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Diseño geotécnico de pilares en minas subterráneas de vetas auríferas en…
Diseño geotécnico de pilares en minas subterráneas de vetas auríferas en casos de Colombia
Se presenta un método empírico-analítico para el diseño de pilas de rocas en minería subterránea de vetas auríferas en Colombia.
1. Aspectos sobre el diseño de pilares en minería
Los métodos de cámaras y pilares pretenden que los campos de desplazamientos inducidos por las excavaciones (campo cercano y lejano) se restrinjan a órdenes de magnitud elásticos.
Esta energía se almacena en forma de concentración de tensiones en el pilar y en el macizo rocoso.
En Colombia, las vetas auríferas se caracterizan por el emplazamiento d filones hidrotermales en intrusiones de plutones dioríticos o graníticos. Estos yacimientos son emblemáticos por su importancia histórica y económica.
1.1 Pilar Minero
Roca In situ entre dos o más excavaciones subterráneas. (Según Coates)
Elemento de estructura natural, temporal o permanente compuesto por mena o estéril, encargado de soportar presiones del terreno con el fin de evitar el colapso.
*1.2. Usos de pilares en minería de vetas auríferas angostas
Pilares de corona
Usados para la protección de vías principales. (Machines o pilar corrido)
Pilares aislados
Estructuras remanentes después de procesos de explotación desde su perímetro. (Unidades independientes)
1.3. Métodos de diseño de pilares mineros
Métodos analíticos
Utilizan análisis de esfuerzos y deformaciones alrededor de las aperturas. Incluyen técnicas cómo:
Soluciones de forma cerrada
Simulaciones con métodos numéricos
Métodos empíricos
Evalúan la estabilidad de las aperturas mineras por el uso de sistemas de clasificación ingenieriles del macizo rocoso los cuales proporcionan predicciones simples y económicas de la seguridad en techos, hastiales y demás requerimientos de soportes.
Métodos geológicos
Buscan identificar las estructuras geológicas y otros rasgos que afectan la estabilidad.
Métodos de observación
Se basan en el monitoreo actual o retrospectivo del movimiento del subsuelo durante una excavación, detectando la inestabilidad que pueda ser medida, y en interacción subsuelo-estructura de soporte. Incluye:
Método Austriaco de Túneles (NATM)
Método de Convergencia-Confinamiento
Métodos de cumplimiento
Se fundamentan en cumplir con los requerimientos mineros de:
Rentabilidad
Ventilación
Transporte
Otros
2. Esfuerzos en pilares
La carga actuante en un pilas obedece en primer lugar al estado de esfuerzos presente en el subsuelo y en segundo lugar a la localización y dimensiones del mismo.
El método tradicional se conoce como Teoría del Área Tributaria
Un método riguroso debe provenir de la medición de los esfuerzos In situ.
Otros métodos:
Teoría del arco de presiones
La bóveda de carga de Terzaghi
Modelos numéricos
2.1 Teoría del área tributaria
Supone que el esfuerzo sobre el pilar es determinado por el peso de la columna de roca sobre dicho pilar, adicionado de la columna situada sobre las excavaciones de forma proporcional a sus tamaños.
Diagrama de cámaras y pilares con fuerzas en planta y sección transversal unitaria:
Diagrama de fuerzas sobre un pilar en una veta con inclinación
Variación de esfuerzos normales y cortantes normalizados sobre el pilar según el ángulo de inclinación y la relación de esfuerzo horizontal a vertical
3. Resistencia de pilares bajo esfuerzos de compresión
Se define la resistencia como la capacidad de carga última por unidad de área.
La resistencia de los pilares depende de las dimensiones del pilar, la relación ancho/altura, y ancho de cámara excavada.
Depende de:
Tamaño o efecto volumen del pilar
Efecto de la geometría del pilar
Propiedades del material del pilar
También depende de:
Resistencia mecánica y orientación de las discontinuidades.
Dos tipos de formulaciones han predominado históricamente:
Fórmulas tipo Salomon-Munro
Fórmulas tipo Obert-Duval
Diagrama de estabilidad basado en Factor de Seguridad y relación anchura/altura de los pilares
Se recomienda utilizar para el diseño de nuevas explotaciones FS mayor a 2 para asegurar un cálculo conservador y económico de las reservas.
4. Metodología de propuesta para el diseño de pilares
Diagrama de Operaciones propuestas para el diseño geotécnico de pilares en casos de pequeña y mediana minería en Colombia
Mecanismos y procesos de ruptura de pilares en rocas duras
5. Observación de modos de falla de pilares existentes
Para la observación y análisis sobre el comportamiento mecánico del terreno desde un enfoque geotécnico es necesario considerar el material de veta constituyente del pilar y de los respaldos como un macizo rocoso.
La experiencia indica que hay tres modos de falla de pilares en rocas duras:
Falla controlada por estructuras
Fallas por esfuerzos inducidos progresivos
Explosión de pilares
Se deben observar las variaciones composicionales y de orientación espacial de las vetas en explotación y de las estructuras asociadas que constituyan planos débiles, tales como:
Cizallas
Salbanda
Contactos litológicos
Fracturas
Diaclasas
/
Se deben medir:
Potencias
Espaciamientos
Persistencias
Rugosidad
rellenos
En general: Composición; dimensiones y orientación
El artículo muestra una serie de ilustraciones que presentan vetas situadas en el Batolito de Segovia, donde las mineralizaciones están formadas por filones auríferos de cuarzo con sulfuros de plomo, zinc, cobre y hierro. Oro y plata se encuentran libres y diseminados en los sulfuros. La roca de respaldos consiste de rocas dioríticas y gabros.
6. Cálculo de pilares al corte de discontinuidades
Las estructuras inclinadas en los pilares como vetas están sometidas a esfuerzos de compresión y corte. Se requiere un criterio de ruptura que considere los dos procesos. El criterio de Mohr-Coulomb sirve para este fin.
Esfuerzo en un pilar en veta con buzamiento Sn, Sp, Ts, A, Ap
6.1. Cálculo de pilares con discontinuidades
Las propiedades de resistencia y deformación del macizo están influenciadas por las propiedades tanto de la roca intacta como de las discontinuidades existentes.
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El diseño de pilares en minas subterráneas está tradicionalmente evaluado de forma determinista basado en el Factor de Seguridad (FS), en que se pueden definir tres condiciones:
FS > 1, pilar estable
FS = 1, pilar en condición de equilibrio límite
FS < 1, pilar en condición de ruptura
7. Caracterización en laboratorio de mecánica de rocas
Una caracterización básica necesaria es de esfuerzo-deformación y resistencia a la compresión uniaxial, estos ensayos permiten verificar además la rigidez de la roca que conforma tanto el pilar como los respaldos, así como su grado de fragilidad.
De acuerdo con lo expuesto, los estudios de mecánica de rocas son dirigidos sobre los materiales controladores de la estabilidad de los pilares, es decir en el caso de rocas frágiles y resistentes que contienen discontinuidades es necesario conocer los parámetros de cohesión y ángulo de fricción de las discontinuidades.
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8. Diseño de pilares por métodos numéricos
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