2 Diseño de Obras Subtarráneas-caserones

7/26/2019 2 Diseo de Obras Subtarrneas-caserones

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MIN-314(C2)Diseo de obras subterrneas

INGENIERA DE ROCASPROFESOR : SOLEDAD MAASS V.


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1.- Diseo de Obras Mineras

Subterrneas


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Obras

Mineras

S

ubterrneas

Caserones

Pilares

Tneles

Chimeneas ypiques

Cavernas

Puntos deextraccin

Puntos de vaciado

Buzones

Carpetas derodados


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Diseo de Caserones


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Caserones

Depende del volumen de mineral que se desea extraer en una unidadde explotacin ( ley de corte), de las dimensiones del yacimiento y lacalidad del macizo rocoso.

Los caserones se consideran una unidad bsica de explotacin.

Dependiendo de la estabilidad de paredes, techo ,requerimientos delmtodo y operacionales, estos se pueden dejar vacos (sub levelstoping), rellenos (cut and fill) o dejarlos colapsar (caving).

El diseo de caserones se realiza con la metodologa de Mathews(1981) quien incorpora una relacin entre la estabilidad del macizorocoso y el tamao/forma de la excavacin expuesta.


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Caserones

Se disea para minimizar dilucin y maximizar recuperacin.

El largo y el ancho del casern estn determinados por lacantidad de dilucin a incluir en el mtodo los cuales sonfuncin del macizo rocoso (nmero de estabilidad) y el rea aabrir (radio hidrulico)

El alto del casern est tambin definido por el largo mximo aperforar (tpicamente mx. 80m)


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Radio Hidrulico/Factor de Radio

Perimetro

AreaRH

techoRH

paredRH

Radio Hidrulico

Plan area of a stope crown

1

1

2 1nRF

n r

Factor de Radio


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Grfico de estabilidad de

Mathews (1981)El mtodo, ms que una herramienta estricta de diseo, es unagua para el anlisis sistemtico del macizo rocoso, permitiendoal diseador notar singularidades o posibles condiciones deinestabilidad que afecten al casern.

Parmetros

Estabilidad Dilucin


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Original Mathews

Estable: sin soporte olocalizado

Inestable: Falla localizada

La excavacin fallara


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Grfico de Estabilidad

Se utiliza para estimar laestabilidad del techo del

casern y el tamao de lapared colgante.El radio hidrulico es una

medida del tamao de laexcavacin

Potvin, 1998175 casos de estudio


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Grfico de estabilidad/caving

After Stewart and Forsyth, 1995

Estable: 10% dilucinPotencial inestable: 10-30 %dilucin

Falla Potencial: dilucin mayora 30%

Caving: derrumbe total hastallenar el casern


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Descripcin del Mtodo

El procedimiento de diseo est basado principalmente en elclculo de los siguientes parmetros:

Nmero de Estabilidad Modificado (N): Representa la

cualidad del macizo rocoso para auto soportarse bajo unacondicin de esfuerzos dada.

Factor de Forma o Radio Hidrulico (S): Representa el tamao

y la forma de la superficie crtica del casern analizado.


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Descripcin del Mtodo

NUMERO DE ESTABILIDAD (N)

El nmero de estabilidad, algebraicamente, queda definidocomo:

N=Q A B C

Utilizando los valores obtenidos (N) y (S), la estabilidad delcasern es estimada con los grficos anteriores (dependiendodel caso).

El diseo del casern usando el mtodo grfico de estabilidad

es un proceso iterativo. Para partir con dimensiones razonables para el casern

dependemos de los accesos para perforacin, consideracionesmineras, tanto prcticas como econmicas.


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Nmero de estabilidad (N)

_

mod _ _ _

_

int_ _

_

N numero estabilidad

Q ified tunel quality index

A stress factor

B jo orientation factor

C gravity factor

N Q A B C

r

n a

JRQDQ

J J

Donde Q = Q modif icado

RQD= rock quality designation

Jn=nmero de sets

Jr= rugosidad de fracturas

Ja= alteracin


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Nmero de Estabilidad de Mathews

Donde :

Q: ndice de calidad de tnel de Barton ajustado A : Factor de esfuerzos que representa inestabilidades en las

paredes de la excavacin debido a esfuerzos compresivos altosrelativo a la resistencia a la compresin uniaxial de roca intacta.Vara entre 0.1 a 1.0.

B : Factor de orientacin de discontinuidades. Representa lainfluencia de la orientacin de discontinuidades relativo a lasuperficie de la excavacin. Vara entre 0.3 a 1.0

C : Factor de ajuste por gravedad. Representa la influencia de lagravedad en la estabilidad de la superficie de la excavacin. Varaentre 1 a 8.

N Q A B C


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Factores de Ajustes

El factor A sedeterminagrficamenteutilizando laresistencia uniaxial

de la roca intacta(UCS) y el esfuerzoinducido en la lneacentral del casern


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Determinacin de Esfuerzos

Inducidos

Los esfuerzos inducidos se pueden determinar mediante:

Soluciones analticas : considerar caso elipses en 2DMtodos numricos: 2D o 3D

Mtodos grficos

Para ello se debe :

Determinar esfuerzos in-situ: medidos o regionales (v y h o k) Determinar dimensiones en planos (vertical y horizontal) del casern

anlisis es en 2D Determinar esfuerzos inducidos en paredes laterales, colgante/yacente y

techo Para cada caso se calcula A


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Solucin analtica: Elptica

2 2

2(1 2 ) (1 )

2 2( 1 ) ( 1 )

;

a

A

b

B

A B

Wp k q p k

k Hp k p k

qb a

a b

Wq H

Radio de curvatura

W

a

b

p

kp

HA

B


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Solucin analtica - Caserones

1/ 2

1/ 2

2(1 )

21 ( )

1 2 ( / )

a

b

B

b

Wk

p H

HK Kp

K K H W

p

P

W

kPH

A

B

W/2


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Resultados Analticos

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

H/W

B/p

K=2

K=1.5

K=1.0

K=0.5

k

Los esfuerzos en B (techo o back) aumentan con la propagacinde la excavacin en la vertical. (considerando S1 horizontal).

P

W

kPH

A

B

W/2


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Resultados analticos

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 5 10 15 20 25

H/W

A

/p

K=2

K=1.5

K=1.0

K=0.5

Los esfuerzos en A (colgante/pendiente) disminuyen con lapropagacin de la excavacin en la vertical (relajacin)

k

P

W

kPH

A

B

W/2


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Tipos de Relajacin Elstica

E f I d id M di


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Esfuerzos Inducidos por Medio

de Modelos Numricos

Ejemplo modelamientonumrico en Phase-2D

Mtodo grfico Esfuerzos


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Mtodo grfico :Esfuerzos

Inducidos 2DCasern a 1000 metros de profundidad en un cuerpo quetiene un ancho de 25 metros, largo 30 metros, altura 75 m,mantea 80.

25 m

Plano 2

Plano 1


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Esfuerzo Inducidos Mtodo


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Esfuerzo Inducidos- Mtodo

Grfico (crown y side wall)

Ejemplo (caso techo):Casern a de altura 75 metros y 25 metros deancho ubicado a 1000 metros de profundidad

Se calculan esfuerzos inducidos en planovertical

Sv=27 Mpa (in-situ)

K=1.4

Sh=38 Mpa (in- situ)

Casern en ese plano:

H=75 m

A=25 m

H/A=3

Si/sv=2.6 (esfuerzos en el techo)

Si=2.6 x 27 Mpa= 70 Mpa (esfuerzo inducido)

h2

vTecho


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Pared lateral

sh2

sh1

30 m

H=30 m

W=25

H/W=1.2

K=1

Si=38 Mpa


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Esfuerzos inducidos pared

colgante (hanging wall)

Se estiman los esfuerzos inducidos:

A lo largo del plano verticalperpendicular al rumbo (H=75 m,

W=25, k=1.4)

Si valores


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Factor de Ajuste por

Orientacin de Estructuras: B

Se ajusta el nmero de estabilidad de acuerdo a la orientacinrumbo y manteo de las estructuras con respecto a la pared enestudio


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Factor Gravitacional: C

A mayor inclinacin menor tendencia a que ocurra undeslizamiento de cuas pre-formadas.

8 7cos( )

_ _

C

manteo desde horizontal

Dilucin planeada y no


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Dilucin planeada y noplaneada

Fuentes de dilucin

Primaria: producto de la minera o mtodo de explotacin.

Secundaria: producto de inestabilidades no planeadas

Dilucin =Dilucin primaria +Dilucin secundaria


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Dilucin Primaria/Secundaria

Dilucin Primaria: Generalmente se considera en depsitos angostosDepende de la tecnologa utilizada para realizar la mineraPerforacin manualPerforacin mecanizadaDilucin Secundaria:

Inestabilidad o sobre-excavacin debido aInestabilidad por condiciones geotcnicasInestabilidad por dao debido a tronadura

Factores adicionales que afectan la estabilidad en vetas

Perforacin y tronadura Efecto del tiempo Relajacin Dao por esfuerzos Geometra del casern Corte de la pared yacente (undercut) Mtodo de explotacin

Medida de dilucin estimada


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Medida de dilucin estimadaELOS

olcaseronaltura

excavacinsobrevolumenELOS

arg*_

__

Medida de dilucin secundaria que no depende del ancho delcasern (toneladas mineral)


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Mt d d P di i


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Clark, 1998. Mtodos de estimacin de dilucin en SLS

Mtodo de Prediccincaserones tipo SLS

Zona estable solo daotronadura: ELOS < 0,5 m

Inestabilidad: ELOS: 0,5-1m

Inestabilidad mayor: ELOS:1-2 m

Zona colapso > ELOS: 2 m

Prediccin Usando


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Prediccin Usando

Probabilidades de Falla

Se habla de probabilidad de estar en alguno de los estados:

1. Estable

2. Falla/falla mayor

3. Caving

2.9603 -1.4427 ln S + 0.7928 ln Nz

zep

1

1Logit values

Ref: Mawdesley, et al (2000)

Clculo de Probabilidad de


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Clculo de Probabilidad deFalla

P r o b a b i l i ti e s D e n si ty F u n c ti o n s

0 . 0 0

0 . 1 0

0 . 2 0

0 . 3 0

0 . 4 0

0 . 5 0

0 . 6 0

0 . 7 0

0 . 8 0

0 . 9 0

1 . 0 0

0.

00

0.

10

0.

20

0.

30

0.

40

0.

50

0.

60

0.

70

0.

80

0.

90

1.

00

Logit Va lues

Probability

S t a b l e

F a i l u r e

C a v i n g

S t ab l e z o n e

CavingZ

one

C o m b in e d f ailu r e a n d

m a jo r f a il u r e z o n e

C r o w n ( 0 .5 6 7 )

1 0 % S t a b le

9 0 % F a ilu r e & M F

0 % C a v in g

N o r t h En d w a ll ( 0 . 8 9 5 )

7 8 % S t a b le

2 2 % F a ilu r e a n d M F

0 % C a v in g

S o u t h E n d w a ll ( 0 .9 3 9 )

9 3 % S t a b le

7 % F a ilu r e & M F

0 % C a v in g

F o o t w a ll ( 0 . 9 5 1 )

9 6 % S t a b le

4 % F a ilu r e & M F

0 % C a v in g

H a n g i n w a ll ( 0 . 6 8 2 )

1 4 % S t a b le

8 6 % F a ilu r e & M F

0 % C a v in g

F a i lu r e &

M a j o r F a i lu r e

p


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Modelos de dilucin

Caserones aislados

D =5,9- 0,08RMR-0,11ER+0,98HR

Caserones con pilares

D =8,8- 0,12RMR-0,018ER+0,6HR

Caserones con pilares y losas

D =16,1- 0,22RMR-0,11ER+0,9HR

Donde:

D: % dilucin

RMR: clasificacin macizo rocoso (Bieniaiswki, 1989)ER (m2/mes): razn de exposicin (volumen excavado/mes/ancho casern)

HR (m): radio hidrulico de pared expuesta

Ref. Pakalnis (1993)

d l


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Estimacin dilucin en vetas

angostas1. Anlisis geomecnico de estabilidad Realizar anlisis emprico de estabilidad, considerando modificaciones al factor decorreccin de esfuerzos por relajacin. Requerimientos de relleno Requerimientos de cables para aumentar estabilidad2. Predecir dilucin

Pared plotea como EstableTronadura en linea: 1,3 mTronadura desfasada: 1,5 mTronadura tipo dado 5:1,7 m

Si ancho veta > 1,2 entonces 0,6 m adicionales (prob perdida mineral < 5%)Pared es Inestable

Vetas < 0,7 mEn lnea : 1,6 mVetas > 0,7 mDesfasada o Dado 5: 2.1 m3. Predecir estabilidad de socavacin de pared yacente

N < 5 ,se produce de todos modos falla (se agrega a la dilucin)N > 5 , el radio hidraulico puede considerarse al caso de la pared colgante

d l


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Estimacin dilucin en vetas

angostas4. Evaluar el potencia de esfuerzos inducidos en estabilidad

previa (dao)

Mtodos de determinacin de dao

Grafico de estabilidad emprico de pilares (confinamiento

medio, Pakalnis)Determinacin de esfuerzo deviatorico:

s1s3 > 0, 4 UCS

Determinacin de esfuerzos normales

Sn > 0,8 UCS

Si hay potencial dao

Aumentar dilucin en 0,10, 3 m


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RESUMEN (SLOS)

Diseo de caserones (SLOS)

Estimar la geometra del casern (ley de corte)

Estimar esfuerzos in situ e inducidos

Establecer luz mxima de techo y paredes

Analizar orientacin de caserones longitudinales otransversales

Establecer dilucin esperada (ELOS)


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Caserones CUT &FILL


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Caserones CUT &FILL


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Definicin de estabilidad

Excavacin estable

No ha habido cadas de terreno que no puedan sercontroladas

No se observado movimiento del techo

No ha existido necesidad de soporte extraordinarioPotencialmente inestable

Se ha tenido que instalar extra soporte

El techo se mueve continuamente

Aumento de rehabilitacinInestable

El rea ha colapsado

El soporte no fue efectivo para mantener estabilidad


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Prediccin de Caving


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Mecanismos de caving

Desconfinamiento o caving gravitacional inducido pordiscontinuidades

Stress Caving el cual envuelve falla de corte endiscontinuidades y fracturamiento de roca.

Susbidence caving No hay caving

Ref: Brown, 2003. Block Caving Geomechanics

R k T li Q lit Q


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Mecanismos de

caving

(Moss et al2004)

0.01

0 20

Rock Mass Rating, RMR

Rock Tunneling Quality, Q

Ma

ximu

mI

nduce

dComp

ress

ive

Stress

inExca

va

tion

Boun

dary

Uniaxia

lComp

ress

ive

Streng

thofIntac

tRoc

k

Ra

tio:

6040 80

(Base Graph after Hoek, 1981)

100

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Extremely Very Extr. Exc.Poor Poor Good G.

Poor

Very Poor Poor Fair Good Very Good

Fair Good V.G.

0.1 1 4 10 40 100 400 1000

Not Practical

Stress Indu ced

Stableto Maintain

Caving not

Practical

Failure

Gravity Caving

Openings

LEGEND :

Successful Cave

Caving required inducement

Stress Caving

Caving required inducement

Coarse fragmentation

A

BC

D

EF

GH

I

Aproximaciones al Anlisis de


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Aproximaciones al Anlisis deHundibilidad

Experiencia prctica

Grficos empricos de estabilidad

Anlisis estructural

Anlisis numrico

Grfico Hundibilidad de Laubscher


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Grfico Hundibilidad de Laubscher(after Bartlett 1998)

Solo usarMRMR < 50


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Grfico de Estabilidad de Laubscher Curva

de El Teniente (Flores & Karzulovic 2003b)

Radio hidralico

MRMR


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Grfico de Estabilidad de Mathews (after

Mathews et al 1980)

(m)

ExtendedMathews stability graph for open stopes based on


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Extended Mathews stability graph for open stopes based on

logistic regression (Mawdesley et al 2001)

Shape Factor, S or Hydraulic Radius (m)

StabilityNum

ber,N

Isoprobability contours for stable cases (Mawdesley et al 2001)


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Isoprobability contours for stable cases (Mawdesley et al 2001)


StabilityNum

ber,N

Isoprobabilitycontoursforcombined failureandmajor


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Isoprobability contours for combined failure and major

failure cases (Mawdesley 2002)

100


StabilityNum

ber,N

ExtendedMathews stability graph basedon logistic regression


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Extended Mathews stability graph based on logistic regression

showing the stable and caving lines (Mawdesley 2002)


StabilityNum

ber,N


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Referencias Bibliogrficas

Mawdesley, C., Trueman, R, Whiten, W.J., Extending thestability graph for open stope design, Trans. Inst. Min. Metall.110: January-April, 2001.

Potvin, Y., Hadjigeorgiou, J., The stability graph method for

Open Stope Design. Underground Mining MethodsEngineering fundamentals and International Case Studies, pp.513.

Stewart, P. , 2005. Minimising dilution in narrow vein mines.PhD Thesis,The University of Queensland.

Pakalnis, Empirical design methods- UBC Geomechanics

Sourineni, Tannant, Kaiser, Dusseult, 2001. Incorporation of afault factor into the stability graph method: Kidd Mine CaseStudies. Min. Res. Eng.vol.10, pp 3-37.


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