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 Definicin y tipos de Rockburst, Estallido de Rocas Metodos de mitigacin del rockburst

Consideraciones del diseo

Sistema de monitoreo Ssmico

Estrategias de Soporte

Rol de la Unidad de Roca de Ingeniera en una mina ssmica activa

Respuesta del macizo rocoso a la minera

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

Ajuste del macizo rocoso se logra con la redistribucin de esfuerzos y deformaciones a travs de

Activacin de fracturas existentes, y

Generacin de nuevas fracturas

Proceso de ajuste involucra cada de rocas en las excavaciones, liberacin de energa de deformacin, y generacin de sismos

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

Campo de esfuerzos que existen antes de la minera

Caractersticas del macizo rocoso

Tamao 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?

Definicin de Rockburst

Rockburst es una repentina y violenta irrupcin de las

paredes de las minas el cual es causada por, o

acompaada por, un movimiento brusco o vibracin

(evento ssmico) the suficiente magnitud para causar

dao obvio a las excavaciones y soporte, o caida

simultanea de rocas

Un rockburst es una consecuencia de la minera

No todos los eventos ssmicos 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)

Descripcin

fsica

Inestable rompimiento del volumen de

roca en las proximidades de la

excavacin minera

Liberacin 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 cada 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.

Dao del

rockburst

Ocasionalmente intenso, pero siempre localizado

Multiples deslizamientos planares conjugados o rompimiento general

Para grandes eventos: Cadas 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 diseo minero ERR (Energy Release Rate) (Razon de

liberacin de energa)

ESS (Excess Shear Stress) (Esfuerzo de

Cizalle excesivo)

Metodos de mitigacin del rockburst

Razn de Liberacin de Energa (ERR)

ERR es simplemente una medida de concentracin de esfuerzos en las paredes de la excavacin

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 Geometra 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

Ba

ckfill

Resumen del ERR

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

ERR puede servir como una medida descriptiva para el dao del rockburst

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

Grabando correlaciones entre el ERR y el rockburst puede llevar al desarrollo de guas para el diseo 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

Sh

ea

r str

ess

ESS como criterio de diseo

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

e

Estimacin de niveles de ESS requeridos para un evento ssmico

FaultExcavation

Como ESS beneficia el diseo minero

ESS puede usarse como una herramienta cuantitativa para back-analysis de eventos ssmicos

ESS cuenta para la amplificacin del efecto del dao de condiciones abnormales tectnicos

Siguiendo metodos de mitigacin del rockburst que emergen en base a los conceptos del ESS:

Uso de braquetas de pilares alrededor de fallas ssmicas activas

Explotacin lejos de las fallas

Explotacin hacia fallas en un angulo oblicuo

Confirmacin de beneficios al implementar backfill y estabilizacin de pilares

Metodos de Mitigacin de Rockburst

Ajustando razones de extraccin de mineral, razones de avance de frente, secuencias mineras

Desconfinamiento de esfuerzos (de-stressing) Pre-condicionado Uso de informacin de monitoreo ssmico Instrumentacin Diseando e implementando un sistema de soporte para las

condiciones del rockburst

En addicin a unos ya mencionados, los siguientes metodos de

mitigacin son practicados en la industria:

Razon de extraccin de mineral, secuencia minera, y razn de avance de

la frente

Regularizando razones de extraccin de mineral y secuencias mineras mediante

Planificacin minera cuidadosa, diseo, y operacin

Controlando cantidades y razones de extraccin

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

De-stressing and Pre-condicionando

De-stressing

Pre-conditioning

Monitoreo Ssmico

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

Redes de monitoreo ssmicos pueden Localizar eventos ssmicos ademas pueden ser usados para

cordinacin de operaciones de rescate en caso de rockburst

Permiten la identificacin de estructuras sismicamente activas

Muestran como las condiciones estan cambiando con el tiempo, effecto de la razn de extraccin 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 ssmicos

Ejemplo de monitoreo ssmico 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 produccin

Cambio de la localidad de los eventos

ssmicos con continuo desarrollo

Otro monitoreo e instrumentacin

Sistemas de monitoreo mas comunes:

Inspecciones de campo (100%), Mediciones de desplazamiento local (82%), Monitoreo ssmico (64%), Reflectometra en el tiempo (64%), Medidas convergentes (36%), y Observaciones de sondajes (36%).

Consideraciones de soporte del Rockburst

Resistencia de Soporte Estatica

Dynamica

Contencin (screening, areal coverage) Yieldability (Absorcin de la capacidad de energa)

Shaking (sacudida) Ejection (projeccin)Bulking

Supporte de diseo: Carga estatica

Soporte requerido de

resistencia

Rs > h

: Peso unitario

h: grossor del bloque

Diseo de Soporte: Carga Dinamica

2

d

2

d

mv2

1E

:sidewallsFor

mv2

1mgdE

:roofFor

Energa 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

acceleracin gravitacional.

Yieldability (Absorcin de capacidad de energa)

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 diseo de soporte

Los requerimientos del sistema de soporte mas crtico para las condiciones de rockburst son

Capacidad de absorcin de energa 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 proteccin cada de suelo

El sistema de soporte puede tener un adecuado yielding (absorcin) y carastersticas de visual areal completa

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

Desarrollando una base de datos en alturas de cada de roca y el funcionamiento del sistema de soporte puede ayudar enormemente en el diseo efficente del sistema de soporte

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

Creacin 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 cada estadistica del suelo Ultimo, pero no menos importante, estrategias de prevencin de accidentes de cada de suelo

pueden no ser exitisos sin la provisin 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 diseo,

implementacin, y mantenimiento de los

metodos de mitigacin del rockburst

mencionados aqu.

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

Participacin en el proceso del diseo mediante el trabajo cercano con la gerencia mina, planeando y unidades de produccin

Desarrollando excavaciones y diseo de sistema de soporte de tipo de roca especfica para diferentes sectores de la mina

Recoleccin 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 evaluacin de riesgos basados en el dato de accidentes

Obteniendo e instalando instrumentos (incluyendo redes de monitoreo ssmicos) 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 mitigacin 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 Creacin de remanentes

Diseos considerando pilares

Exponiendo servicios de excavaciones a altos stresses

Dejando braquetas de pilares alrededor de fallas activamente ssmicas Acercandose a fallas en angulos oblicuos Explotacin lejos de las fallas Regularizando la razn de extraccin de mineral, secuencia minera, y razn de avance

de la frente

De-stressing Pre-conditiocionando Monitoreo de ssmos inducidos por la minera Implementando sistema de soporte con adecuada holgura y capacidades de screening Mantencin de un departamento de mecanica de rocas bien entrenado y con recursos

Fin

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