Caracterizacion Del Macizo Rocoso

CARACTERIZACIN DEL MACIZO ROCOSO Y MODELAMIENTO NUMRICO EN EL TALUD NORESTE DE LA FASE III DE MINADO DE LA MINA CUAJONELuis Tejada Supervisor de Geotecnia Southern Per Copper Corporation

I. INTRODUCCIN El deslizamiento 17 ocurrido el 31 de mayo del 2000 evidenci la inestabilidad de este sector. La zona de deformacin abarc 2 niveles (3490 y 3505 - Fase III) y el material deslizado represent aproximadamente 10000 TM de material. El origen del deslizamiento involucr la parte estructural, la zona de contacto y el proceso de minado. Posteriormente, se observ la formacin de grietas tensionales en la plataforma del nivel 3520 NE, las cuales presentan un proceso de deformacin constante en la actualidad.

El proceso de minado actual comprende minar dos niveles adicionales de la actual plataforma de minado (nivel 3460 NE) hasta llegar al nivel 3430 NE. Pero debido a las condiciones actuales de inestabilidad del sector, se desea modificar la secuencia de minado con el objeto de descargar la zona de deformacin y crear condiciones estables de los taludes.

El presente trabajo comprende dos partes. La primera corresponde a la Caracterizacin del Macizo Rocoso, basada sobre la informacin geomecnica de los taladros de perforacin diamantina, el mapeo de celdas y los ensayos de laboratorio. La segunda parte corresponde al Modelamiento Numrico usando el Cdigo Universal de los Elementos Distintos (UDEC) para el modelamiento en medios discontinuos, en el cual se us la informacin topogrfica, litolgica, estructural, propiedades del macizo rocoso y secuencias de minado.

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II. CARACTERIZACIN DEL MACIZO ROCOSO DEL SECTOR NORESTE DE LA FASE III DE MINADO La Caracterizacin del Macizo Rocoso est basada sobre la informacin geomecnica de 34 taladros de perforacin diamantina, 128 celdas de mapeo y los ensayos de laboratorio realizados por CNI en 1994. La Caracterizacin del Macizo Rocoso fue evaluada probabilsticamente usando el programa @RISK y teniendo como base la clasificacin geomecnica de Bieniawski 89. La constante mi para la roca intacta fue obtenida de la tabla establecida por Hoek, Kiser y Bawden (1995) debido a la ausencia de ensayos triaxiales. Para estimar los valores de los coeficientes m y s para un macizo rocoso disturbado 100% se usaron las siguientes relaciones sugeridas por Brown y Hoek (1988):GSI 100GSI 100 6

m = mie

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s=e

Donde m y s son los coeficientes de Hoek-Brown. RMR es el Rock Mass Rating. GSI es el ndice de Resistencia Geolgica. GSI = RMR 89 5 .

La Relacin de Poisson igual a 0.25 para todas las rocas. El Mdulo de Elasticidad ( E ) ha sido derivado de la relacin propuesta por Serafim y Pereira (1983):

Em =

c GSI 10 10 40 100

Donde: c es la Resistencia a la Compresin Uniaxial. Posteriormente, los valores de c y fueron obtenidos usando la tangente del Criterio de Falla de Hoek-Brown, con un Esfuerzo Normal de 1 MPa.

Rock Mass Rating (RMR 89) Para la evaluacin del RMR o Clasificacin Geomecnica del Macizo Rocoso, se han usado las bases de datos establecidas con toda la informacin de campo. Cada uno de los tipos de rocas ha sido evaluado y se han determinado los 5 parmetros requeridos para la clasificacin geomecnica: UCS ( c -

obtenida de los ensayos de laboratorio), RQD (obtenida del logueo

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geomecnico), espaciamiento de las discontinuidades (obtenida del mapeo de celdas), condicin de las discontinuidades (obtenida del mapeo de celdas y logueo geomecnico) y condicin de agua (asumida condicin seca).

Dos son las unidades litolgicas que se han evaluado: Toba Cristal y Andesita Basltica. Geomecnicamente, en la Andesita Basltica se determinaron dos tipos de roca, Andesita Basltica 1 y Andesita Basltica 2. A continuacin se detallan los resultados obtenidos: Toba Cristal:Parmetro RQD (%) c (Mpa) Espaciamiento (m) Persistencia (m) Apertura (mm) Rugosidad Relleno Intemperismo Agua RMR89 Nmero 407 329 329 329 Media 51.51 0.58 5.66 4.22 Std. Desv. 26.0 50.5 0.76 2.80 6.80 Suave No Intemperizado Seco Mnimo 0.0 0.0 0.0 0.0 Mximo 97.0 5.0 15.0 100.0 Rating 10 7 12 2 1 3 2 6 15 58

Moderadamente Rugoso

Nota: La rugosidad, el relleno y el intemperismo han sido asumidos en base a toda la informacin del dominio estructural de la Toba Cristal.

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Andesita Basltica 1:Parmetro RQD (%) c (MPa) Espaciamiento (m) Persistencia (m) Apertura (mm) Rugosidad Relleno Intemperismo Agua 99 1.87 Nmero 803 150 150 150 Media 30.37 0.30 6.41 0.19 Std. Desv. 22.45 18.0 0.64 4.26 0.44 Moderadamente Rugoso Suave 1.35 Seco 0.0 5.0 Mnimo 0.0 0.0 0.60 0 Mximo 97.0 5.06 15.0 3

4

Andesita Basltica 2: Parmetro Nmero RQD (%) 628 c (MPa) Espaciamiento (m) 487 Persistencia (m) Apertura (mm) Rugosidad Relleno Intemperismo Agua 487 487

Media 41.95 0.88 3.62 1.34

Std. Desv. 22.51 32.7 1.52

Mnimo 0 0.0

Mximo 93.33 16.12 25.0 10.0

63

2.62 0.25 1.60 0.0 Moderadamente Rugoso Suave 1.84 0.83 1.0 Seco

3.0

5

Luego de obtener los diferentes parmetros necesarios para la clasificacin geomecnica, se procedi a realizar la evaluacin necesaria para obtener los puntajes ( ating). La evaluacin se realiz en forma probabilstica y la tcnica r de muestreo utilizada para el anlisis fue Latin Hypercube. Cada simulacin realizada comprendi 2000 interacciones.

Es necesario indicar que las simulaciones slo se realizaron en la Andesita Basltica 1 y Andesita Basltica 2. En la Toba Cristal no se realiz la simulacin por la falta de informacin. Los resultados obtenidos se muestran a continuacin. Andesita Basltica 1 Andesita Basltica 2

Mnimo 25.0

Mximo 72.0

Media 49.5

Std. Desv. 13.9

Mnimo 33.0

Mximo 81.0

Media 57.4

Std. Desv. 14.0

II. MODELAMIENTO NUMRICO El modelamiento numrico se realiz usando el Cdigo Universal de los Elementos Distintos (UDEC) con el objeto de realizar un anlisis esfuerzodeformacin para evaluar la estabilidad actual y futura de la seccin de anlisis A-A en la zona de deformacin denominada Deslizamiento 17. La evaluacin comprende el actual plan de minado a corto plazo hasta el nivel 3430 NE (2 niveles adicionales al actual nivel de minado, nivel 3460) y la recomendacin

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de un plan de descarga de toda la zona de deformacin (desde el nivel 3610 hasta el nivel 3430). Ver Plano N 1. Litologa Las unidades litolgicas incluidas en el modelo son: Toba Cristal (TC), Conglomerado Basal (CB) y Andesita Basltica (BA). La Toba Cristal y el Conglomerado Basal se encuentran rellenando un paleovalle, que tiene una inclinacin a favor del tajo. Los problemas de estabilidad de este sector estn directamente relacionados con las zonas de contacto entre las tres unidades litolgicas. Figura N 1.

Plano N 1: Plano de ubicacin de la Seccin A A y Zonas de Deslizamientos.

86000.

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Fig. N 1: Seccin Geolgica y Geometra usada en el Modelo. Propiedades del Macizo Rocoso Las propiedades de los materiales (excepto el Conglomerado Basal) han sido calculadas teniendo como base la caracterizacin del macizo rocoso desarrollada anteriormente. Las propiedades de resistencia al corte del Conglomerado Basal han sido obtenidas del reporte Recomendaciones del Diseo de Taludes de la Mina Cuajone, elaborado por consultores en el 2000.

Posteriormente, con el objeto de obtener un modelo calibrado que refleje el comportamiento observado en el campo, fue necesario reducir las propiedades de resistencia al corte del Conglomerado Basal. A continuacin se detallan las propiedades del macizo rocoso obtenidas.

Roca Toba Cristal Cong. Basal Andesita Basltica 1 Andesita Basltica 2

RMR89 58 50

UCS (MPa) 50.5 18.0

E (GPa) 8.4 3.2

mb 0.523 0.338

s 0.00040 0.00010

C (MPa) 0.314 0.170 0.177

() 39.0 13.8 26.7

57

32.7

6.4

0.558

0.00034

0.262

36.0

8

Las propiedades de resistencia al corte para las discontinuidades han sido obtenidas del reporte Recomendaciones del Diseo de Taludes de la Mina Cuajone, elaborado por consultores en el ao 2000. Las propiedades usadas se detallan a continuacin.

Roca Toba Cristal Andesita Basltica 1

C (MPa) 0.0719 0.0132

()35.7 17.4

Discontinuidades El modelo incluye sistemas de estructuras para la Toba Cristal y la Andesita Basltica. La informacin obtenida en el mapeo de celdas ha permitido realizar el anlisis estructural en la Toba Cristal y en la Andesita Basltica. Las figuras N 2 y N 3 muestran las principales tendencias de fracturamiento obtenidas en el anlisis.

Fig. N 2: Toba Cristal

Fig. N 3: Andesita Basltica

Luego de realizar el anlisis estructural se procedi a incorporar en el modelo las principales tendencias de fracturamiento. A continuacin se detallan los sistemas que se han incorporado al modelo.

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Roca Toba Cristal Andesita Basltica 1

Sistema S-1 S-2 S-1 S-2

Direccin de Buzamiento () 234 203 281 017

Buzamiento Real () 81 22 44 78

Buzamiento Aparente () 81 17 37 73(*10^3)

JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Fase III

UDEC (Version 3.00)LEGEND 16-Feb-01 11:25 cycle 0 time 0.000E+00 sec block plot3.900

3.700

3.500

3.300

La Fig. N 4 muestra los sistemas de fracturamiento incorporados en el modelo.Geotechnical Dept., CUAJONE Southern Peru Copper Co..100 .300 .500 (*10^3) .700 .900 1.100 3.100

2.900

Nivel Fretico y Esfuerzos Iniciales Los niveles de agua subterrnea han sido incorporados al modelo; pero la ubicacin en la que se encuentran, por debajo del Conglomerado Basal, no cambia significativamente el comportamiento de la zona de estudio.

El estado de esfuerzos iniciales es asumido hidrosttico, con una densidad de 2600 kg/m3 y una aceleracin de la gravedad de 9.81 m/seg2. Secuencia de Modelamiento y Calibracin El estado inicial del modelo corresponde a la superficie de minado de enero2000, luego se simul una etapa de minado a mayo-2000 y finalmente se lleg a la configuracin de inters en enero-2001. Enero-2001 es la configuracin de inters, debido a los problemas de inestabilidad que se han observado. El proceso de calibracin nos debe de brindar condiciones estables con la configuracin a enero-2001, pero con el desarrollo de grietas tensionales en el nivel 3520 y desplazamientos horizontales entre los niveles 3460 y 3520. Ya con el modelo calibrado, se model la configuracin futura que corresponde al

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minado del nivel 3445 (con un pequeo remanente del nivel 3460) y finalmente se model un plan alternativo de descarga. Resultado de la Calibracin El modelo en la configuracin enero-2001 es estable y muestra signos de deformacin que coinciden con lo observado en el campo. El modelo muestra la formacin de grietas tensionales en la plataforma del nivel 3520 y cizallamiento en la zona de contacto entre el Conglomerado Basal y la Andesita Basltica 1 (ver Figura N 5). El modelo muestra desplazamientos horizontales entre los niveles 3460 y 3520 que coinciden con lo observado en el campo (ver Figura N 6).JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Minado Enero 2001(*10^3)

JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Minado Enero 2001

(*10^3)

UDEC (Version 3.00)3.700


LEGEND 12-Feb-01 17:14 cycle 192811 time 2.707E+02 sec no. zones : total 1311 at yield surface (*) 212 yielded in past (X) 569 tensile failure (o) 15 shear displacement on joint max shear disp = 2.982E-02 each line thick = 5.965E-03 joints now at shear limit boundary plot3.650

LEGEND 12-Feb-01 17:14 cycle 192811 time 2.707E+02 sec X displacement contours contour interval= 2.000E-02 -1.000E-01 to 0.000E+00 -1.000E-01 -8.000E-02 -6.000E-02 -4.000E-02 -2.000E-02 0.000E+00 boundary plot3.650

3.600

3.600

Grietas Tensionales nivel 3520 Cizallamiento en la zona de contacto

3.550

Desplazamientos Horizontales

3.550

3.500

3.500

3.450

3.450

3.400

3.400

3.350

3.350

Geotechnical Dept., CUAJONE Southern Peru Copper Co.

4.750

5.250

5.750

6.250

6.750 (*10^2)

7.250

7.750

8.250

8.750


4.750

5.250

5.750

6.250

6.750 (*10^2)

7.250

7.750

8.250

8.750

Fig. N 5: Grietas tensionales.

Fig. N 6: Desplazamientos Horizontales.

IV. RESULTADOS DEL MODELAMIENTO Minado del nivel 3445 y su remanente en el nivel 3460 corresponden a la zona de contacto entre los tres tipos de rocas (Toba Cristal, Conglomerado Basal y Andesita Basltica 1). Esta etapa de minado futura se ejecutar primeramente en el material remanente del nivel 3460 (Conglomerado Basal) y posteriormente se ejecutar el minado del nivel 3445, que presenta dos tipos de material (Conglomerado Basal y Andesita Basltica). El modelamiento indica la generacin de nuevas grietas tensionales en la plataforma del nivel 3520 y en los niveles superiores hasta llegar al nivel 3580. Se observa el aumento del desplazamiento en la zona de contacto entre el Conglomerado Basal y la Toba Cristal (ver Figura N 7). Los

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desplazamientos horizontales predominan especficamente por encima de la zona de contacto entre el Conglomerado Basal y la Toba Cristal (ver Figura N 8). Adicionalmente, los indicadores de movimiento (vectores de velocidad) nos muestran la forma o tendencia de falla, la cual se producira por encima de la zona de contacto (ver Figura N 9). JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Minado Nivel 3445(*10^3)

JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Minado Nivel 3445

(*10^3)



LEGEND 12-Feb-01 17:49 cycle 292811 time 4.105E+02 sec no. zones : total 1304 at yield surface (*) 96 yielded in past (X) 560 tensile failure (o) 11 shear displacement on joint max shear disp = 1.056E-01 each line thick = 2.113E-02 joints now at shear limit boundary plot3.650

LEGEND 12-Feb-01 17:49 cycle 292811 time 4.105E+02 sec X displacement contours contour interval= 1.000E-02 -7.000E-02 to 0.000E+00 -7.000E-02 -6.000E-02 -5.000E-02 -4.000E-02 -3.000E-02 -2.000E-02 -1.000E-02 0.000E+00 boundary plot3.650

3.600

3.600

Grietas tensionales3.550

3.550

Sector Inestable3.500

Desplazamiento en la zona de contacto TC - CB

3.500

Zona de contacto3.450

3.450

3.400

3.400

3.350

3.350


4.750

5.250

5.750

6.250

6.750 (*10^2)

7.250

7.750

8.250

8.750


4.750

5.250

5.750

6.250

6.750 (*10^2)

7.250

7.750

8.250

8.750

Fig. N 7: Grietas Tensionales.JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Minado Nivel 3445

Fig. N 8: Desplazamientos Horizontales.(*10^3)


LEGEND 12-Feb-01 17:49 cycle 292811 time 4.105E+02 sec velocity vectors maximum = 4.556E-043.650

3.600

0 boundary plot

2E -3

3.550

Indicadores de movimiento3.500

Zona de contacto

3.450

3.400

3.350


4.750

5.250

5.750

6.250

6.750 (*10^2)

7.250

7.750

8.250

8.750

Fig. N 9: Indicadores de movimiento.

Modelamiento del plan alternativo de descarga, contempla el minado a partir del nivel 3610 hasta el nivel 3445, con un ngulo interrampa de 46 (recomendado por el consultor3) para la Toba Cristal y con 80 m de rea de minado. En la zona de contacto entre la Toba Cristal y el Conglomerado Basal se consider una plataforma de seguridad de 20 m. Con esta configuracin, el modelamiento nos muestra la generacin de grietas tensionales en el nuevo talud y desplazamientos en la zona de contacto entre la Toba Cristal y el Conglomerado Basal (ver Figura N 10). Se contina observando desplazamientos horizontales por encima de la zona

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de contacto entre la Toba Cristal y el Conglomerado Basal (ver Figura N 11). Adicionalmente, los indicadores de movimiento (vectores de velocidad) nos muestran movimiento por encima de la zona de contacto (ver Figura N 12).

JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Descarga Nivel 3610 - 46

9m

(*10^3) 3.700

UDEC (Version 3.00)LEGEND

JOB TITLE : Deslizamiento 17 - Descarga Nivel 3610 - 46

9m

(*10^3) 3.700


LEGEND

12-Feb-01 18:12 cycle 392811 time 5.731E+02 sec no. zones : total 817 at yield surface (*) 65 yielded in past (X) 448 tensile failure (o) 24 shear displacement on joint max shear disp = 3.087E-01 each line thick = 6.174E-02 joints now at shear limit boundary plot

3.650

Nivel 36103.600

12-Feb-01 18:12 cycle 392811 time 5.731E+02 sec3.600

Grietas Tensionales3.550

X displacement contours contour interval= 5.000E-02 -3.000E-01 to 0.000E+003.550

3.500

Desplazamiento en la zona de contacto

Nivel 3445

3.450

-3.000E-01 -2.500E-01 -2.000E-01 -1.500E-01 -1.000E-01 -5.000E-02 0.000E+00 boundary plot

Zona Inestable3.500

Zona de contacto3.450

3.400

3.400

3.350

3.350


6.000

6.500

7.000

7.500 (*10^2)

8.000

8.500

9.000


6.000

6.500

7.000

7.500 (*10^2)

8.000

8.500

9.000

Fig. N 10: Grietas TensionalesJOB TITLE : Deslizamiento 17 - Descarga Nivel 3610 - 46 9m

Fig. N 11: Desplazamientos Horizontales.(*10^3) 3.700

UDEC (Version 3.00)LEGEND

3.650

12-Feb-01 18:12 cycle 392811 time 5.731E+02 sec3.600

velocity vectors maximum = 2.080E-033.550

0 boundary plot

1E -2

Indicadores de movimiento3.500

3.450

3.400

3.350

Geotechnical Dept., CUAJONE Southern Peru Copper Co.6.000 6.500 7.000 7.500 (*10^2) 8.000 8.500 9.000

Fig. N 12: Indicadores de movimiento.

V. CONCLUSIONES El minado del nivel 3445 y el remanente del nivel 3460 afectar la estabilidad local de los taludes de este sector, sobre todo por ser la zona de contacto entre la Toba Cristal, el Conglomerado Basal y la Andesita Basltica 1. Pero las condiciones globales de estabilidad no deberan cambiar significativamente durante el proceso de minado en condiciones normales. Los desplazamientos en el nivel 3520 continuarn presentndose y estos desplazamientos continuarn causando desprendimientos de rocas

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que podran causar problemas operacionales. La formacin de grietas tensionales continuar, ya que stas forman parte del proceso de deformacin de los taludes. El plan de descarga a partir del nivel 3610, con el actual diseo de los taludes, presenta condiciones inestables. Las condiciones de inestabilidad se acentuarn cuando se produzca el minado de la zona de contacto entre la Toba Cristal, el Conglomerado Basal y la Andesita Basltica. Otros factores, como la presencia de las precipitaciones pluviales, generarn mayores desplazamientos en el nivel 3520. Y si las precipitaciones pluviales son intensas, stas llegaran a saturar el macizo rocoso y aumentara la presin de poros. El aumento de la presin de poros se traducira en problemas de estabilidad, debido a que se reducen los esfuerzos efectivos y, por consiguiente, la resistencia al corte. El comportamiento general de este sector est controlado principalmente por la zona de contacto entre la Toba Cristal, el Conglomerado Basal y la Andesita Basltica. Cualquier proceso de minado en este sector se traducir en problemas de estabilidad de los taludes.

VI. REFERENCIAS 1. Bieniawski Z. T.: Engineering Rock Mass Clasifications, Ao 1989. 2. Call & Nicholas, Inc.: Cuajone Mine 1994 Slope Design Review, Ao 1994. 3. Golder/Piteau/Itasca: Cuajone Pit Slope Design Recommendations, Ao 2000. 4. Hoek E. & Bray J. W.: Rock Slope Engineering, Ao 1997. 5. Hoek, Evert: Rock Engineering, Course notes, Ao 2000. 6. Itasca Consulting Group, Inc: Universal Distinct Element Code. Version 3.0, Ao 1966. 7. Lorig Loren: Curso Modelamiento de Macizos Rocosos Fracturados mediante UDEC, Ao 1999. 8. Palisade Corporation: @Risk, Advance Risk Anlisis for Spreadsheets, Ao 1997.

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9. Rocscience Inc: Dips version 5.04, Ao 1999. 10. Sjoberg, Jonny: Estimating Rock Mass Strength using the Hoek-Brown Failure Criterion and Rock Mass Clasification, a review and application to the Aznalcollar Open Pit, Ao 1997.

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