01 introduccion a la geología

MI46BMI46B
Geotecnia MineraGeotecnia Minera
Raúl CastroRaúl Castro
Sofía RebolledoSofía Rebolledo
Departamento de Ingeniería de MinasDepartamento de Ingeniería de Minas
Universidad de ChileUniversidad de Chile

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILEGEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE
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TemarioTemario
 IntroducciIntroducciónón
 Programación del cursoProgramación del curso
 Reglas del juegoReglas del juego

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Cuerpo docenteCuerpo docente
Dr. Raúl CastroDr. Raúl Castro - Fundamentos de Mecánica de- Fundamentos de Mecánica de
RocasRocas
- Aplicaciones al diseño- Aplicaciones al diseño
MSc SofíaMSc Sofía
RebolledoRebolledo
Geología EstructuralGeología Estructural

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EvaluaciónEvaluación
 3 controles3 controles
 PonderaciónPonderación
 3 controles3 controles
 LaboratorioLaboratorio
 Proyecto geomecánicoProyecto geomecánico
 Controles y laboratorio deben ser aprobadosControles y laboratorio deben ser aprobados
separadamenteseparadamente

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Programa del CursoPrograma del Curso
 IntroducciónIntroducción
 Aspectos generalesAspectos generales
 Revisión de métodos de explotaciónRevisión de métodos de explotación
 Esfuerzos y deformación infinitesimalEsfuerzos y deformación infinitesimal
 Geología estructuralGeología estructural
 Propiedades de la roca intacta y ensayos de laboratorioPropiedades de la roca intacta y ensayos de laboratorio
 Medición de esfuerzos in situ y clasificación de macizo rocosoMedición de esfuerzos in situ y clasificación de macizo rocoso
 Formas analíticas de esfuerzos en excavacionesFormas analíticas de esfuerzos en excavaciones
 Ecuaciones de KirschEcuaciones de Kirsch
 Ecuaciones para excavación elípticaEcuaciones para excavación elíptica
 Métodos de diseño geotécnicoMétodos de diseño geotécnico
 Diseño de pilaresDiseño de pilares
 Diseño de caseronesDiseño de caserones
 Diseño de taludesDiseño de taludes
 Soporte en minería subterráneaSoporte en minería subterránea
 Modos de fallaModos de falla

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Diseño del CursoDiseño del Curso
 El curso consta de 9 UD. 15 Semanas deEl curso consta de 9 UD. 15 Semanas de
clases. 135 horas disponibles paraclases. 135 horas disponibles para
actividades relacionadas con el cursoactividades relacionadas con el curso
Actividad Horas/Actividad Total
Docencia presencial 15 4.5 67.5
Trabajo personal 4 10 40
Estudio controles 2 12 24
Total Semestre 131.5

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Conceptos generalesConceptos generales
 En cualquier diseño estructural se quiere predecirEn cualquier diseño estructural se quiere predecir
su desempeño al ser sometido asu desempeño al ser sometido a cargascargas durantedurante
susu vida útilvida útil..
 En mecánica de rocas, interesa el desempeño deEn mecánica de rocas, interesa el desempeño de
las excavaciones en roca generadas por lalas excavaciones en roca generadas por la
actividad minera.actividad minera.
 La mecánica de rocas está asociada a laLa mecánica de rocas está asociada a la
mecánica clásica y mecánica de continuo, peromecánica clásica y mecánica de continuo, pero
hay factores específicos que la distinguen…hay factores específicos que la distinguen…

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Definiciones informalesDefiniciones informales
 MecánicaMecánica: área de la física que estudia el efecto de las: área de la física que estudia el efecto de las
fuerzas sobre los cuerpos.fuerzas sobre los cuerpos.
 Mecánica de rocasMecánica de rocas: rama de la ingeniería que estudia el: rama de la ingeniería que estudia el
efecto de las fuerzas sobre las rocas.efecto de las fuerzas sobre las rocas.
 RocaRoca: parte sólida de la corteza terrestre formada por: parte sólida de la corteza terrestre formada por
bloques sólidos y duros de gran tamaño, encajados ybloques sólidos y duros de gran tamaño, encajados y
ligados entre sí. Agregado de minerales.ligados entre sí. Agregado de minerales.
 SueloSuelo: acumulación de partículas de pequeño tamaño: acumulación de partículas de pequeño tamaño
(hasta 3 o 4”) y sin una ligazón fuerte entre sí.(hasta 3 o 4”) y sin una ligazón fuerte entre sí.
 DiscontinuidadesDiscontinuidades (joints): cualquier tipo de fractura en la(joints): cualquier tipo de fractura en la
roca. Son planos de fragilidad.roca. Son planos de fragilidad.

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 Macizo rocosoMacizo rocoso (rock mass): gran masa de roca(rock mass): gran masa de roca
componente de la corteza terrestre. Está compuesto por:componente de la corteza terrestre. Está compuesto por:
 Roca intactaRoca intacta: el volumen de roca que se encuentra entre las: el volumen de roca que se encuentra entre las
discontinuidades. También se llama matriz rocosa o sustanciadiscontinuidades. También se llama matriz rocosa o sustancia
rocosa.rocosa.
 DiscontinuidadesDiscontinuidades: fallas, diaclasas, planos de fractura, de clivaje,: fallas, diaclasas, planos de fractura, de clivaje,
etc.etc.
suelo
transición
roca

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Definición formalDefinición formal
 Mecánica de rocas (US National Committee onMecánica de rocas (US National Committee on
Rock Mechanics, 1964, 1974):Rock Mechanics, 1964, 1974):
““La mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada delLa mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada del
comportamiento mecánico de la roca y de los macizos rocosos.comportamiento mecánico de la roca y de los macizos rocosos.
Corresponde a la rama de la mecánica que estudia la respuesta de laCorresponde a la rama de la mecánica que estudia la respuesta de la
roca y del macizo rocoso a los campos de fuerza de su entornoroca y del macizo rocoso a los campos de fuerza de su entorno
físico.”físico.”
 Mecánica de rocas < geomecánica (incluyeMecánica de rocas < geomecánica (incluye
suelo) = ingeniería geotécnicasuelo) = ingeniería geotécnica
 Excavaciones mineras cambian los campos deExcavaciones mineras cambian los campos de
fuerza de su entornofuerza de su entorno

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Necesario para el DiseñoNecesario para el Diseño
rocaσ
vσ
vσ
pS
rocaσ
vσ
pS
Campo de esfuerzos presente
en el macizo rocoso
Campo de esfuerzos actuando
sobre el pilar
Resistencia del pilar

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Diseño de Ingeniería deDiseño de Ingeniería de
RocasRocas
rocaσ
vσ
vσ
pS
rocaσ
vσ
pS
Campo de esfuerzos presente
en el macizo rocoso
Campo de esfuerzos actuando
sobre el pilar
Resistencia del pilar
p
pS
fs
σ
=
Factor de Seguridad del Diseño
• Factor mayor a 1
• La tendencia actual es
calcular la confiabilidad
del diseño
)( pp fSP σ≤
Aproximación probabilística
al diseño de minas

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Factores de SeguridadFactores de Seguridad
 ElEl factor de seguridadfactor de seguridad depende de la cantidad ydepende de la cantidad y
calidad de la información utilizada para estimarcalidad de la información utilizada para estimar
las cargas y la resistencia de la rocalas cargas y la resistencia de la roca
 Si la información es gruesa utilizar un factor deSi la información es gruesa utilizar un factor de
seguridad entre 2-3seguridad entre 2-3
 Si existen ensayos de laboratorio del macizo rocosoSi existen ensayos de laboratorio del macizo rocoso
utilizar un factor de seguridad en el rango 1.5-2utilizar un factor de seguridad en el rango 1.5-2
 Sin embargo cuando la información es pobre noSin embargo cuando la información es pobre no
existe factor de seguridad que garantice elexiste factor de seguridad que garantice el
DiseñoDiseño
US Bureau of Reclamation Engineering Monograph on Design Criteria for Concrete Arch and Gravity dams,1977

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Incertidumbre en las DiferentesIncertidumbre en las Diferentes
Etapas del Diseño de IngenieríaEtapas del Diseño de Ingeniería
Hoek, When is a rock engineering design aceptable, 1996

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Cargas Sobre el PilarCargas Sobre el Pilar
 Campo de esfuerzos en el macizo rocosoCampo de esfuerzos en el macizo rocoso
 Constitución del macizo rocoso, densidadConstitución del macizo rocoso, densidad
 La profundidad del pilar mineroLa profundidad del pilar minero
 La tectónicaLa tectónica
 Esfuerzos inducidos producidos por lasEsfuerzos inducidos producidos por las
excavaciones minerasexcavaciones mineras

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Resistencia del PilarResistencia del Pilar
 Parámetros MecánicosParámetros Mecánicos
 Módulo de elasticidad de la rocaMódulo de elasticidad de la roca
 Módulo de poissonMódulo de poisson
 Parámetros ConstitutivosParámetros Constitutivos
 CohesiónCohesión
 Ángulo de fricción internaÁngulo de fricción interna
 Condición estructural del macizo rocosoCondición estructural del macizo rocoso

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DefinicionesDefiniciones
 La mecánica de rocas trata con un material previamente cargado. AlLa mecánica de rocas trata con un material previamente cargado. Al
alterar la geometría del macizo rocoso (mediante una excavación enalterar la geometría del macizo rocoso (mediante una excavación en
la roca), se redistribuyen los esfuerzos existentes.la roca), se redistribuyen los esfuerzos existentes.
 El macizo estaba en equilibrio y lo desestabilizamos.El macizo estaba en equilibrio y lo desestabilizamos.
 El principal problema de la mecánica de rocas es que se desconocenEl principal problema de la mecánica de rocas es que se desconocen
estas cargas. Es necesario, entonces, medir estos esfuerzos antesestas cargas. Es necesario, entonces, medir estos esfuerzos antes
de iniciar la obra.de iniciar la obra.
 Las propiedades mecánicas de las rocas son desconocidas. Hay queLas propiedades mecánicas de las rocas son desconocidas. Hay que
medirlas mediante ensayos de laboratorio o de terreno.medirlas mediante ensayos de laboratorio o de terreno.
 Sin embargo se requiere escalar sus resultados a macizo rocosoSin embargo se requiere escalar sus resultados a macizo rocoso
 Pero la roca no es homogénea, por lo que es difícil de modelar.Pero la roca no es homogénea, por lo que es difícil de modelar.

Aplicaciones de la MecánicaAplicaciones de la Mecánica
de Rocasde Rocas

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Estructuras Planas y ExcavaciónEstructuras Planas y Excavación
CircularCircular
North Pit, Homestake Pitch Mine, Sargents Colorado

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Estabilidad de Taludes Bagdad Mine,Estabilidad de Taludes Bagdad Mine,
ArizonaArizona

Página 23
Grasberg Mine, Indonesia Octubre 9, 2003Grasberg Mine, Indonesia Octubre 9, 2003
Lo que pasa cuando el agua se acumula y el drenajeLo que pasa cuando el agua se acumula y el drenaje
fallafalla
9 Personas Muertas

Página 24
SubsidenciaSubsidencia
Newcrest, Queensland, AustraliaNewcrest, Queensland, Australia
El Teniente, ChileEl Teniente, Chile

Página 25
Estabilidad de ExcavacionesEstabilidad de Excavaciones
SubterráneasSubterráneas
Pilar sobrecargado (overstressing)
Colapso de un túnel

Página 26
FragmentaciónFragmentación
DOZ, Freeport Indonesia
Esmeralda- El Teniente, Codelco, Chile

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Palabora, South AfricaPalabora, South Africa
Transición Rajo- Subterránea

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Objetivo de la mecánica de rocasObjetivo de la mecánica de rocas
 Predecir y controlar el movimiento (desplazamientos) de las rocasPredecir y controlar el movimiento (desplazamientos) de las rocas
entorno a las excavacionesentorno a las excavaciones
 Ocurren desplazamientos elásticosOcurren desplazamientos elásticos
 Roca intacta podría fracturarseRoca intacta podría fracturarse
 Puede ocurrir deslizamiento a través de una estructura geológica (falla)Puede ocurrir deslizamiento a través de una estructura geológica (falla)
 Deflexiones excesivas de roca de techo y piso (por ejemplo, al despegarseDeflexiones excesivas de roca de techo y piso (por ejemplo, al despegarse
de capas adyacentes)de capas adyacentes)
 Fallamiento inestable en el sistemaFallamiento inestable en el sistema
 Proyectos a mayor escala requieren condiciones de seguridadProyectos a mayor escala requieren condiciones de seguridad
(RRHH y $)(RRHH y $)

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Metodología para diseño:Metodología para diseño:
 Estimar el campo de esfuerzo y su distribución sobre el pilar aEstimar el campo de esfuerzo y su distribución sobre el pilar a
diseñardiseñar
 Determinar propiedades de resistencia y deformación del cuerpoDeterminar propiedades de resistencia y deformación del cuerpo
mineralizado y de la roca huésped de manera reproducible y conmineralizado y de la roca huésped de manera reproducible y con
cierto grado de exactitudcierto grado de exactitud
 Definir las características estructurales del macizo rocoso:Definir las características estructurales del macizo rocoso:
localización, persistencia y propiedades mecánicas delocalización, persistencia y propiedades mecánicas de
discontinuidades, dentro de la zona de influencia de la actividaddiscontinuidades, dentro de la zona de influencia de la actividad
mineraminera
 Establecer la distribución y magnitud de la presión de aguaEstablecer la distribución y magnitud de la presión de agua
subterránea en el dominiosubterránea en el dominio
 Evaluar mediante técnicas analíticas los posibles modos deEvaluar mediante técnicas analíticas los posibles modos de
respuesta del macizo rocoso, para ciertas condiciones y geometríarespuesta del macizo rocoso, para ciertas condiciones y geometría
de las excavaciones minerasde las excavaciones mineras

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Desafíos Relacionados con El DiseñoDesafíos Relacionados con El Diseño
MineroMinero
 El esfuerzo sobre elEl esfuerzo sobre el
pilar cambia depilar cambia de
acuerdo a la secuenciaacuerdo a la secuencia
de excavaciónde excavación
 La resistencia del pilarLa resistencia del pilar
cambia de acuerdo a lacambia de acuerdo a la
secuencia desecuencia de
excavaciónexcavación
 El problema de diseñoEl problema de diseño
minero es dinámico,minero es dinámico,
por lo tanto se debepor lo tanto se debe
resolver de maneraresolver de manera
iterativaiterativa
ppS σ,
''
, ppS σ

Página 31
Pakalnis R, 2004. Rock
Mechanics Lectures
Notes.

Página 32
ConsideracionesConsideraciones
 Fracturamiento de la rocaFracturamiento de la roca
 El campo de esfuerzos en minería es compresivo a diferencia deEl campo de esfuerzos en minería es compresivo a diferencia de
otros materiales en los cuales está relacionado con la tracciónotros materiales en los cuales está relacionado con la tracción
 La compresión en conjunto con microfracturas genera zonas deLa compresión en conjunto con microfracturas genera zonas de
alto cizallealto cizalle
 Comportamiento es altamente sensible al confinamientoComportamiento es altamente sensible al confinamiento
 Fallamiento por cizalle o corteFallamiento por cizalle o corte
 Efectos de escalaEfectos de escala
 Naturaleza discontinua del macizo rocosoNaturaleza discontinua del macizo rocoso
 Resistencia y propiedades de deformación del macizo dependenResistencia y propiedades de deformación del macizo dependen
de las propiedades de la roca intacta y de las discontinuidadesde las propiedades de la roca intacta y de las discontinuidades
 PerforaciónPerforación  depende de propiedades de roca intactadepende de propiedades de roca intacta
 Excavación de túnelExcavación de túnel  depende del comportamiento del sistema dedepende del comportamiento del sistema de
fracturasfracturas
 PilarPilar  comportamiento seudo-continuocomportamiento seudo-continuo
 Dificultad para testear macizo rocosoDificultad para testear macizo rocoso

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ConsideracionesConsideraciones
 Resistencia a la tracciónResistencia a la tracción
 La roca (y el concreto) muestra una muy baja resistencia a laLa roca (y el concreto) muestra una muy baja resistencia a la
tracción, un orden de magnitud menor a la resistencia a latracción, un orden de magnitud menor a la resistencia a la
compresión uniaxialcompresión uniaxial
 Discontinuidades prácticamente no tienen resistencia a la tracciónDiscontinuidades prácticamente no tienen resistencia a la tracción
 Zonas que serán sometidas a tracción al realizarse unaZonas que serán sometidas a tracción al realizarse una
excavación generarán inestabilidades para desconfinarseexcavación generarán inestabilidades para desconfinarse
 Efecto del agua subterráneaEfecto del agua subterránea
 Agua en discontinuidades reduce resistencia al corte (fricción)Agua en discontinuidades reduce resistencia al corte (fricción)
 Puede alterar la roca y reducir su resistenciaPuede alterar la roca y reducir su resistencia
 MeteorizaciónMeteorización
 Alteración física o química de la superficie de la roca en contactoAlteración física o química de la superficie de la roca en contacto
con gas o solucionescon gas o soluciones
 Reduce calidad de la roca y coeficiente de fricciónReduce calidad de la roca y coeficiente de fricción

ReferenciasReferencias
 Rock Mechanics for Underground Mining,Rock Mechanics for Underground Mining,
2004, Bray, Brown E.2004, Bray, Brown E.
 Introduction to Rock Mechanics, 1989,Introduction to Rock Mechanics, 1989,
Goodman, R.Goodman, R.
 Fundamentals of rock mechanics, 1979,Fundamentals of rock mechanics, 1979,
Jaeger and Cook.Jaeger and Cook.
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