Mining Rock Mechanics

“MITIGACION DE ROCKBURST”

Prof. Ugur Ozbay

Colorado School of Mines

Department of Mining Engineering

uozbay@mines.edu

+1(303) 273 3710

Objetivo

• Respuesta del macizo rocoso a excavaciones mineras

• Definición y tipos de Rockburst, “Estallido de Rocas”

• Metodos de mitigación del rockburst

– Consideraciones del diseño

– Sistema de monitoreo Sísmico

– Estrategias de Soporte

– Rol de la Unidad de Roca de Ingeniería en una mina sísmica

activa

Respuesta del macizo rocoso a la minería

• Respuesta del macizo rocoso a los cambios en los campos de esfuerzo debido a la minería

• Ajuste del macizo rocoso se logra con la redistribución de esfuerzos y deformaciones a través de

– Activación de fracturas existentes, y

– Generación de nuevas fracturas

• Proceso de ajuste involucra caída de rocas en las excavaciones, liberación de energía de deformación, y generación de sismos

• La severidad del proceso de ajuste es gobernado por tres parametros principales

– Campo de esfuerzos que existen antes de la minería

– Características del macizo rocoso

– Tamaño y forma de las excavaciones mineras

Carga y Resistencia del Macizo Rocoso

Str

ess

Strain

Peak

strength

Residual

strength

Compression

Shear

Excavation

Rockburst

Que es?

Como ocurre?

Que se puede hacer con el?

Definición de Rockburst

Rockburst es una repentina y violenta irrupción de las

paredes de las minas el cual es causada por, o

acompañada por, un movimiento brusco o vibración

(evento sísmico) the suficiente magnitud para causar

daño obvio a las excavaciones y soporte, o caida

simultanea de rocas

Un rockburst es una consecuencia de la minería

No todos los eventos sísmicos son causados por el

rockburst

Falla de Roca Estable e Inestable

Compression

Shear

Excavation

Unstable failure

Str

ess

Strain

Energy

deficiency

Stiffness of

loading

environment

Stable failure

Dos condiciones necesarias para el

rockburst

1. Stress > Strength

2. InstabilityS

tress

Strain

Triggering

stress increase

Excess energy

Stiffness of loading

environment

1 Strain burst (crush o rompimiento)

2 fault (slip o deslizamiento)

3 dyke (crush) / dyke contact (slip)

4 rupture (slip)

Tipos de Eventos Sismicos

4

23

Advancing

excavationfault

dyke

weakness

1

Eventos de rompimiento (c) Eventos de deslizamiento (s)

Descripción

física

Inestable rompimiento del volumen de

roca en las proximidades de la

excavación minera

Liberación inestable de esfuerzo de cizalle

por un deslizamiento sobre una area planar

(plane of weakness/intact rock)

Mecanismo

governante o

criterio

Strain-weakening de roca fragil en

compresion, sistema de dureza, potencial

de caída de esfuerzos

Statico: caida dynamica del esfuerzo-cizalle

de la superficie deslizante, dureza del

sistema, potencial de caida de esfuerzo

Ejemplos

comunes

Abutment events, strain bursts, tunnel /

dyke events

Algunas fallas y algunos eventos de

terremotos relacionados a diques, medianos

a muy grandes eventos.

Daño del

rockburst

• Ocasionalmente intenso, pero siempre

localizado

• Multiples deslizamientos planares

conjugados o rompimiento general

• Para grandes eventos: Caídas grandes,

clausura, dano de tunel

• cuasi-plano individual mostrando

movimientos mesurables

C s/c

ss

Eventos de tipo sismico

Strategias de control de Rockburst

• Criterio de diseño minero

– ERR (Energy Release Rate) (Razon de

liberación de energía)

– ESS (Excess Shear Stress) (Esfuerzo de

Cizalle excesivo)

• Metodos de mitigación del rockburst

Razón de Liberación de Energía (ERR)

• ERR es simplemente una medida de concentración de esfuerzos en las paredes de la excavación

• Paredes mineras irregulares, intersecciones, pilares, y remanentes son areas de alto ERR (esfuerzos)

• Estrategias que reducen el ERR (Stress) alrededor de las excavaciones puede reducir el potencial rockburst. Estas estrategias incluyen:

– Backfilling (relleno)

– Use of large width/height ratio pillars (pilares de mayor ancho/altura)

– Reducing stoping width (Anchos de Tajeos)

Efecto de la Geometría Minera en el ERR

ERR

ERR

ERRERR

ERR

ERR

ERR

Mined Out

ERR

ERR

ERR

ERR

ERR

Irregular vs. regular faces

Large pillars

Efecto del Ancho del Stoping en el ERR

Wide stopeHigh face

stresses

Narrow stopeBack area

closure limits face

stresses

Backfilled back

area in a wide

stope face

stresses

ERR > ERR ≈ ERR

Backfill

Resumen del ERR

• ERR es una medida directa de la concentración de esfuerzos en la cara frontal de una pared minera

• ERR puede servir como una medida descriptiva para el daño del rockburst

• Estudios han mostrado una convincente correlación entre el nivel del ERR promedio y sismicidad o rockburst

• Grabando correlaciones entre el ERR y el rockburst puede llevar al desarrollo de guías para el diseño de la mina

Falla de Cizalle inestable a traves de estructuras

(“slip” type events)

Excess Shear Stress (ESS) (Cizalle)

dynamic strength

ESS ( e) = Prevailing shear stress prior to slip – Dynamic strength of structure

e

ESS es una medida del evento de deslizamiento

potencial ocurriendo en una estructura geologica

static strength

cohesion

Normal stress

n

Shear

str

ess

ESS como criterio de diseño

stability potential indicates

stability indicates

0

0

e

e

ESS lobes05

-2

= 5 to 10 MPa (for plane of weakness) (plano de debilidad)

= 20 MPa (for rupture of intact rock) (ruptura roca intacta)e

ˆe

ˆ

Estimación de niveles de ESS requeridos para un evento sísmico

FaultExcavation

Como ESS beneficia el diseño minero

• ESS puede usarse como una herramienta cuantitativa para

back-analysis de eventos sísmicos

• ESS cuenta para la amplificación del efecto del daño de

condiciones abnormales tectónicos

• Siguiendo metodos de mitigación del rockburst que emergen en

base a los conceptos del ESS:

– Uso de braquetas de pilares alrededor de fallas sísmicas activas

– Explotación lejos de las fallas

– Explotación hacia fallas en un angulo oblicuo

– Confirmación de beneficios al implementar backfill y estabilización de

pilares

Metodos de Mitigación de Rockburst

• Ajustando razones de extracción de mineral, razones de

avance de frente, secuencias mineras

• Desconfinamiento de esfuerzos (de-stressing)

• Pre-condicionado

• Uso de información de monitoreo sísmico

• Instrumentación

• Diseñando e implementando un sistema de soporte para las

condiciones del rockburst

En addición a unos ya mencionados, los siguientes metodos de

mitigación son practicados en la industria:

Razon de extracción de mineral, secuencia minera, y razón de avance de

la frente

• Regularizando razones de extracción de mineral y secuencias mineras mediante

– Planificación minera cuidadosa, diseño, y operación

– Controlando cantidades y razones de extracción

– Limitando la razón de frente de avance bajo los niveles criticos que gatillan el rockburst

De-stressing and Pre-condicionando

De-stressing

Pre-conditioning

Monitoreo Sísmico

• Un hardware monitoreo sísmico standard requiere una red de varios geofonos instalados alrededor de la mina y un sistema computacional central para analisis de signos

• Redes de monitoreo sísmicos pueden

– Localizar eventos sísmicos – ademas pueden ser usados para cordinación de operaciones de rescate en caso de rockburst

– Permiten la identificación de estructuras sismicamente activas

– Muestran como las condiciones estan cambiando con el tiempo, effecto de la razón de extracción en la sismicidad.

– Entregan una eficacia en estrategias de control del rockburst adopotado por la mina

– Entregan estimaciones cuantitativas en la magnitud y momento del los eventos sísmicos

Ejemplo de monitoreo sísmico Activacion de una falla lejos del

desarrollo

Figure 1. Active mining areas, and initial microseismic activity associated with mining.

Mined out stopes

Active mining area

Vent Raise

to surface

Hangingwall ramp

drive

Microseismic

activity (events)

Actividad microsismica inicial

associado a la producción

Cambio de la localidad de los eventos

sísmicos con continuo desarrollo

Otro monitoreo e instrumentación

Sistemas de monitoreo mas comunes:

• Inspecciones de campo (100%),

• Mediciones de desplazamiento local (82%),

• Monitoreo sísmico (64%),

• Reflectometría en el tiempo (64%),

• Medidas convergentes (36%), y

• Observaciones de sondajes (36%).

Consideraciones de soporte del Rockburst

• Resistencia de Soporte

– Estatica

– Dynamica

• Contención (screening, areal coverage)

• Yieldability (Absorción de la capacidad de energía)

Shaking (sacudida) Ejection (projección)Bulking

Supporte de diseño: Carga estatica

Soporte requerido de

resistencia

Rs > h

: Peso unitario

h: grossor del bloque

Diseño de Soporte: Carga Dinamica

2

d

2

d

mv2

1E

:sidewallsFor

mv2

1mgdE

:roofFor

Energía requerida (Ed) para

contener movimiento dinamico

de un bloque de roca sobre una

distancia d en metros:

Donde m y v son masa y

velocidad de projection del

bloque de roca y g es la of the

acceleración gravitacional.

Yieldability (Absorción de capacidad de energía)

Energy imparted to

a 2000 kg mass:

E = 0.5 m v2 = (0.5) (2.0) 82

E = 64 kJ

Energy consumed by

Non-yielding bolt:

270 x 0.014 = 3.8 kJ

Yielding bolt:

190 x 1 = 190 kJ

Yielding bolts

Estrategias de diseño de soporte

• Los requerimientos del sistema de soporte mas crítico

para las condiciones de rockburst son

– Capacidad de absorción de energía suficiente (yieldability o

ceder)

– Complete screening (areal coverage)

• El sistema de soporte que puede cumplir con los

requerimientos incluyen

– Grouted rock bolts with good yieldabilty + wire mesh + lacing,

– Grouted yielding bolts + welded mesh + shotcrete,

– Grouted yielding bolts + welded mesh + fiber reinforced shotcrete

Estrategias de protección caída de suelo

• El sistema de soporte puede tener un adecuado yielding (absorción) y carasterísticas de visual areal completa

• Se necesitan medidas para la protección de scalers, drillers, and support installers. Automatizando estas actividades que deben ser consideradas.

• Desarrollando una base de datos en alturas de caída de roca y el funcionamiento del sistema de soporte puede ayudar enormemente en el diseño efficente del sistema de soporte

• Serias consideraciones deben ser tomadas a los efectos del daño de altos esfuerzos (abutment stresses) creadas por las excavaciones de produccion en excavaciones de servicios

• Creación de ledges and brows pueden significativamente reducir la estabilidad soltando los joints y fracturas con esfuerzos.

• Bajo esfuerzos altos, ocurren la fracturas paralelas a la frente. En intersecciones y situaciones de lead-lag, altos esfuerzos pueden resultar en techos “blocky” requiriendo soportes mas densos con cobertura areal mas fuerte.

• Caminando hacia las areas sin soporte es un contribuyente a la caída estadistica del suelo

• Ultimo, pero no menos importante, estrategias de prevención de accidentes de caída de suelo pueden no ser exitisos sin la provisión de un adecuado programa de Entrenamiento!

Unidades de Mecanicas de Rocas

La unidades de mecanica de rocas, consiste

en manejar un adecuado numero de personal

calificado, es esencial para el diseño,

implementación, y mantenimiento de los

metodos de mitigación del rockburst

mencionados aquí.

Actividades de las unidades de mecanica de rocas

Las actividades de Unidades de roca Ingeneril pueden incluir pero no limitadas a

– Desarrollo y mantenimiento de modelos geotecnicos y numericos actuales de la mina

– Participación en el proceso del diseño mediante el trabajo cercano con la gerencia mina, planeando y unidades de producción

– Desarrollando excavaciones y diseño de sistema de soporte de tipo de roca específica para diferentes sectores de la mina

– Recolección y analisis de incidentes de lesionpara determinar la raiz de la causa de accidentes para identificar entrenamiento y necesidades de mejoramiento de soporte

– Desarrollando e implementando procedimientos de control de calidad / Aseguramiento de calidad

– Preparando codigos de conductas de mecanica de rocas y comunicando estas con el personal de la mina

– Desarrollando mecanica de rocas relacionadas con los procedimiento de evaluación de riesgos basados en el dato de accidentes

– Obteniendo e instalando instrumentos (incluyendo redes de monitoreo sísmicos) para monitorear la respuesta del maziso rocoso a las explotaciones

– Manteniendo contacto con las nuevas tecnologias en el area de mecanica de rocas

– Citando y acudiendo a los auditores o consultores de Mecanica de Rocas (Review Board)

Actividades de las unidades de mecanica de rocas (cont.)

Resumen de metodos de mitigación del rockburst

• Reduciendo altos abutment stresses mediante

– Mantenimiento de la forma de la frente del talud global

– implementando backfillling

– Implementando extracciones parciales (pilares)

– Reduciendo anchos de stoping

• Evitando

– Creación de remanentes

– Diseños considerando pilares

– Exponiendo servicios de excavaciones a altos stresses

• Dejando braquetas de pilares alrededor de fallas activamente sísmicas

• Acercandose a fallas en angulos oblicuos

• Explotación lejos de las fallas

• Regularizando la razón de extracción de mineral, secuencia minera, y razón de avance de la frente

• De-stressing

• Pre-conditiocionando

• Monitoreo de sísmos inducidos por la minería

• Implementando sistema de soporte con adecuada holgura y capacidades de screening

• Mantención de un departamento de mecanica de rocas bien entrenado y con recursos

Fin

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