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FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS Y METALÚRGICA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
INFLUENCIA DE LOS ESFUERZOS Y LA PROFUNDIDAD EN EL ESTALLIDO DE ROCAS EN LAS LABORES SUBTERRANEAS DE LA
MINA UCHUCCHACUA
2012
PROEYECTO DE INVESTIGACION
I. Generalidades:
1. Título
Influencia de los Esfuerzos y la Profundidad en el Estallido de Rocas en las labores
Subterráneas de la Mina Uchucchacua.
2. Personal investigador
2.1. Autores : Vaca Villanueva Ever Jhon
Vásquez Valverde Jeyner
2.2. Profesor Asesor : Msc. Ing. Martín Taboada Neyra
3. Tipo de investigación
3.1. De acuerdo a Fin : Aplicada
3.2. De acuerdo a la Técnica de Contrastación : Experimental
4. Régimen de investigación : Libre
5. Localidad o institución donde se realizará el proyecto
5.1. Lima – Oyon – Oyon - Mina Uchucchacua – Superintendencia Operaciones Mina –
Área de Geomecánica.
6. Duración total del proyecto
Duración del Proyecto : 11 meses
Horas diarias dedicadas : Tres horas
7. Cronograma de actividades
Item Actividades Inicio Culminación Hrs/Sem.
7.1. Recopilación de datos 07.01.13 07.04.13 15
7.2. Análisis de datos 08.04.13 07.08.12 15
7.3. Redacción de informe final 09.08.13 07.12.13 15
8. Fechas probables de inicio y culminación
8.1. Inicio : 07 de Enero del 2013
8.2. Culminación : 07 de Diciembre del 2013
9. Recursos
9.1. Personal
9.1.1. Personal Investigador : dos
9.1.2. Profesor Asesor : uno
9.2. Bienes
Descripción Unidad Cantidad
Estación Total Unidad 01
Martillo Smith Unidad 01
Software Unidad 02
Fluxómetro Unidad 03
9.3. Servicios
Tipo U.M Cantidad
Impresión y Espiralado Impresiones 03
Transporte Pasajes 80
Hospedaje Alquiler 20
Alimentación Pensión 40
10. Costos por financiar
PARTIDA DESCRIPCIÓ
NUNIDAD
P.U.
S/.
CANTIDA
D
COSTO
PARCIAL S/.
BIENES
Estación Total unidad 1000.00 01 1000.00
Martillo Smith unidad 500.00 01 5000.00
Software unidad 2000.00 01 4000.00
Fluxómetro unidad 10.000 02 20.00
Sub Total Bienes 10020.00
SERVICIOS
Transporte Viajes 55.00 80 4400.00
Impresiones Unidad 0.10 300 30.00
Espiralado Unidad 3.00 03 09.00
Alimentación Pensión 15 40 600
Hospedaje Alquiler 20 20 400
Sub Total Servicios 5439.00
Sub Total (bienes + servicios) 15459.00
10% Imprevistos 1545.90
TOTAL NO DISPONIBLE 17004.90
11. FUENTE DE FINANCIAMIENTO
FUENTE MONTO
S/.
PORCENTAJE
%
Recursos Propios 1004.90 5.9
Universidad Nacional de Trujillo 4000.00 23.5
Mina Uchucchacua 12000.00 70.6
TOTAL 17004.90 100
II. Plan de Investigación
1.- Antecedentes y justificación del problema.
1.1.- Realidad problemática.
El proyecto de investigación que desarrollaremos, trata sobre el cómo evitar el
estallido de rocas para lo cual se tendrá en cuenta los esfuerzos que actuan así como la
profundidad de las diferentes labores subterraneas; en la mina Uchucchacua, ubicada en el
distrito de Oyon, provincia de Oyon, en la región Lima ubicada entre 4500 y 5000 msnm;
en el año 2013.
En el estudio del proyecto se determinó los siguientes componentes principales que son
el macizo rocoso, la profundidad de la labor y la presencia de esfuerzos en el cual estos dos
últimos al interactuar con el primero causan estallidos de rocas en labores subterráneas.
Como elementos alternos del sistema están los siguientes: Los equipos, el personal y las
diferentes labores subterráneas de la mina.
El personal al excavar a mayor profundidad las labores mineras subterráneas con la
ayuda de los equipos en el macizo rocoso se generaran mayores esfuerzos y por lo tanto se
producirán estallidos de rocas.
Un aspecto negativo seria el relajamiento silencioso del macizo rocoso, lo cual no nos da
indicio de un posible estallido y en el momento menos pensado podría suceder causando
accidentes impidiendo así nuestra investigación.
Al realizar nuestra investigación en labores no sostenidas adecuadamente o sin sostener,
siendo un aspecto negativo debido que se estaría antentando contra nuestra seguridad.
El deficiente Estudio Geomecánico de las labores, lo cual nos lleva o no usar un
sostenimiento adecuado produciendo un colapso de la labor impidiendo así nuestra
investigación.
1.2 Antecedentes
De la revisión bibliográfica efectuada se ha encontrado poca información sobre el tema
de investigación, a continuación mostramos la información encontrada que nos servirá para
realizar nuestra investigación:
Según Berrocal (2006) define el estallido de rocas como: “El Estallido de Rocas en
aberturas subterráneas, son el debilitamiento y desprendimiento violento de los bloques
rocosos dentro de la excavación subterránea”. (p.39).
Con respecto a la detección, prevención y control del estallido de rocas Berrocal
recomienda (2006): “Reconocimiento, evaluación geomecánica, geológico, identificación
de la dirección de las tensiones actuantes en la excavación almacenamiento del tipo de roca
que a estallado en algún lugar de la excavación y por medio de estos datos el manejo
adecuado de esta información”. (p.40).
Alvarado (2009) con respecto a la convergencia de las labores afirmo que los factores
que determinan la variación de convergencia de las labores de desarrollo y explotación en
la mina Quiruvilca son las estructuras geológicas, profundidad de la labor y la calidad de la
roca. (pp.20-25).
Saavedra (2007) con respecto al estallido de rocas definió “Inestabilidad en que se
produce una pérdida de la continuidad del proceso productivo de la operación minera,
provocado por la ruptura (evento sísmico) y proyección instantánea del macizo rocoso”.
(p.11).
1.3. Marco Teórico
1.3.1. Teorias de fundamentación
Teoría del Estallido de Rocas
Berrocal (2006), define lo siguiente al referirse al estallido de rocas
Es el desprendimiento súbito y violento de grandes bloques de roca como consecuencia
de las grandes esfuerzos ejercidos en el contorno de una excavación, generalmente ocurre a
grandes profundidades.Rompimiento descontrolado de roca asociado a una violenta
liberación de energía (eventos sísmicos).El estallido de rocas se produce por
desplazamiento en fallas o rompimiento por strain (strain burst), se producen al interior de
macizo, pero generan un violento daño en las paredes de una labor cercana.
Los estallidos de rocas en las aberturas subterráneas, son el debilitamiento y
desprendimiento violento del os bloques rocosos dentro de la excavación subterránea.
Generalmente se puede atribuir a los siguientes factores:
1. Presión de la masa rocosa alrededor de la excavación.
2. Debilidad del material por no soportar la presión del macizo haciendo que la energía
almacenada, se libere violentamente produciendo la rotura.
Generalmente se puede atribuir a los siguientes factores:
Presion de la masa rocosa alrededor de la excavación.
Debilidad del material por no soportar la presion del macizo haciendo que la energía
almacenada se libere violentamente produciendo la rotura.
Para la detención, prevención y control del estallido se recomienda lo siguiente:
Reconocimiento , evaluacion geomecanica, geologico, identificacion de la direccion de las
tenciones actuantes en la excavacion, almacenamiento del tipo de roca que ha estallado en
algun lugar de la excavacion y por medio de estos datos , el manejo adecuado de esta
informacion.
De encontrar en los lugares donde se estan trabajando, el mismo o los mismos tipos de
rocas, en parte o similares a las misma caracteristicas del parrafafo anterior en otras
excavaciones; realizar varios taladros largaos de diametrso mayores a 2 ¼ pulgadas en: el
frente, hastiales y techo de la excavacion, hasta atravesar estos tipos de roca, con la
finalidad de amortiguar o inducir la liberacion de energia almacenada, el mismo que
provoca el estallido sorpresivo de rocas; estos taladros largos ademas, pueden ser usados
como taladros de alivio, en los sucesivos cortes o cueles de arranque en frentes de avance
horizontal o vertical.
Compilar y relacionar estas informaciones obtenidas, para elaborar el mapeo de rocas
explosivas y su proyeccion con el resto de las presentes y futuras excavaciones, de la
misma unidad minera y del mismo modo , ampliarlas a nivel regional.
Figura 1: Evento Sísmico causando Estallido de Rocas
Esfuerzos
Relación esfuerzo vertical vs. Profundidad (sv= g z) actúa bien en promedio, pero hay
fuertes diferencias en especial a bajas profundidades.
Figura 3: Relación esfuerzo vertical vs. Profundidad
Igualmente, relación de esfuerzos horizontal vs. Vertical dada por la teoría elástica solo
tiende a cumplirse a altas profundidades.
0.2 < k < 1 aprox.
Seres (1994) usando un modelo elasto-termal describió la variación de k como:
La que se ajusta razonablemente a los datos medidos. Eh (en GPa) es el módulo
promedio de deformación en la corteza superior medido en dirección horizontal.
Figura 4: Relación de esfuerzos horizontal vs. Vertical
Modelamiento de Esfuerzos
Teoría elástica
Modelos teóricos tipo modelo elasto-termal y otros
Modelamiento numérico
k=0 .25+7 E h(0 .001+1z )
Métodos Numéricos Aplicados a Geomecánica
1. Métodos continuos (elementos finitos-FEM, diferencias finitas-FDM, elementos de
frontera-BEM)
2. Métodos discretos (elementos discretos-DEM; redes discretas de fracturas-DFN);
3. Métodos híbridos continuo-discreto.
La elección del método depende del problema específico, especialmente de la escala
y la geometría del sistema de fracturas. Si el número de fracturas es alto para la
escala del problema o si hay desplazamientos grandes entre los bloques, se debieran
usar métodos discretos.
Modelos continuos: Lo más común es escalar las propiedades del Macizo con
modelos como el de Hoek-Brown, y luego usar leyes constitutivas elásticas, elasto-
plásticas u otras.
Modelos discontinuos: Hay que incluir en el modelo las discontinuidades
(fracturas) que son más críticas para la respuesta del macizo, asignándoles
propiedades de resistencia y rigidez in situ.
Medición y Modelamiento de Esfuerzos (Kaiser et al.2001)
Predicción de esfuerzos confiable mientras el macizo esté en un estado de esfuerzos
compresivo.
Zona de relajamiento, los modelos elásticos tienden a sobreestimar la relajación,
aunque muestran correctamente las tendencias de cambios de esfuerzo.
Fig. 5: Medición y Modelamiento de Esfuerzos
Efecto de Excavación y Discontinuidades
En superficies de excavación no soportadas, el esfuerzo es principal (no hay
esfuerzo de cizalle) y el esfuerzo normal a la superficie es igual a la presión
atmosférica.
Fig.6: Efecto de Excavación y Discontinuidades
Lo mismo ocurre en fracturas abiertas.
Por tanto, en macizos fracturados las variaciones del campo de esfuerzos in-situ
pueden ser muy altas.
Por lo tanto, hay que tener consideraciones con la escala del modelo.
Fig.7: Efectos sobre las fracturas
Estudios a escala de una o unas pocas fracturas discretas, en 2-D.
Discontinuidades producen fuertes variaciones locales en magnitud y orientación de
esfuerzos.
Variaciones condicionadas por la geometría de las discontinuidades, su resistencia,
variaciones de módulos elásticos y las razones de esfuerzos (s1/s3).
Fig.8: Variaciones de módulos elásticos
Criterios de Falla en Macizos Rocosos
A bajo esfuerzo, el proceso de falla está fundamentalmente controlado por la
continuidad y distribución de fracturas naturales.
En alto esfuerzo, la falla se domina por nuevas fracturas inducidas por los esfuerzos,
que crecen paralelas a la excavación (fractura frágil).
Si el macizo está fuertemente fracturado, la deformación por altos esfuerzos tiende a
ser dúctil (falla plástica).
Criterio de Hoek-Brown de falla frágil (Martin et al., 1999)
Para roca dura, macizos rocosos masivos a moderadamente fracturados.
Falla dominada por fracturas inducidas por los esfuerzos.
Asume que en zonas de esfuerzos altos, en la superficie del túnel o galería la
fricción no opone resistencia, solo la cohesión del macizo rocoso.
Modelo predice de mejor manera zonas de daño y sobreexcavaciones.
Figura 9: Esfuerzos en las paredes de una galería
Implicancias en excavaciones subterráneas
En zonas de esfuerzos altos, en la superficie del túnel o galería la fricción no opone
resistencia, solo la cohesión.
Concentraciones de esfuerzos en exceso de scd va a causar daño localizado y pérdida
progresiva de cohesión del orden de 50%.
Daño progresivo puede provocar colapso de la excavación.
Modelo Hoek-Brown Falla Frágil
Hoek-Brown generalizado:
Hoek-Brown falla frágil:
m ≈0 (sin fricción)
a ≈ 0,5 (roca dura)
S ≈ 0,11
Fig.10: Esfuerzos según Hoek y Brown
σ 1=σ 3+σ c (m σ 3σ c
+s)a
1.3.2. Identificación y definición de variables
Estallido de Rocas:
Definición Nominal
Estallido de Rocas: Es una rotura de las rocas.
Definición Analítica
Estallido de Rocas: Es un fenómeno que ocurre en una roca de característica rígida al
acumularse la energía interna de las rocas y su posterior liberación en forma de la rotura de
las rocas; esto se genera a gran profundidad y como producto de los diferentes esfuerzos
que actúan alrededor de las excavaciones.
Profundidad:
Definición Nominal
Profundidad: Es la distancia de un elemento con respecto a un plano horizontal de
referencia cuando dicho elemento se encuentra por debajo de la referencia. Cuando ocurre
lo contrario se denomina elevación, nivel o simplemente altura.Los terrenos que se
encuentran profundos se denominan fosas, tanto si son marinas como terrestres.
Definición Analítica
Profundidad: En minería subterránea, es la distancia tanto vertical como horizontal
existente entre cualquier punto dentro de mina con respecto a la bocamina ubicada en el
nivel cero.
Esfuerzos:
Definición Nominal
Esfuerzo: Empleo energético de la fuerza física o del vigor del ánimo.
Definición Analítica
Esfuerzo: Fuerza que actúa sobre el macizo rocoso y que tiende a estirarlo (tracción),
aplastarlo (compresión), doblarlo (flexión), cortarlo (corte) o retorcerlo (torsión),
produciendo como producto en muchos casos un estallido de rocas en zonas profundas y
como producto de labores no sostenidas.
Definición de las categorías expresivas
Después de la definición analítica se tienen las siguientes categorías expresivas de las
cuales se describen las siguientes:
Macizo Rocoso: Conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. Presenta carácter
heterogéneo, comportamiento discontinuo y normalmente anisótropo, consecuencia de la
naturaleza, frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad, que condicionan su
comportamiento geomecánico e hidráulico.
Labores Subterráneas: Son excavaciones en el macizo rocoso tanto en forma horizontal
así como vertical y pueden ser de preparación y desarrollo.
Equipos: Son estructuras mecánicas que nos facilitan el desarrollo y preparación de las
diferentes labores.
1.3.3. Relación entre variables
Relación entre estallidos de rocas con la Profundidad
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000
2
4
6
8
10
12
14
f(x) = 0.00666666666666667 x − 1.33333333333333
Estallidos de Rocas vs Profundidad
Series2Linear (Series2)Linear (Series2)
Profundidad(m)
N° E.R
Grafica N° 1
Relación entre cantidad de estallidos de rocas con los esfuerzos
0 50 100 150 200 250 300 350 4000
2
4
6
8
10
12
14
f(x) = 0.0303548634158795 x + 1.44983405667603
Estallidos de Rocas vs Esfuerzos
Series2Linear (Series2)
Esfuerzos (MPa)
N° de E.R
Grafica N°2
1.3.4. Proposiciones implicativas de las variables
Como se puede apreciar en la grafica N° 1, a medida que la profundidad aumenta la
cantidad de estallidos de rocas es mayor, debido a que al estar a mayor profundidad la
acumulación de energía interna de las rocas así como los esfuerzos serán mayores lo cual
nos daría una relación directamente proporcional.
Al aumentar progresivamente los esfuerzos en el macizo rocoso, el estallido de rocas
también aumentara, debido a que los esfuerzos cuanto mayor son producen una mayor
acumulación de energía en las rocas por lo que se producirá una mayor cantidad de
estallido de rocas en las labores mineras subterráneas.
1.4. Justificación
El proyecto de investigación se justifica porque busca conocer el estallido de rocas en
las diferentes labores subterráneas, debido a la influencia de los esfuerzos que actuan en el
macizo rocoso.
Metodológicamente, busca desarrollar técnicas para evitar el estallido de rocas en las
diferentes labores mineras subterráneas.
Finalmente nuestra investigación se realiza con la finalidad de reducir los costos por
accidentes.
2. Enunciado del problema
¿En qué medida influyen la profundidad y los esfuerzos en el estallido de rocas de las
diferentes labores subterráneas, en la mina Uchucchacua-2013?
3. Hipótesis
Si la profundidad y los esfuerzos aumentan, entonces el estallido de rocas aumentara en
las labores mineras subterráneas, en la mina Uchucchacua ,2013.
3.1. Operacionalizacion de Variables
Variable Tipo Dimensión Fuente U.M Instrumento Técnica
Estallido de Rocas VD Escalar Galerías Adimensional Observación Estadística
Esfuerzos VI Escalar Galerías Gpa Graficas Correlacional
Profundidad VI Escalar Galerías mEstación
total Topográfica
Definición Operacional de Variables
Estallido de rocas
Es una variable de tipo dependiente, de dimensión escalar, de fuente en las galerías, es
adimensional, su instrumento es la observación, mediante la técnica de la estadística.
Esfuerzos
Es una variable de tipo independiente, de dimensión escalar, de fuente en las galerías,
con unidad de medida GPa, su instrumento son la graficas estudiadas anteriormente, y con
una técnica correlacional para determinarlos.
Profundidad
Es una variable del tipo independiente, un una dimensión escalar, siendo su fuente las
galerías, siendo su unidad de medida el metro, con un instrumento de medida la estación
total, y para esto se usa una técnica topográfica.
4. Objetivos
4.1. Objetivo General
Determinar cómo evitar el estallido de rocas de las diferentes labores subterráneas,
mediante estudios geomecánicos, con la finalidad de evitar accidentes fatales en minería
subterránea.
4.2. Objetivos Específicos
Determinar cómo influye la profundidad en el estallido de rocas de las diferentes labores
subterráneas.
Determinar cómo influyen los Esfuerzos en minería subterránea para que suceda el
estallido de rocas en las diferentes labores.
Correlacionar la profundidad y los esfuerzos que actúan en minería subterránea para
que suceda el Estallido de Rocas en las diferentes labores.
5. Material y procedimientos
5.1. Material
5.1.1. Universo.
El universo está conformado por todo las labores mineras subterráneas en los diferentes
yacimientos minerales.
5.1.2. Población.
La población de esta investigación son todas las galerías a una determinada profundidad; en
la mina Uchucchacua, en Oyon, Lima.
5.1.3. Muestra
La muestra de estudio lo constituye la galería florida ubicada a 300 metros de profundidad, la
misma que también está sometida altos esfuerzos.
5.1.4. Muestreo
La variable independiente es el estallido de rocas, y se elegirá cinco niveles, siendo
dichos niveles: 2,5, 7, 10, 12. Siendo el número de réplicas igual a cuatro para cada nivel
con un total de 20 pruebas. N= 5 x 4 =20.
Nivel Estallidos de RocasE1 E2 E3 E4P1 P2 P3 P4
1 2 Y111 Y122 Y133 Y1442 5 Y211 Y222 Y233 Y2443 7 Y311 Y322 Y333 Y3444 10 Y411 Y422 Y433 Y4445 12 Y511 Y522 Y533 Y544
5.2. Método de recojo de datos
Método Estadístico, con el cual se contabiliza y analiza los estallidos de rocas.
Método Topográfico para la medición de la profundidad.
Método práctico y empírico para determinar los esfuerzos que actuan en las
labores subterráneas.
5.3. Procedimiento experimental
1. Se realizo un levantamiento topográfico de las labores subterráneas, determinando
con esto las diferentes profundidades de las mismas.
2. Observación e identificación de las condiciones del macizo rocoso en las paredes y
el techo de las galerías debido a los altos esfuerzos que pudieran estar presentes, y
por ende causar un estallido de rocas.
3. Analizamos el tipo de roca con la ayuda de un martillo Smith, para determinar la
resistencia a la compresión axial, determinando así los tipos de rocas que pudieran
estar propensas al estallido de rocas.
4. Monitoreo continuo en la superficie del macizo rocoso para determinar posibles
relajamientos de rocas que puedan causar estallido de rocas.
5. Los datos obtenidos se analizan estadísticamente, gráficamente los estallidos de
rocas para diferentes profundidades y esfuerzos.
6. Determinándose que a mayor profundidad y esfuerzos el estallido de rocas es
mayor.
5.4. Tratamiento y procesamiento de datos
5.4.1. Tratamiento
Para el tratamiento de datos usamos métodos analíticos, métodos empíricos, métodos
gráficos y software determinando de esta manera lo estallidos de rocas para una
determinada profundidad y esfuerzos.
5.4.2. Procesamiento
Excel
MineSight
AutoCAD
6. Referencias Bibliográficas
Berrocal, J. (2006).Estabilidad de Labores Subterráneas. Lima:
Saavedra,
