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Journal of Mining Engineering and Research. 1 (1): 62-69. June, 2019 www.j-miner.com doi:10.35624/jminer2019.01.07
1. INTRODUCCIÓN
La mayoría de los desarrollos del Proyecto Nuevo Nivel Mina (NNM) están emplazados en un ambiente complejo desde el punto de vista geológico-geomecánico, donde la condición geológica estructural del entorno juega un papel
importante en la respuesta sísmica. Como parte de administrar la sismicidad inducida con la finalidad de bajar el peligro sísmico, se han aplicado técnicas de pre-acondicionamiento (PA) al macizo rocoso, las cuales pueden aplicarse a escala masiva, para lograr alterar un volumen significativo de roca; o bien a escala local, para
Aplicación de Destress Blasting en desarrollo de túneles en ambiente de esfuerzos altos*
Rodríguez Washington, CODELCO CHILE Vicepresidencia de Proyectos, Chile
Sanchez José, CODELCO CHILE Vicepresidencia de Proyectos, Chile
Castro David, CODELCO CHILE Vicepresidencia de Proyectos, Chile
Troncoso Camila, CODELCO CHILE Vicepresidencia de Proyectos, Chile
Arce Juan Carlos, CODELCO CHILE Vicepresidencia de Proyectos, Chile
*Trabajo presentado por primera vez en congreso UMining 2018.
Codelco División Andina, Chile.
*Trabajo presentado por primera vez en congreso UMining 2018.
ABSTRACT: Rock Mass preconditioning techniques, commonly used in the mining industry, can be
applied to large scale affecting a significant volume of rock, or to local scale affecting a reduced
volume of rock mass around a tunnel during excavation. The latter is the case of the infrastructural
tunnels of New Mine Level project, at El Teniente mine (Codelco). Preconditioning methods include
the Destress Blasting, which is based on the use of confined explosives that are blasted simultaneously
with the construction blast at the tunnel face, this allows to reduce the load transfer capacity around
the excavation. This technique has been used in deep mines in Canada and South Africa to reduce the
risk of seismic events due to a high stress condition. In this study the authors describe the Destress
Blasting technique and its design used in the Personnel Access Tunnel P4600 (TAP P4600) of New
Mine Level project. Finally, based on the geological, geotechnical and operational data captured during
the works, the preliminary results are given together with a comparison of the seismic behaviour of the
rock mass with and without the application of this preconditioning technique.
RESUMEN: Las técnicas de pre-acondicionamiento (PA) del macizo rocoso, comúnmente utilizadas
en la industria minera, pueden ser aplicadas tanto a escala masiva, para lograr alterar un volumen
importante de roca, o bien a escala local para modificar el comportamiento del macizo rocoso durante
la excavación, como es el caso de los túneles de infraestructura del Proyecto Nuevo Nivel Mina.
Dentro de los métodos de pre-acondicionamiento se encuentra el Destress Blasting, el cual consiste en
la incorporación de cargas explosivas confinadas de manera simultánea a las tronaduras de desarrollo
de túneles, creando fracturas en el macizo rocoso con el objetivo de modificar sus propiedades y
distribuir los esfuerzos, reduciendo así la capacidad de transmisión de cargas en el entorno cercano de
las excavaciones. Esta técnica ha sido documentada en minas profundas de Canadá y Sudáfrica, como
una medida de mitigación del riesgo eventos sísmicos desde la frente en excavaciones que se
desarrollan en ambientes de alto esfuerzos. En este trabajo, se describirán los antecedentes de diseño
asociados con la implementación de la técnica de Destress Blasting en el Túnel de Acceso Personal
P4600 (TAP P4600) del Proyecto Nuevo Nivel Mina El Teniente, junto a los resultados preliminares
obtenidos a partir de la captura de datos geológicos, geomecánicos y operacionales, para finalmente
comparar el comportamiento sísmico del macizo rocoso con y sin la aplicación de esta técnica.
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modificar el comportamiento del macizo rocoso inmediatamente adyacente a la excavación.
Dentro de las técnicas de PA aplicadas en el Proyecto NNM, se ha utilizado Fracturamiento Hidráulico (Rojas y Landeros, 2017) y Destress Blasting (Destressing). En este caso, se abordará esta última técnica, y su aplicación en la frente de avance hacia interior mina del Túnel Acceso Personal, desde la ventana constructiva P4600 (TAP P4600). Todo esto, con la finalidad de comparar el comportamiento sísmico del macizo rocoso con y sin la aplicación de esta técnica. 2. FRACTURAMIENTO POR TRONADURA CONFINADA
Concepto de Destressing: Destress Blasting o Destressing se define como la modificación de las propiedades del macizo rocoso y/o la distribución de los esfuerzos alrededor de una zona, con el objetivo de cambiar el comportamiento de la roca en el entorno de una excavación subterránea (ver Figura 1).
Figura 1. Concepto de Destressing en el entorno de una excavación, (Roux et al., 1957).
2.1 Modelo de Fracturamiento por Tronadura Confinada
La tronadura de Destressing es esencialmente la generación de fracturas con carga dinámica usando explosivos. La detonación con explosivos en una perforación genera típicamente una zona de trituración que abarca cuatro veces el diámetro
del tiro. Sin embargo, la red de fracturas crece más allá de esta zona, llegando a afectar hasta 50 veces el diámetro de perforación, lo cual puede variar dependiendo del campo de esfuerzos del sector (ver Figuras 2 y 3).
Figura 2. Modelo de Fracturamiento para Tronadura Confinada, (Chitombo, 1994).
Los pasos 1 a 4 dependen esencialmente del explosivo (velocidad de detonación, diámetro, densidad). Los pasos 5 a 7 dependen del explosivo y del confinamiento (esfuerzos in-situ).
El tipo de roca tiene menor impacto, excepto en casos de roca muy heterogénea (brecha por ejemplo).
La orientación y longitud de las fracturas dependerá considerablemente del estado tensional del sector, además, las fracturas tienden a alinearse a lo largo de la dirección del esfuerzo principal mayor.
La orientación y longitud de las fracturas dependerá considerablemente del estado tensional del sector, además, las fracturas tienden a alinearse a lo largo de la dirección del esfuerzo principal mayor.
1. Detonación de la carga.
2. Rápida expansión del diámetro del tiro.
3. Radiación de ondas sísmicas de esfuerzos.
4. Pulverización de la pared del tiro.
5. Formación y extensión de fracturas radia-
les.
6. Formación de fracturas circulares por caída
de la presión y retractación del diámetro.
7. Extensión de fracturas por penetración de
gases.
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Figura 3. Influencia de los esfuerzos sobre el fracturamiento de la roca, (Saharan, 2004 y Saharan & Mitri, 2011).
3. ANTECDENTES GEOLÓGICOS TÚNEL TAP P4600 El sector de estudio se emplaza en El Complejo Intrusivo Sewell, que incluye a un conjunto de cuerpos ígneos intrusivos sub-verticales correspondientes a dioritas de grano medio a grueso, además de cuarzodioritas, dioritas porfíricas y localmente tonalitas y microdioritas
de grano fino. Las rocas muestran una alteración hidrotermal propilítica (clorita + epidota), una alteración localmente persistente con sericitación (sericita + arcilla) y stockwork de cuarzo-sericita. El complejo intrusivo Sewell ha sido afectado por la zona de cizalle El Teniente, que es sub-paralela al trazado de los túneles. La geología del sector de interés se indica en planta en la Figura 4.
Figura 4. Planta Geología TAP P4600 – TAP Mina, escala 1:5000.
4. UBICACIÓN DEL TÚNEL
El túnel acceso personal (TAP) corresponde a los
túneles de infraestructura principal del Proyecto
NNM y se ubican en el sector oeste de la PIPA,
fuera de la zona del footprint (ver Figura 5).
(a) Sin Presión sobre los lados (b) Con Presión de 5 Mpa
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Figura 5. Ubicación TAP P4600.
5. ESTADO TENSIONAL
Para conocer el estado tensional del TAP en el sector del P4600 se realizó una campaña de mediciones de esfuerzos utilizando la técnica de Emisión Acústica (AE). La técnica utiliza testigos orientados y permite obtener el tensor de esfuerzo en 3D, basado en el efecto Kaiser (Villaescusa et al, 2002).
De las mediciones realizadas a la fecha (VP PNNM Codelco, 2017c), el valor promedio de esfuerzos principales es el siguiente:
▪ S1 = 59 MPa Az = 327° Inc = -22°
▪ S2 = 35 MPa Az = 59° Inc = -7°
▪ S3 = 20 MPa Az = 167° Inc = -67°
6. APLICACIÓN TÉCNICA DESTRESSING TAP 4600
6.1 Diseño Aplicados y Avances
Debido al aumento del peligro sísmico, con el registro de un evento Mw 1.8, lo que acrecentó la potencialidad de daño en los túneles. Se implementó una técnica de pre-acondicionamiento (Destress Blasting) que permitiera mitigar el riesgo y favorecer la seguridad en la construcción del túnel.
El desarrollo del TAP desde la ventana P4600 en dirección hacia interior mina se reinicia el 11 de noviembre del 2016. Desde esa fecha hasta el
22 de agosto del 2017, se han realizado 25 tronaduras, de las cuales inicialmente 7 se realizaron sin destressing, luego 13 avances con destressing, a excepción del número 9, y finalmente 5 avances en forma convencional, sin aplicar esta técnica. (Ver Figura 6).
Figura 6. Avances con y sin Destress Blasting en Túnel de Acceso Personal TAP P4600 (VP PNNM Codelco, 2017c).
El primero de los diseños considerados, consistió en 5 tiros de 5 metros de largo, cargando los 2 últimos metros con emulsión y un factor de carga de 0.07 (kg/t), se aplicó en el avance número 7. Tal diseño fue consensuado con los consultores Patrick Andrieux y Frederic Vanbrabant (ver Figuras 7 y 8), (Vanbrabant, 2017; Andrieux et al., 2004 y Andrieux & Brummer, 2002).
Dada la respuesta sísmica post-tronadura número 7, que incluyó un evento sísmico de magnitud Mw 1.0, se decidió, en conjunto con el consultor P. Andrieux, aumentar el número de tiros de Destressing con emulsión de 5 a 7 para el avance número 8 (ver Figura 8), con un factor de carga de 0.20 (kg/t). Lo anterior, provocó que la
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roca resultara muy fracturada en la frente, por lo cual no fue posible realizar el carguío de los tiros de Destressing para la tronadura número 9, realizando el avance de forma convencional.
Desde el disparo número 10 (y hasta el 20), se retomó la aplicación de la técnica pero con
algunas modificaciones al diseño, cambiando el tipo de explosivo a ANFO e incrementando la franja entre el carguío de los tiros del avance y del destressing a 0.5 metros con un factor de carga de 0.13 (kg/t).
Figura 7. Esquema explicando las componentes de los tiros de Destressing utilizados en el Túnel TAP P4600.
Figura 8. Distintos diseños de Destress Blasting utilizados durante el desarrollo del Túnel TAP P4600.
6.1 Diseño Aplicados y Avances
La Figura 9 muestra la orientación del Túnel
TAP, además de las rosetas de rumbo correspondientes a los tramos excavados con y sin Destressing. En términos generales, ambas muestran una orientación preferencial NE, casi sub-paralelo al túnel. Entre los Pk 7285.4 y 7339.3 del túnel, se reconocen 4 sets de estructuras. El set principal es N42°E-47°E/subvertical, mientras los 3 sets secundarios tienen orientaciones N88°O/84°S, N29°O/55°SO y N81°E/9°N (donde Pk = punto kilometro desde el inicio del túnel).
Figura 9. Rosetas de rumbos definidos para el tramo del Túnel TAP P4600 perforado con y sin Destress Blasting. (VP PNNM Codelco, 2017b).
Diseño N 1 - disparo de
avance N 7
( 5 tiros – Emulsión Enc)
Sin Destress BlastingInicio Destress
Blasting Destress Blasting
1,13 Mw
1,5xE05 [J]1,88 Mw
5,9xE06 [J]1,03 Mw
4,3xE04 [J]
Diseño N 2 - disparo de
avance N 8.
( 7 tiros – Emulsión Enc)
Diseño N 3 disparo de avance
N 10 hasta N 18.
( 7 tiros – ANFO granel)
6 disparos3 disparos
(2 con destressing) 9 disparos con destressing
Diseño N 4 disparo de avance
N 19 hasta N 26.
( 7 tiros – ANFO granel)
Destress
Blasting
2 disparos
Sin Destress
Blasting
5 disparos1 disparos
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Por lo anterior, se puede decir que no se presentan variaciones significativas en las estructuras geológicas levantadas a lo largo del Túnel referido al comparar los tramos sin y con Destressing. 6.3 Respuesta Sísmica
La sismicidad inducida registrada en el sector TAP P4600, está asociada a los avances de desarrollo de la frente, ya sea con la técnica de Destressing o sin ella. En la Figura 10, se puede apreciar en planta la sismicidad registrada en torno a la frente del TAP, destacando que la sismicidad de los avances con destressing presenta algunas diferencias respecto a la de los desarrollos sin esta técnica, tales como la disminución de las magnitudes registradas y la ubicación de los eventos post-tronadura más agrupados y cercanos a la frente.
Figura 10. Vista general en planta de la respuesta sísmica en el desarrollo del Túnel TAP P4600 en dirección hacia Obras Interior Mina (período Noviembre 2016 hasta Agosto 2017). (VP PNNM Codelco, 2017c).
Al separar la respuesta sísmica post-tronadura en un radio de 60 metros desde el eje del túnel con y sin destressing, se puede apreciar que efectivamente, en el caso donde se aplica esta técnica, los eventos sísmicos tienden a agruparse en el entorno de la frente con una menor dispersión en la localización (ver Figura 11).
En los avances que se han realizado hasta la fecha, aplicando destressing en el TAP P4600 en dirección hacia interior mina, es posible apreciar una disminución en la frecuencia sísmica y una reducción de la magnitud de eventos sísmicos post-tronadura (ver Figura 12).
Figura 11. Respuesta Sísmica Post-Tronadura en un radio de 60 (m) en el desarrollo TAP P4600 en Dirección hacia Obras Interior Mina (período Noviembre 2016 hasta Agosto 2017). (VP PNNM Codelco, 2017c).
Figura 12. Histograma frecuencia magnitud de la respuesta sísmica desarrollos TAP P4600 con y sin Destress Blasting, en la Frente, (VP PNNM Codelco, 2017a y VP PNNM Codelco, 2017c).
6.4 Decaimiento y Peligro Sísmico
Los tres primeros disparos con esta técnica sirvieron para ajustar el diseño según la respuesta sísmica. Dada esta configuración, se pueden determinar las curvas Gutenberg-Richter para los tramos con y sin Destressing. Al realizar un ajuste lineal de las curvas, podemos obtener un indicador del peligro sísmico de cada uno de estos tramos.
En la Figura 13 se puede distinguir que con la técnica de Destressing se aprecia una disminución en el peligro sísmico (curvas de color azul).
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Mw
N°
de
eve
nto
s
Disparo
Distribución N° de eventos Post-Tronadura- Magnitud máxima
N° Eventos sin db N° Eventos con db Mw máx
Figura A sin Destressing
Figura B conn Destressing Figura C Global con y sin Destressing
W. Rodríguez et al./ doi:10.35624/jminer2019.01.06
Figura 13. Curvas Gutenberg – Richter period con y sin Destressing (arriba y abajo, respectivamente) para estimación del Peligro sísmico, período 11-11-2017 al 31-08-2017.
La atenuación de la sismicidad es relevante para la definición de los tiempos de aislación y re-entrada para continuar con el ciclo post-tronadura (metodología de J. Vallejos). Al reiniciar los desarrollos en noviembre de 2016 y sin destressing, se puede apreciar que en la respuesta sísmica post-tronadura, el 90% de la frecuencia de eventos decae dentro de las 22 horas, con la energía y momento sísmico alcanzando estos niveles dentro de la primera hora (ver Figura 14A). Posteriormente, al aplicar la técnica de destressing en la frente se puede ver un cambio importante, con el 90% de la sismicidad produciéndose dentro de las primeras 10 horas post-tronadura, sin presentar cambios en el decaimiento de la energía y el momento sísmico (ver Figura 14B).
En la Figura 15, se observan las diferencias en la energía liberada post-tronadura en avances con y sin destressing. En los primeros disparos, sin aplicación de pre-acondicionamiento, la sismicidad liberó más energía que en los avances con destressing. Lo anterior fue analizado comparativamente, considerando el volumen real de excavación donde no presentó mayores diferencias como se aprecia en la gráfica.
Figura 14. Decaimiento Sísmico Avances con y sin Destressing TAP P4600. Gráfico A: Sin destressing presenta un decaimiento cercano a las 22 horas, mientras que para el caso con Destressing (Gráfico B) la atenuación es durante las primeras 10 horas. Valores para el 90% de los datos. (VP PNNM Codelco, 2017c).
Figura 15. Gráfico de Energía Sismicidad Post-tronadura según Volumen Excavado TAP P4600, avances con y sin Destressing. (VP PNNM Codelco, 2017c).
Gráfico B Con DestressingGráfico A Sin Destressing
Gráfico B Con DestressingGráfico A Sin Destressing
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7. CONCLUSIONES
Al aplicar Destress Blasting, es posible apreciar una disminución en la frecuencia sísmica y una reducción de la magnitud de eventos sísmicos post-tronadura, con una ubicación de los eventos más agrupados y más cercanos a la frente. Además, se disminuyó el tiempo de re-equilibrio post-tronadura en un 50%, permitiendo precisar los tiempos de reingreso con mayor confiabilidad.
La energía que se libera post-tronadura en avances con y sin Destress Blasting muestra diferencias, ya que en los primeros disparos sin aplicación de pre-acondicionamiento la sismicidad liberó más energía que en los avances con Destress Blasting, observando una disminución en el peligro sísmico.
La determinación de la cantidad de carga asociado al destress blasting es un proceso iterativo y dependiente de las condiciones geotécnicas del macizo rocoso en cada sector. Para el caso analizado, los factores de carga varían entre 0.12 a 0.17 kg/t, permitiendo dar continuidad operacional a los ciclos de desarrollo.
Los cambios observados en el comportamiento sísmico del macizo rocoso se asocian a la aplicación de Destress Blasting, debido a que no se observaron cambios geológicos ni operacionales durante el tramo del túnel considerado para este análisis.
REFERENCIAS
[1] Andrieux P., et al., 2004, Paper, A Rock Engineering Systems Approach to Destress Rock Blasting, Itasca Consulting Canada Inc.
[2] Andrieux P. and Brummer R., 2002, Paper, A Design Methodology for Destress Blasting, Itasca Consulting Canada Inc.
[3] Chitombo G. P., 1994, Paper, “A Methodology for Determining Parameters for Annular Fracturing of Tunnel Contours as a Means of Destressing the Rock Mass”, report submitted to Codelco El Teniente Division within Company’s sponsorship of JKMRC/AMIRA Project P93E.
[4] GMT, 2016, Informe, Revisión de Alternativas de PA para métodos constructivos de avances de desarrollos horizontales.
[5] Roux A. J. A, et al., 1957, A means of ameliorating rockburst conditions. Part 1: the concept of distressing and results obtained from its application. South Africa Institute of Mining and Metallurgy.
[6] Saharan M. R., 2004, Paper, Dynamic Modelling of Rock Fracturing by Destress Blasting.
[7] Saharan M. R. and Mitri H., 2011, Paper, Destress Blasting as a Mines Safety Tool_Some Fundamental, First International Symposium on Mine Safety Science and Engineering.
[8] Vanbrabant F., 2017, Informe Final, Recomendaciones de diseño de tronaduras de destressing, LUMINEN.
[9] Villaescusa E, et al., 2002, Paper, Stress measurements from oriented core. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.
[10] VP PNNM Codelco, 2017a, Nota Técnica T11M408-I1-T11M408-02000-NOTGT05-0000-002_3 “Avance de Aplicación Destress – Blasting PNNM 2017.
[11] VP PNNM Codelco, 2017b, Nota Técnica T11M408-I1-T11M408-06831-NOTGE04-6830-048 “Análisis de estructuras geológicas en TAP-P4600, desde Pk 7285.4 a Pk 7339.3, para evaluación de cambios relacionados a Destressing”.
[12] VP PNNM Codelco, 2017c, Informe T11M408-I1-T11M408-06831-INFGE04-6830-006 Resultados Aplicación Destressing TAP P4600 PNNM.
