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DISENO DE RECUPERACION DE PUENTES EN MINA INMACULADA

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DISEÑO DE RECUPERACION DE PUENTES EN MINA INMACULADA
Conference Paper · June 2018
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Fredy Alvaro Elorrieta
Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco, Cusco
Christian Carbajal
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Diseño de Recuperación de pilares Puente en la mina Inmaculada
Fredy A. Elorrieta Agramonte
Pontificia Universidade Católica de Rio de Janeiro
Hernán Pantaleón Junco
Cia Minera Ares SAC.
Christian Carbajal Isidro
Cia. Minera Ares SAC.
RESUMEN: La zonificación del yacimiento para una explotación eficiente, ordenada y rápida, exige establecer zonas de minado dentro de su estructura en distintos niveles de forma simultánea. Esta configuración del
diseño genera “puentes pilares” entre las zonas de explotación que concentran tensiones a medida que el minado avanza. Por otro lado, en la necesidad de extraer el mayor porcentaje del yacimiento en la explotación,
(recuperación del recurso), el minado de los puentes pilares es una alternativa; y para esto, garantizar la estabilidad de las excavaciones expuestas a estas estructuras es clave para la seguridad de las operaciones.
Distintos métodos fueron propuestos para determinar el grado de estabilidad de los pilares, cómo métodos
empíricos y métodos analíticos con diferentes resultados. Sin embargo, la necesidad de entender el comportamiento mecánico del pilar es importante para definir la recuperación de estas estructuras, diseñando la secuencia de actividades de forma segura. Para este objetivo, el método de los Elementos Finitos (FEM) fue utilizado empleando el software RS3 de Rocscience. Los resultados de la simulación numérica entregan
congruencia con el abordaje empírico y, representa una herramienta efectiva y confiable para el diseño de la
recuperación de puentes pilares.
1 INTRODUCCÓN
En términos generales, los pilares de roca pueden ser
definidos como porciones del macizo rocoso, que
queda entre dos o mas excavaciones subterráneas.
En minería, es mucho mas práctico definir un pilar
como la porción de roca que es dejada de forma intencional para reducir deformaciones y mantener la
estabilidad de la mina. Desde que, existe la constante demanda de mantener los pilares de roca a un mínimo tamaño o, incluso en muchos casos realizar su
recuperación o extracción, es importante realizar el
diseño de estos pilares para garantizar un proceso
seguro cómo también rentable.
El método de explotación de la Mina Inmaculada de
la Compañía Minera Ares, se basa en la aplicación
de taladros largos para la recuperación 15 m de mineral que queda entre subniveles. En todo el yacimiento se consideraron 3 zonas de explotación: Zona
Alta, Zona Intermedia y Zona Baja. Esta configuración de minado permite realizar la explotación de
forma rápida y simultanea en las tres zonas, sin embargo, la presencia de pilares puente es necesaria para delimitarlas entre ellas. Estos puentes de mineral
presentan un gran porcentaje de reservas económicamente minables y, por sus características geomecánicas y de estabilidad su recuperación fue planteada.
Varias aproximaciones para el cálculo de estabilidad
y el diseño usan expresiones empíricas para calcular
la resistencia de los pilares (Sjöberg, 1993), y contrastarla con las tensiones o la carga a la que se encuentran sometidos, Brady and Brown (2004), explica el concepto de carga tributaria como la carga
actuante en estas estructuras. La mayoría de estas
fórmulas fueron realizadas para rocas poco competentes, mostrando buena correlación para el diseño
de cámaras y pilares en minas de carbón. Estas fórmulas son menos satisfactorias para rocas competentes y su uso para rocas duras debe ser realizado con
ligeras modificaciones (Kersten, 1984). Por otro lado, en pocos casos estas fórmulas fueron usadas para
pilares horizontales o pilares puente debido a la limitada data en la que se basaron para solucionar estos
casos (Sjöberg, 1993). También en la literatura se
reportaron aproximaciones analíticas para la solución del problema de pilares, pero obviamente su
aplicación de forma generalizada resulta restringida.
1.1 Aplicación de los criterios empíricos
El mayor inconveniente de las aproximaciones empíricas es que no logran explicar el comportamiento
mecánico del pilar, así como distintos mecanismos
de falla, las variaciones de resistencia ni condiciones
de carga de forma particular que representa las condiciones específicas de campo. Todos estos parámetros son esenciales para diseñar de forma confiable
los pasos y consideraciones adecuadas para la recu-
peración de puentes. Además, definir las zonas de
debilidad del pilar para evaluar sistemas de refuerzo
o soporte es conveniente para tener un escenario más
amplio en el diseño del método de recuperación. Todas estas características fueron analizadas para el
proceso de recuperación de puentes en la mina Inmaculada.
conjunto con las variaciones geológicas, geométricas
y las condiciones de tensiones. Haciendo una revisión general de los métodos empíricos para establecer la resistencia de pilares, se muestra alta dependencia en el ratio ancho/altura, como fue definido
anteriormente. Lunder and Pakalnis (1997), muestra
una forma generaliza de las ecuaciones empíricas,
establecida en la ecuación 1.
2 PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA
ESTABILIDAD DEL PILAR PUENTE
La resistencia de un pilar está definida por la capacidad de portar cargas compresivas. Esta resistencia es
controlada por 1) el tamaño de la excavación; 2) las
tensiones actuantes en el pilar; 3) las propiedades
mecánicas del macizo rocoso; 4) las características
del relleno empleado en el minado, 5) el refuerzo o
sostenimiento empleado; 6) el buzamiento de la veta. Tres comportamientos en la falla de los pilares
fueron definidos en el trabajo de Mark (1999), considerando distintos ratios entre el ancho y la longitud
del pilar.
(1)
Donde, Ps = Resistencia del pilar; K = es la constante de Resistencia relacionado al material del pilar; W = ancho del pilar; h = altura del pilar; “a” y
“b” son constantes empíricas.
2.1 Pilares esbeltos
son aquellos que W/H tiene menos que 3 o 4. Cuando estos pilares son cargados hasta su máxima capacidad fallan de forma completa, liberando toda la
carga aplicada.
2.2 Pilares intermedios
Pilares intermedios son aquellos con ratios entre 4 y
8. Estos pilares no transmiten la carga de forma
completa cuando ellos fallan, teniendo una resistencia residual considerable.
2.3 Pilares Gruesos
pilares que presentan ratios por encima de 10. Estos
pilares pueden admitir grandes cargas y presentan
una resistencia residual mucho mayor, admitiendo
mayores de formaciones.
Este trabajo permite verificar el ratio entre el ancho
y la altura de los pilares juega un papel importante
en el grado de estabilidad. Adicionalmente, el confinamiento de los “pilares puente” que obtienen de
ambos ejes (de las cajas y de la continuidad de la roca en el eje de la excavación), es una característica
importante que modifica el comportamiento mecánico de estos (figura 1).
3 MÉTODOS EMPÍRICOS
La metodología para la implementación de métodos
empíricos se basa en observaciones de campo en
Figura 1. Esquema del pilar puente entre dos zonas de explotación y las tensiones actuantes en dicho pilar .
Entre los análisis empíricos con esta forma se tienen
los trabajos de Mark and Bieniawski (1997), Sheorey (1992), Logie and Matheson (1982), y Kersten
(1984), quien estudia el comportamiento de pilares
horizontales basándose en el trabajo presentado por
de Jongh (1981). Sin embargo, todas estas expresiones fueron desarrolladas para pilares individuales; es
decir, pilares que están sujetos a cargas en un solo
eje. No obstante, considerando que la deformación
del pilar en uno de sus ejes es despreciable, (Generado por la tensión longitudinal en la Figura 1), entonces, por la ley de Hooke es válido asumir que los
pilares corridos presentan distintas resistencias y la
aplicación de las ecuaciones empíricas de los traba-
jos mencionados no servirá para este caso. Este problema se suma a la dificultad de determinar el ancho
equivalente para la formula 1.
3.1 Fórmula de confinamiento
Lunder and Pakalnis (1997), abordaron el problema
de estimar la resistencia de pilares sujetos a tensiones en un eje o en varios ejes sugiriendo el concepto
de confinamiento promedio del pilar o “Average Pillar Confinement”, el método propone dos fronteras
en un gráfico de estabilidad, (figura 2), que relaciona
la resistencia del material intacto del pilar, la tensión
actuante y el ratio ancho/altura. Estas fronteras están
representadas por factores de seguridad de 1 y 1.4,
donde se indica la transición de estable a inestable.
Sin embargo, para usar de el método de forma adecuada se sugiere la calibración de estas fronteras.
so (roca intacta y condiciones estructurales) y condiciones geométricas. Las características generales de
esta labor piloto se encuentran resumidas en la tabla
1.
Tabla 1. Características generales de la labor piloto
para
la recuperación del puente pilar.
______________________________________________
Ancho del puente pilar:
10 m
Longitud del puente pilar:
9.0 m
Espesor del puente pilar:
4.0 m
Profundidad de la excavación:
300 m
Tipo de roca en veta:
Cuarzo
Tipo
de
roca
encajonante:
Andesita
_____________________________________________
* Column dialog box in Format menu.
4.2 Resistencia de la masa rocosa
El problema de la resistencia del macizo rocoso fue
superado conjugando sistemas de clasificación geomecánicas cómo el RMR’89 de Bieniawski y el sistema de clasificación RMI propuesto por Palmström
(1995). Posteriormente, las clasificaciones fueron
usadas para determinar los parámetros del criterio de
resistencia de Hoek and Brown (1997), y luego, este
comportamiento fue calibrado haciendo observaciones de campo, determinando el grado de estabilidad
de pilares puente ya ejecutados en niveles superiores
(Nivel 4500). Las características de resistencia del
macizo rocoso que compone la veta y del macizo rocoso encajonante se encuentran resumidas en la tabla
2.
Tabla 2. Características de resistencia del macizo
rocoso
en la labor piloto.
______________________________________________
Figura 2. Grafico de estabilidad para pilares basado en la fórmula de confinamiento propuesto por Lunder y Pakalnis
(1997).
UCS cuarzo intacto:
80 MPa
UCS andesita intacta
100 MPa
RMR en veta:
50 a 55
RMR en cajas:
48 a 52
Módulo de elasticidad veta:
10 GPa
Módulo de elasticidad cajas:
6.5 GPa
Coeficiente
de
poisson*:
0.28
_____________________________________________
* este valor fue asumido para efectos de la simulación
Para un pilar puente de 10.0 m de ancho, 9.0 m de
longitud y 4.0 m de espesor, el método de Lunder y
Pakalnis (1997), sugiere un factor de seguridad entre
1.3 a 1.4 (en la frontera de inestabilidad).
4 SIMULACIÓN NUMÉRICA DE “PILARES
PUENTE” EN MINA INMACULADA
4.1 Labor piloto (CX 3635 Nivel 4395)
El crucero CX 3635 en el nivel 4395 es una labor
que delimita de forma vertical las zonas de explotación “Baja” e “Intermedia” de la mina Inmaculada.
La base de este proyecto de recuperación está en el
entendimiento del comportamiento del macizo rocoso involucrado en el puente y en las adyacencias,
como en los factores que influyen directamente su
estabilidad: Tensiones, Resistencia del macizo roco-
4.3 Tensiones actuantes
Considerando la porción de roca en el nivel 4400 a
una profundidad de 300 metros bajo la superficie, el
peso de la columna vertical actuando sobre la zona
de la excavación será el resultado de la densidad y
de la altura mencionada, para este caso la magnitud
asciende a 8.1 MPa. Por otro lado, gran esfuerzo se
realizó para el entendimiento del comportamiento de
la tensión horizontal en el punto; ya que, la literatura
sugiere un amplio rango de variación en el factor
“K” que relaciona la tensión horizontal con la tensión vertical previamente calculada (σv=Kσh). A través de retro análisis empleando simulaciones numéricas y observaciones en campo del puente de roca
que se encuentra en el nivel 4500 y de varias labores
de explotación, se pudo establecer que la tensión ho-
rizontal en el punto varía entre 1.3 a 1.7 veces la tensión vertical. El comportamiento de las simulaciones
variando la magnitud de las tensiones horizontales
hasta 2.5 veces la tensión vertical, muestra inestabilidad en labores de explotación que presentan cajas
estables y con dilución mínima. No obstante tensiones horizontales de 1.3 veces la tensión vertical
muestran condiciones de estabilidad sobre estimadas, que no se ajusta al comportamiento presentado
en campo. El valor de “K” de 1.7 para las tensiones
actuantes es congruente con el trabajo presentado en
Brown and Hoek (1978).
Figura 3. Modelo 3D de la labor piloto para la recuperación del
Puente pilar Nivel 4395
4.4 Análisis de estabilidad del puente pilar
CX3635 empleando el método de los elementos
finitos en 3D.
Para el análisis de estabilidad de la labor mencionada se considera un modelo tridimensional utilizando
el método de los elementos finitos (FEM por sus siglas en inglés, Figura 3), empleando para este fin el
software RS3 de Rocscience. Donde son conjugadas
las condiciones de resistencia del macizo rocoso y
las condiciones de tensiones calculadas previamente.
Las condiciones de contorno del modelo fueron consideradas con nodos de cero grados de libertad en
todos los límites, estos límites fueron separados lo
suficiente para que las deformaciones de las excavaciones ocurrieran independientemente.
Es necesario mencionar que, en las simulaciones no
fue considerado sostenimiento alguno; este criterio
de evaluación nos permite verificar los volúmenes
de roca comprometidos con factores de resistencia
iguales a uno que deberán ser sostenidos, dimensionando el refuerzo o soporte de forma adecuada.
Para el minado del puente pilar, es necesario el minado previo del banco de mineral que queda entre el
cx 3635 y el subnivel inferior. El resultado de este
minado, hará que la concentración de tensiones en el
puente pilar sea mayor; por lo que fue esencial verificar el grado de estabilidad del puente pilar en este
proceso. También fue necesario verificar el comportamiento en todos los pasos para el minado de todo
el conjunto, considerando la realización de la zanja
slot del banco hacia el nivel inferior, el relleno en
pasta de la abertura generada y, posteriormente la
recuperación del puente pilar (figura 4).
Las condiciones de estabilidad de la labor presentan
zonas en el puente pilar con factores de resistencia
iguales a 1 (figura 5). Factores de resistencia FoR<1
indica que las tensiones o esfuerzos en el macizo rocoso exceden la resistencia de este. Es evidente
Según los resultados que, el puente pilar no se encuentra comprometido de forma generalizada; sin
embargo, las regiones en las que el macizo rocoso
fue superado en resistencia, pueden ser reforzadas de
forma efectiva evitando el desplazamiento de estas
zonas que comprometerían la estabilidad de todo el
conjunto.
Este resultado, entrega un escenario mas claro del
comportamiento y la estabilidad del puente pilar para su recuperación que el método empírico de Lunder y Pakalnis (1997). Este último, establece condiciones de inestabilidad potencial para el puente pilar
en el Crucero CX3635. No obstante, en la simulación numérica, es posible verificar la zona comprometida del puente pilar y, esta información es apropiada para determinar la cantidad y el tipo de
refuerzo para mantener la seguridad de los trabajos
de recuperación.
Figura 6. Corte bidimensional del puente pilar DESPUES del
minado del banco inferior, mostrando la zona inestable dentro
de su estructura..
Figura 5. Distribución de factores de resistencia FoR=1 y
FoR=1.3.
5 CONCLUSIONES
Haciendo un corte en dos dimensiones de la zona del
puente pilar en el crucero CX3635, y evaluando el
paso previo a la recuperación del pilar (minado del
banco entre el CX3635 y el subnivel inferior), se
evidencia que las condiciones de estabilidad no
cambian de forma abrupta. Por tanto, el refuerzo de
la zona afectada mostrada en las figuras 5 y 6, mantendrá la integridad y la estabilidad de la excavación
en dicho punto.
Figura 5. Corte bidimensional del puente pilar ANTES del minado del banco inferior, mostrando la zona inestable dentro de
su estructura. Esta zona deberá ser reforzada para evitar la inestabilidad del puente pilar.
La minería subterránea de forma generalizada exige
dejar porciones del mineral como pilares para el sostenimiento. En algunos casos, los pilares pueden ser
minerales de baja ley no rentables para la mina y en
otros de gran valor económico, dependiendo de la
calidad de la planificación y de la información disponible durante su ejecución. Sin embargo, los pilares se utilizan como elementos de soporte, ya que las
condiciones geomecánicas rara vez permiten la extracción completa de un yacimiento. En consecuencia, el diseño del pilar es extremadamente importante en la optimización de las operaciones mineras.
Además los pilares sobredimensionados representan
posibles pérdidas de mineral, y los pilares de menor
tamaño pueden fallar y provocar daños graves y la
pérdida de producción.
Problemas como recuperaciones de puentes pilares o
intersecciones de labores que no pueden ser simplificados en dos dimensiones deben ser tratados de
forma adecuada para obtener resultados adecuados
en la toma de decisiones. Por ende, la necesidad de
simular los proyectos en 3D, hace necesaria la inclusión de nuevas herramientas numéricas que entreguen estas capacidades.
En la literatura, no existe gran número de trabajos
que aborden el problema de puentes pilares. Expresiones analíticas fueron desarrolladas para condiciones específicas, lo que restringe su aplicación en
condiciones distintas. También, ecuaciones empíricas para estos problemas fueron desarrolladas para
realidades de minas de carbón y para pilares que están sujetos a fuerzas en un solo eje. Por otro lado, el
problema de puentes pilares teniendo fuerzas aplicadas en dos ejes, fue abordado por Lunder and Pakalnis (1997), empleando la fórmula de confinamiento.
En el presente trabajo, se contrastaron los resultados
obtenidos por el abordaje empírico propuesto por
Lunder and Pakalnis (1997), y la simulación del
problema mediante el método de los elementos finitos en 3D, proporcionado por el software RS3 de
Rockscience. En términos generales, el abordaje
empírico determina una “potencial inestabilidad” del
puente pilar con el inconveniente de no especificar
la probabilidad de que esto suceda. Esta incertidumbre, sumada a la incapacidad de definir el comportamiento mecánico del pilar, hace que este resultado
no cumpla eficientemente como herramienta del diseño de la recuperación del puente pilar. Por otro lado, los resultados de la simulación numérica en 3D
muestran congruencia con el abordaje empírico,
aunque permite visualizar de mejor manera las necesidades de refuerzo del pilar, para controlar la “potencial inestabilidad” y que esta no suceda. También,
entrega las zonas inestables o comprometidas dentro
del pilar, y permite apreciar al grado de estabilidad
de forma más clara.
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