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MINERA EL TESORO

GEOMECANICA APLICADA A LA MINERA CIELO ABIERTO

9. CONTROL OPERACIONAL

&

INSTRUMENTACION

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INSTRUMENTACION Y AUSCULTACION

GEOMECANICA

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CONCEPTOS GENERALESCONCEPTOS GENERALES

Existen dos principales razones para Instrumentación Geotécnica y Auscultación Geomecánica:

! Seguridad

! Optimización del Layout y Secuencia Minera

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DEFINICIONES

Generalmente las técnicas de “monitoreo”, “muestreo” y “caracterización” son confundidas. Lo anterior, no es trivial debido a que el conocimiento de estos términos van de la mano con el entendimiento de cómo aplicarlos en la forma correcta. Estos términos podrían definirse de la siguiente manera :

! MonitoreoSupervisión y vigilancia del comportamiento del terreno, visualmente o con ayuda de instrumentos (monitoreo de movimientos del terreno, cambios en los esfuerzos en el macizo rocoso o presión de poros, migración de contaminantes, etc).

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! MuestreoMedición en un periodo de tiempo de la respuesta del terreno o un espécimen a algún estimulo, tal como, la aplicación de un esfuerzo, incremento de la presiónde agua o temperatura (medición de la resistencia, deformabilidad, permeabilidad, etc).

! CaracterizaciónMedición en un periodo de tiempo de la condición del terreno, tal como, la litología y sus contactos, distribuciones de presiones de agua y esfuerzos (determinación del esfuerzo in situ del macizo rocoso, presiones de aguas subterráneas y espesores de zonas fracturadas alrededor de excavaciones, etc).

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Estas tres técnicas utilizan instrumentos, pero el monitoreo se preocupa de los cambios, mientras que el muestreo y la caracterización se preocupan de la medición de una propiedad o condición en un particular periodo de tiempo. Los esfuerzos in situ y la condición de aguas subterráneas son determinadas en primer lugar por una caracterización y los cambios posteriores pueden ser monitoreados si se han dejado instalados instrumentos in place y se han tomado lecturas constantemente.

! Monitoreo IntermitenteConsiste en la medición de solo unas pocas lecturas a intervalos que van desde minutos a meses.

! Monitoreo ContinuoMedición de lecturas continuas registradas en un gráfico en papel, medio magnético o cinta, fácil de interpretar aunque más costoso de obtener.

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! Monitoreo Aislado o PuntualMedición de lecturas en uno o varios puntos.

! Monitoreo LinealMedición continua a lo largo de un sondaje.

! Monitoreo ArealMedición de lecturas continuas registradas en la cara de un banco o talud.

! Monitoreo VolumétricoMedición de lecturas continuas registradas por una red sísmica.

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POR QUE MONITOREAR

El monitoreo tiene al menos 6 distintos e importantes usos en minería, desde el rol inicial durante la exploración hasta la explotación minera :

! Proteger el Personal y Prevenir Accidentes! Obtener Datos de Diseño! Verificar Datos de Diseño y Supuestos! Investigar Fallas y Potenciales Inestabilidades! Evaluar el Tratamiento del Terreno! Chequear el Impacto de la Minería en el Medio

Ambiemte

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INSTRUMENTACION Y AUSCULTACION GEOTECNICA

En general, un sistema de instrumentación y auscultación geotécnica deberá estar orientado a medir parámetros geomecánicos claves, que nos permitan predecir con anticipación cambios importantes en el macizo rocoso que eventualmente, generen problemas de estabilidad y definan un escenario inseguro para la operación minera.

Además, deberá ser capaz de entregar la información necesaria para comprender e interpretar el comportamiento geomecánico del macizo rocoso frente a las diversas opciones de explotación minera que pudieran generarse.

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De esta forma, una predicción oportuna de un comportamiento dado, permitirá realizar continuas evaluaciones del proceso de explotación y podrá introducir los cambios necesarios para una operación segura.

Un sistema de instrumentación y auscultación que involucre lo anteriormente expuesto, deberá entregar información valiosa; de fácil obtención, análisis e interpretación. Para lograr esto será necesario diseñar un programa de instrumentación y auscultación que responda claramente las siguientes interrogantes: Que se desea medir ?, Para qué?, Donde?, Como? y Cuando?.

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CRITERIOS DE DISEÑO CRITERIOS DE DISEÑO

Los criterios de diseño, la planificación y la operación de un programa de instrumentación geomecánico es una tarea compleja y especializada, que requiere un alto grado de conocimiento del comportamiento del macizo en donde se emplaza el proyecto.

Para definir de mejor forma lo anterior, se deben considerar los siguientes aspectos: predicción del comportamiento del macizo rocoso, planificación del layout de la instrumentación, instalación de estos instrumentos y lectura, análisis e interpretación de los datos obtenidos.

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PREDICCION DEL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO

Los requerimientos para la ubicación, tipo y precisión para la instrumentación pueden ser muy diferentes, dependiendo si las variaciones o cambios esperados en los desplazamientos, esfuerzos y/o presiones, llegan a ser de pequeña o gran magnitud, lentos o muy rápidos, superficiales o en profundidad.

Las magnitudes y direcciones de los desplazamientos, ubicación de potenciales caídas de bloques y/o cuñas y el mecanismo de falla asociados a estos siniestros, son necesarios para determinar y establecer la ubicación, resolución y rango de los instrumentos seleccionados.

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La auscultación y el monitoreo están directamente relacionados con los mecanismos de falla (estallidos de roca, caídas de bloques, etc) y deberían realizarse predicciones del tipo y ubicación de estos mecanismos (plano de siniestralidad), tan precisas como sea posible, antes de auscultar el comportamiento del macizo rocoso.

Si es posible, estas predicciones deberían ser cuantificadas, para calibrar un modelo numérico que utilice datos de entrada que tengan un gran nivel de incerteza, y deberían representar los escenarios pesimistas y optimistas, considerando las variaciones en las solicitaciones, esfuerzos y presiones de poros, de esta forma estos cálculos deberían mostrar cuales son los valores más críticos y cuales deberían ser monitoreados.

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Valores Umbrales y Planes de Contingencia

Los valores umbrales están definidos como las magnitudes máximas de desplazamientos, esfuerzos, presión de poros u otros parámetros que se puedan medir y observar, que constituyan un riesgo a la estabilidad o seguridad.

Los planes de contingencia son cursos de acción ha ser tomados eventualmente si los valores umbrales son excedidos. En una mina subterránea los valores umbrales y los planes de contingencia deberían ser determinados y planificados con anticipación. No se dispondrá de mucho tiempo para la discusión de acciones a tomar cuando un instrumento arroje lecturas que sobrepasen los valores umbrales previamente definidos.

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Los valores umbrales pueden ser seleccionados como múltiplos de los niveles de esfuerzos o desplazamientos predichos en la etapa de diseño, o en términos de los esfuerzos y desplazamientos típicos en otras minas con similares características geológicas, métodos de explotación, etc.

Valores absolutos de esfuerzos o desplazamientos, usualmente no son suficientes; es decir, pueden ser más relevantes e importantes tasas de crecimiento, velocidades y aceleraciones, incluso estos valores umbrales pueden ser especificados en términos visibles del desconfinamiento y aparición de grietas o deformaciones en el macizo rocoso o deformaciones en el sistema de fortificación.

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Aceleraciones pueden dictaminar la instalación inmediata de fortificación adicional y una mayor frecuencia de lecturas. Si la concentración de esfuerzos y la actividad sísmica inducida aumentan considerablemente por sobre los valores umbrales, indicando un incipiente o potencial estallido de roca, inmediatamente debería cesar la minería en el sector afectado. Además, de un caserón a otro los valores umbrales y las acciones a tomar pueden variar considerablemente.

El principio de establecer los valores umbrales y los planes de contingencia con anticipación es sin duda, siempre aplicable y debiera ser conservador en la etapa inicial de la explotación de un sector productivo, hasta que se llegue a establecer un procedimiento de monitoreo eficaz y confiable.

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PLANIFICACION DEL LAYOUT DE INSTRUMEN-TACION

La ubicación de las perforaciones utilizadas para instalar los instrumentos y los instrumentos en sí, deben ser seleccionados tomando en cuenta el tipo de roca y la condición de las aguas subterráneas. Se debe contar con plantas y secciones que muestren la geología; y labores, cavidades y/o caserones del layout minero. Deben considerarse los siguientes aspectos :

! Extensión de la Cobertura

! Calibración y Chequeo Cruzado

! Selección de las Características de los Instrumentos! Adquisición de los Instrumentos

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Extensión de la Cobertura

Usualmente es un error concentrarse en pocas áreas de interés y excluir otras donde no se esperan problemas de estabilidad. Siguiendo la regla de “trabajar desde lo general a lo particular”, se debería considerar un extensa área de auscultación, de baja precisión y frecuencia de monitoreo, que debería ir aumentando en la medida que nos acercamos a los puntos críticos o de interés.

Mediciones adicionales pueden ser realizadas cuando se detecte una concentración de esfuerzos importantes o anormales. Las tendencias actuales en instrumentación geotécnica, apuntan mayoritariamente a mediciones volumétricas o al menos lineales en vez de mediciones puntuales y a lecturas continuas en vez de intermitentes.

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Calibración y Chequeo Cruzado

La necesidad de un diagrama de monitoreo, en extensión y profundidad, usualmente requiere de puntos de control estables y otros instrumentos de referencias. Por ejemplo, si la estabilidad de un talud de una mina a rajo abierto, estásiendo monitoreado usando un inclinómetro, el tubo guía de este inclinómetro debería alcanzar una profundidad tal, que se ubique por debajo de la potencial superficie de ruptura de ese talud y además, en un terreno estable.

Cuando sea posible, 2 o más tipos de instrumentos deben ser usados para chequear al otro. Por ejemplo, mediciones por topografía convencional puede ser chequeada en función de otros instrumentos tales como inclinómetros, GPS, etc.

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Cuando los instrumentos están instalados para proporcionar un chequeo de los cálculos de diseño, una serie de ubicaciones típicas o “secciones representativas”pueden ser seleccionadas para monitorear los diferentes comportamientos del macizo rocoso o tipo de soportes. Así, por ejemplo, la estabilidad del “hangingwall” de un caserón o un talud potencialmente inestable pueden ser chequeados por 4 o 5 secciones típicas a lo largo de su longitud.

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Selección de las Características de los Instrumentos

El rango y precisión de las mediciones debe ser suficiente pero no excesiva. Generalmente, la precisión de un instrumento tiende a ser inversamente proporcional al rango de medición, de esta forma mientras más preciso y sensible es un instrumento, mayor será la incapacidad de medir grandes cambios y variaciones en el rango de esfuerzos, desplazamientos o presión de poros.

Por otra parte, los costos pueden llegar a ser prohibitivos si las especificaciones de precisión son más grandes que las necesarias. Además, cuando el rango es excesivo, la re-calibración del instrumento puede ser complicada y en algunos casos puede llegar a ser imposible.

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El ingeniero a cargo de la instrumentación deberá decidir la necesidad de utilizar lecturas remotas, continuas y sistemas de alarmas; en vez de instrumentos fijos en el terreno y de tipo portátil, los cuales pueden realizar lecturas en varios sectores y ubicaciones. Estos últimos son menos vulnerables a daños y fáciles de calibrar, pero para realizar una lectura, requieren una visita con el instrumento a cada lugar de medición, involucrando más tiempo y trabajo para efectuar estas mediciones.

Las tendencias actuales, apuntan a la utilización de instrumentos con lectura remota, continua y con sistemas de alarmas en función de los valores umbrales definidos para cada sector. Lo anterior, permite un mayor y mejor manejo de los datos e información y a la vez permite minimizar los riesgos operacionales, sobre todo si se requiere instrumentar un sector potencialmente inestable o francamente inestable.

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Los cables y tubos de conexión de los instrumentos deben ser ubicados estratégicamente para evitar daños debido a movimientos o desplazamientos del terreno, tráfico de equipo de carguío y transporte y por las faenas de tronadura. Para la instalación en superficie, se requiere la protección por efecto de las aguas lluvias, nieve, sol viento y algunas veces vandalismo.

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Adquisición de los Instrumentos

“El bajo costo de un instrumento nunca debería ser un criterio de selección y el instrumento menos caro no siempre es el que resulta en el costo mínimo total”(Dunnicliff, 1988).

Para estimar los requerimientos y costos, se debe considerar una planta y una sección típica que muestre un diagrama del layout de la instrumentación en cual se pueda identificar la ubicación, profundidad de los sensores, sistema de transmisión y unidades lectoras.

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INSTALACIONGarantías de Instalación

Buenos instrumentos, instalados incorrectamente proporcionan mala información. Idealmente, la perforación donde se instalará el instrumento, debería ser revisada mediante una cámara de TV (e.g. borehole camera) o al menos revisar los testigos recuperados de la perforación, con el objetivo de localizar el punto óptimo de ubicación de los anclajes, sensores u otros componentes se adhieran a la roca. La correcta instalación también requiere del conocimiento del funcionamiento del instrumento en particular.

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Se debe preparar una programación de las cantidades, una estimación de costos y las especificaciones; tomando en cuenta, además de los instrumentos, personal, materiales y equipos de apoyo para la instalación, calibración y mantención; y para la lectura, procesamiento de datos, interpretación y reportes o informes técnicos.

Frecuentemente, la comparación entre la estimación de los requerimientos y el presupuesto disponible requieren ajustes o “recortes”. A pesar de los presupuestos limitados y “recortes”, el sistema de monitoreo debe proveer resultados confiables y que cumpla con los objetivos específicos del ingeniero a cargo de la instrumentación.

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Los manuales impresos, frecuentemente son inadecuados debido a las condiciones particulares de cada proyecto, por lo que la instalación requiere de entrenamiento y experiencia.

La lectura o toma de datos y la interpretación debería continuar en largo plazo y ser realizada por personal calificado de la mina y no asignarle esta tarea a una empresa contratista que no tenga la experiencia en el tema.

Sin embargo, a veces es mejor contratar expertos en monitoreo para asesorarse en la planificación y ejecución del trabajo, ayudar en la capacitación de personal en entrenamiento y en la interpretación de los resultados. Además, los fabricantes de los instrumentos pueden proporcionar valiosa información y asistencia.

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Cuando Instalar

Los instrumentos deberían ser bien instalados, de ser posible, antes de la explotación del sector a auscultar y en el período cuando no se ha desarrollado una potencial inestabilidad, de manera de chequear en base observaciones de terreno (e.g. niveles de ruido, agrietamientos, etc.) y dejar un determinado tiempo para el chequeo y calibración.

Las ubicaciones de los instrumentos deben ser registradas en plantas y secciones, de acuerdo a una nomenclatura “ad doc” y un sistema de numeración claro y preciso, de manera de evitar confusiones de nombres y duplicaciones de la identificación de cada instrumento.

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La hoja del registro de datos debiera ser diseñada e impresa, de forma tal, que contenga el espacio suficiente para realizar cálculos y observaciones; y en particular, que permita la comparación de un set de lecturas con respecto a las anteriores observaciones.

Esta comparación asegurará que lecturas erróneas podrán ser corregidas inmediatamente y que el chequeo se realizará sin ningún retraso ante una eventual anomalía.

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Procedimiento

La ubicación de los instrumentos debe ser revisada en terreno para asegurarse que están en buena condición y para verificar si efectivamente están fuera del alcance de los equipos de carguío y transporte. Se debe instalar el instrumento a una profundidad tal, que las faenas de tronadura y los equipos de carguío y transporte no afecten o golpeen dicho instrumento.

Cuando los instrumentos van a ser fijados al terreno, se debe revisar si se realizó el ensamble correcto de las partes y anclajes, antes del relleno con lechada de cemento o material granular, debido a no podrán realizarse ajustes posteriores.

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Una vez que los instrumentos están instalados deben ser protegidos contra potenciales daños; en una mina a rajo abierto se puede instalar planchas de acero como cubiertas, defensas de protección o grandes bloques y en una mina subterránea cubiertas de acero para que no se afecten por la tronadura y el tráfico de equipos mineros. La ubicación y elevación de ser medidas por medio de topografía en cada instrumento numerado y marcado en planta.

Se debe establecer la calibración y mantención en terreno, de manera que permita una rutina de chequeo de cada instrumento cuando se realice la lectura. Por ejemplo, secciones del casing de un inclinómetro o anclaje de medición de convergencia deben ser instalados y monitoreados cuando el terreno se encuentre en una condición estable.

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Protección de las Estaciones de Monitoreo

La mantención de los accesos y preservación de los puntos de medición y equipos son dificultosos en una mina operacionalmente activa. A menos que la instalación de los equipos este claramente demarcada, los equipos de excavación o carguío pueden fácilmente enterrar o destruir los instrumentos. Grandes deformaciones del terreno y caídas de bloques pueden destruir al instrumento o equipo más robusto.

Las estaciones de monitoreo, puntos de medición y los instrumentos debieran ser protegidos por restricciones del sector donde están instalados o por la selección de lugares con bajo riesgo de caída de bloques o planchoneo.

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Informe de Instalación

Una vez finalizada la instalación de los instrumentos, la calibración y las pruebas de la toma de datos, debería generarse un informe de instalación dando las especificaciones de los instrumentos, ubicación y el sistema de numeración empleado, describiendo los métodos de instalación y calibración e indicando los detalles de cómo tomar los datos correctamente.

Este informe de instalación deberá proporcionar las hojas con los registros y gráficos completos incluso con las lecturas iniciales.

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LECTURAS, INFORMES E INTERPRETACIONFrecuencia de las Observaciones

Conceptualmente el monitoreo es continuo, sin embargo, lecturas intermitentes tienden a limitar o rebajar los costos, por lo que inmediatamente nace la pregunta: Cual es la frecuencia óptima de observaciones?.

En un período inicial, se necesita una gran frecuencia de lecturas, para establecer las tendencias del comportamiento del macizo rocoso, disminuyendo tan pronto como se llegue a establecer un buen nivel de confiabilidad del sistema. Luego la frecuencia sólo necesita ser ajustada de vez en cuando y debe ser mayor en los sectores activos o potencialmente inestables y disminuir a los sectores estables.

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Por ejemplo, perfiles de instrumentos ubicados muy cerca de un caserón en explotación pueden requerir lecturas a intervalos diarios y en la medida que la explotación de este caserón vaya agotando las reservas, necesitará lecturas a intervalos semanales y luego mensuales.

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Tablas y Gráficos

La clara presentación gráfica de los resultados es la llave para una apropiada interpretación y una rápida acción. Los gráficos son mucho mejores que las tablas debido a que ellos muestran, claramente las tendencias y las lecturas anómalas. La escala de los ejes debe ser escogida para ajustar el rango y la precisión del instrumento, la frecuencia y duración de las lecturas y el rango y significado de los resultados esperados. Además, en los gráficos deberían anotarse eventos importantes tales como, tronaduras, daños y reparación del instrumento y/o reemplazo.

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Luego del informe de instalación se requiere el informe de auscultación o monitoreo. Un típico informe de auscultación incluye todas las observaciones de terreno, una actualizada representación gráfica de los datos que mejor representan el comportamiento del macizo rocoso, fotos de los instrumentos y del sector donde se encuentran instalados y un breve comentario si es que algún instrumento no está funcionando.

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Interpretación de los Resultados

La interpretación de los resultados es materia de juicio y comparación con las predicciones realizadas mediante modelos numéricos, la experiencia ganada en otros sectores o en otras minas de similares características. Debido a esto no hay una regla clara y precisa para la interpretación de los resultados. Sin embargo la interpretación resulta fácil cuando los datos son frescos o recientes y es difícil cuando se trata de interpretar datos no actualizados, acumulados durante meses.La fácil interpretación depende fuertemente del cuidado tomado en el diseño del sistema de monitoreo y la programación de las lecturas. Las lecturas son fáciles de interpretar cuando se han considerado globalmente con toda información disponible. Así, gráficos de distintos instrumentos de un mismo sector representan de mejor forma el comportamiento del macizo rocoso en el tiempo.

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