnica Nacional “CEC” Informática: Power Point Entorno Windows:Word, Excel, Programas: ArcGis 10.2, AutoCad 2D, Surfer,Civil CAD Talleres y Cursos Jornadas Técnicas Tecpetrol Lugar: Escuela Politécnica Nacional Fecha: 25 de Octubre del 2013 Tiempo de Duración: 8 horas. Seminario Sistemas Petroleros Plays y Trampas (Con Elementos de Tectónica y Estratigrafía Secuencial) Lugar: Auditorio Principal de la FIGEMPA Fecha: 29 y 30 de Noviembre 2013 Tiempo de Duración: 8 horas. Jornadas Técnicas Schlumberger Lugar: Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental. Fecha: 19 de Noviembre 2013 Curso Excel Lugar: SECAP Fecha: 10 – 21 de Febrero 2014 Tiempo de duración: 30 horas pedagógicas Seminario de Mecánica de Rocas (Geología y Geotécnia) Lugar: Facultad de Ingeniería en Geología, Minas, Petróleos y Ambiental. Fecha: 24 – 31 de Julio 2014 Curso AutoCad Lugar: CETEC Fecha: 17 de Enero – 07 de Febrero del 2015 Curso de CivilCAD Lugar: Escuela Politécnica Nacional Fecha: 23 de Marzo – 07 de Abril del 2015 Experiencia Pre - Profesional Fecha: 01/02/2013 al 28/02/2013 Empresa: Secretaría Nacional del Agua (SENAGUA) Actividades desarrolladas: Practicas pre- profesionales en el área de calidad del agua y demarcaciones hidrográficas. Fecha: Julio a Octubre 2013 Empresa: AGENCIA DE REGULACION Y CONTROL MINERO Actividades desarrolladas: Practicas pre- profesionales en la Dirección de Coordinacion General de Exploración y Explotación Minera Referencias Gabriela Andrade Egresada de la Carrera de Ingeniería en Geología Teléfono: 098 752 8170 Ing. Freddy Lamiña Título: Ingeniero Geólogo Teléfono: 098 718 9494 Dra. Ximena Lara Título: Medicina General Teléfono: 099 267 9275 Silvana Alexandra Criollo Andagoya C.C. 1719363622
