DOCENTE: ING. GUILLERMO RODRÍGUEZ CAYLLAHUA · análisis de los datos regionales que contribuyeron...
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TESINA DE SUSTENTACIÓN DE DIPLOMADO TSD CURSO DIPLOMADO DE GEOMECÁNICA SUBTERRÁNEA Y SUPERFICIAL PROYECTO ESTUDIO DE ESTABILIDAD Y TENSIONES IN SITU EN LA EXTRACCIÓN DE ORO EN LA MINA CUIABÁ, MUNICIPIO DE SABARÁ / MG - BRASIL ALUMNO: SANDRA BITTENCOURT MIYABUKURO DOCENTE: ING. GUILLERMO RODRÍGUEZ CAYLLAHUA RIO GRANDE DO SUL - BRASIL, SEPTIEMBRE DE 2018
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TESINA DE SUSTENTACIÓN DE DIPLOMADO
TSD
CURSO
DIPLOMADO DE GEOMECÁNICA SUBTERRÁNEA Y
SUPERFICIAL
PROYECTO
ESTUDIO DE ESTABILIDAD Y TENSIONES IN SITU EN
LA EXTRACCIÓN DE ORO EN LA MINA CUIABÁ,
MUNICIPIO DE SABARÁ / MG - BRASIL
ALUMNO: SANDRA BITTENCOURT MIYABUKURO
DOCENTE: ING. GUILLERMO RODRÍGUEZ CAYLLAHUA
RIO GRANDE DO SUL - BRASIL, SEPTIEMBRE DE 2018
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Resumen Ejecutivo
El estudio de las tensiones in situ realizado en este trabajo se basó en la norma
publicada por la International Society of Rock Mechanics (ISRM) en el año
2012 en que su metodología se basa en diversas etapas a seguir para
consolidar un modelo de tensiones in situ para una región dada.
La mina Cuiabá ubicada en la región norte del Cuadrilátero Ferrífero tiene sus
actividades de labranza subterráneas datadas desde el año 1985 y sirvió de
modelo para aplicación de la norma, ya que varias informaciones sobre tensión
estaban disponibles. Se utilizaron en este estudio datos geológicos,
topográficos, testimonios de sondeo, agujeros de ventilación, parámetros de
laboratorio y resultados de ensayos de tensión in situ. Diversos métodos para
estimar las tensiones in situ se consideraron como ensayo de sobrefura como
método directo y las ocurrencias de discing y los breakouts en excavaciones
circulares como indirectas. La primera etapa de la disertación siguió con el
análisis de los datos regionales que contribuyeron a la comprensión y
clasificación preliminar del campo de tensiones en que la mina está insertada.
Los litotipos y la estructural del área fueron analizados, además del resultado
de ensayos de compresión uniaxial y condiciones de los macizos rocosos.
Se levantaron furos en una de las galerías de la mina siendo que parte de
estos presentan saltos diametralmente opuestos a lo largo de sus paredes. Se
verificó la posibilidad de que estas rupturas sean indicadores de la orientación
de las tensiones como breakouts clásicos. Se realizaron ensayos de
sobrefuramiento en el año 2004 en los niveles 12 y 14 de la mina en las
profundidades 800m y 933m, respectivamente. Los furos de sondeo en la mina
Cuiabá tienen se registraron diversos intervalos con las ocurrencias de discings
en sus rocas de carácter rúptil desde 2008. Se han detallado diversas
características de los discings que incluyen forma, espesor, distribución
espacial y otras con la intención de que éstos fueran empleables en el
conocimiento de las tensiones in situ. Todos los datos fueron interpretados y
validados para consolidar el conocimiento del campo de tensiones de la mina.
Palabras claves: tensiones in situ, breakouts, discing.
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Abstract
The study of the in situ stresses carried out in this work was based on the
standard published by the International Society of Rock Mechanics (ISRM) in
2012, in which its methodology is based on several steps to follow to
consolidate a stress model in situ for a given region.
The Cuiabá mine located in the northern region of the Ferrifero Quadrilateral
has its underground tillage activities dated from 1985 and served as a model for
application of the standard, since several information on stress were available.
Geological, topographic, testimony, ventilation holes, laboratory parameters and
results of in situ stress tests were used in this study. Several methods to
estimate in situ stresses were considered as an overfill test as a direct method
and the occurrences of discing and breakouts in circular as well as indirect
excavations. The first stage of the dissertation continued with the analysis of the
regional data that contributed to the understanding and preliminary classification
of the stress field in which the mine is inserted. The lithotypes and the structural
of the area were analyzed, in addition to the results of uniaxial compression
tests and conditions of the rock masses.
Furos were raised in one of the galleries of the mine being that part of these
have diametrically opposed jumps along their walls. The possibility was verified
that these ruptures are indicators of the orientation of tensions as classic
breakouts. Overfill tests were conducted in 2004 at levels 12 and 14 of the mine
at depths of 800m and 933m, respectively. The drilling furos in the Cuiabá mine
have recorded several intervals with the occurrences of discings in their rocks of
rustic character since 2008. Various characteristics of the discings have been
detailed, including form, thickness, spatial distribution and others with the
intention that these were employable in the knowledge of the tensions in situ. All
the data were interpreted and validated to consolidate the knowledge of the field
of tensions of the mine.
Keywords: in situ stress, breakouts, discing.
4
INDICE
Resumen Ejecutivo ............................................................................................ 2
Abstract ............................................................................................................. 3
Capítulo 1: Introducción ..................................................................................... 9
Capítulo 2: Metodología de estudios ................................................................ 11
2.1. Planteamiento del problema...................................................................... 11
2.2. Objetivos ................................................................................................... 12
2.2.1. Objetivos Generales ............................................................................... 12
2.2.2. Objetivos Específicos ............................................................................. 12
2.3. Justificación .............................................................................................. 12
2.4. Ubicación .................................................................................................. 13
2.4.1 Aspectos generales de la Mina Cuiabá ................................................... 13
2.5. Geología ................................................................................................... 15
2.5.1. Geología Regional ................................................................................. 15
2.5.2. Geología Local ....................................................................................... 16
2.5.3. Geología Estructural .............................................................................. 18
2.6. Geotécnia ................................................................................................. 22
Capítulo 3: Marco teórico ................................................................................. 25
3.1 Estudio de las tensiones in situ en macizos rocosos .................................. 27
3.1.1 Tensões Verticais e Horizontais .............................................................. 27
3.1.2 Clase de tensiones.................................................................................. 29
3.1.3 Mapa Mundial de Tensiones ................................................................... 30
3.1.4 Factores capaces de influenciar las tensiones in situ .............................. 32
3.1.4.1 Topografia ............................................................................................ 32
3.1.4.2 Geologia .............................................................................................. 33
3.1.5 Determinación de las tensiones in situ .................................................... 36
3.1.5.1 Métodos de alivio (Sobrecalentamiento - Overcoring) .......................... 37
3.1.5.2 Métodos hidráulicos ............................................................................. 40
3.1.5.3 Métodos de alivio de superficie (Flat Jack) ........................................... 41
3.1.5.4 Breakout .............................................................................................. 41
3.1.5.5 Discing ................................................................................................. 44
5
Capítulo 4: Investigaciones básicas ................................................................. 46
4.1. Caracterización del macizo rochoso en la Mina Cuiabá ............................ 46
4.1.1 Índice Q de calidad de la roca ................................................................. 46
4.1.2 Sistema RMR .......................................................................................... 47
4.1.3. Sistema RMR ......................................................................................... 49
4.1.4. Parámetros geomecánicos ..................................................................... 49
4.2. Análisis de la topografía ............................................................................ 51
4.3. Análisis de los ensayos de tensión in situ ................................................. 52
Capítulo 5: Metodología de análisis ................................................................. 58
5.1 Análisis de los resultados ........................................................................... 58
5.1 Análisis de modelos numéricos anteriores ................................................. 63
5.2 Breakout .................................................................................................... 65
5.2.1 Localización de los orificios de ventilación estudiados ............................ 67
5.2.2 Metodología ............................................................................................ 67
5.2.3 Ocurrencia de los orificios de ventilación con rotura ............................... 69
5.2.4 Método analítico para determinação do K horizontal (KH*) ...................... 71
Capítulo 6: Resultados ..................................................................................... 76
Capítulo 7: Conclusiones y Recomendaciones ................................................ 80
Bibliografía ....................................................................................................... 83
Anexos ............................................................................................................. 88
INDICE DE CUADROS
Tabela 1 - Clasificación según el sistema Q de Barton para dominios
geotécnicos de la Mina Cuiabá ........................................................................ 47
Tabela 2 - Ranqueamiento de las litologías típicas de Cuiabá, según el sistema
RMR de Bieniawski .......................................................................................... 48
Tabela 3 - Parámetros geomecánicos para los litotipos de la mina Cuiabá. ..... 49
Tabela 4 - Constantes del criterio de Hoek-Brown (2002) estimadas para los
litotipos. ........................................................................................................... 50
Tabela 5 - Datos de los agujeros realizados para la prueba de
sobrecalentamiento. ......................................................................................... 53
Tabela 6 - Estructuras levantadas en los agujeros de sondeo para cada
muestra recogida. ............................................................................................ 54
6
Tabela 7 - Módulo Elástico y de Poisson obtenidos de los ensayos con testigos
hollow. ............................................................................................................. 57
Tabela 8 - Lecturas de deformaciones obtenidas en los ensayos. ................... 58
Tabela 9 - Furos de ventilación con desgloses analizados para la evaluación
del KH*. ............................................................................................................ 72
Tabela 10 - Resultado para el valor de KH * a partir de las saltos en 4 orificios
de ventilación. .................................................................................................. 73
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Ubicación de la mina Cuiabá (Fuente: Anglogold Ashanti) .............. 13
Figura 2 - Sección vertical esquemática de la mina Cuiabá con representación
de sus accesos (rampas y pozo), niveles desarrollados / proyectados y áreas
labradas. (Fuente: Anglogold Ashanti) ............................................................. 14
Figura 3 - Esbozo geológico regional del Cuadrilátero Ferrífero y correlación
con el Cratón (Fuente: Lana, 2004) ................................................................. 16
Figura 4 - Sección en planta del nivel 11 (730m debajo del collar del eje)
discriminando los los cuerpos de mineral, de los cuales Balancón, Galinheiro,
Fuente Grande Sur y Serrotinho están actualmente en producción (Fuente:
Anglogold Ashanti, 2017) ................................................................................. 17
Figura 5 - Vista isométrica de los campos de labranza de los cuerpos FGS y
SER, entre los niveles N9 y N16, profundidad de 650 y 1200 m,
respectivamente (Fuente: Anglogold Ashanti). ................................................. 18
Figura 6 - Dobra tubular con representación isométrica de los paquetes de BIF
(Fuente: Miyabukuro,2018). ............................................................................. 19
Figura 7 - Muestra el eje de los pliegues, con un suave suave a moderado de
20 ° -35 ° / 130 ° -160 ° (Fuente: Miyabukuro, 2018) ........................................ 19
Figura 8 - Estereogramas de contorno con patrones estructurales de la mina
Cuiabá. (Sb + S2), foliación (S3) y eje de pliegue (L2_1). Estereogramas
generados en el programa DIPS (RocScience) (Fuente: Miyabukuro, 2018) ... 22
Figura 9 - Propuesta para la concepción del modelo final de tensiones de una
región (Fuente: Stephansson e Zang, 2012). ................................................... 26
Figura 10 - Variación de k con la profundidad. Siendo k igual a KHa (Fuente:
Windsor, 2003, citado en Brady y Brown, 2004). ............................................. 28
Figura 11 - Clasificación de los tipos de tensiones en tres niveles jerárquicos
(Fuente: Stephansson e Zang, 2012). .............................................................. 29
Figura 12 - World Stress Map 2016 – America Latina (Fuente: Heidbach, O.,
Rajabi, M., Reiter, K., Ziegler, M. (2016)). ........................................................ 31
Figura 13 - Tensiones en un macizo rocoso en lugar de topografía compleja
con valles y (Fuente: Amadei y Stephansson, 1997)........................................ 32
Figura 14 - Tensiones en materiales homogéneos, anisotrópicos y
heterogéneos (Fuente: Stephansson y Zang, 2012). ....................................... 34
7
Figura 15 - La influencia de los pliegues en la roca heterogénea y en capas en
tensiones verticales (Fuente: Goodman, 1989). ............................................... 35
Figura 16 - La influencia de los pliegues en la roca heterogénea y en capas en
tensiones verticales (Fuente: Goodman, 1989). ............................................... 35
Figura 17 - Secuencia del ensayo de sobrecalentamiento (Fuente: Sjöberg et
al., 2003). ......................................................................................................... 38
Figura 18 - Amostra coletada no último estágio do ensaio de sobrefuração.
Destaca-se a região central de menor diâmetro (furo piloto) onde é instalada a
célula antes da sobrefuração (Fuente: Dyskin, [200-]). .................................... 39
Figura 19 - Representación esquemática del ensayo de fractura hidráulica
(Fuente: Halgeir, 2005). ................................................................................... 40
Figura 20 - Registro óptimo teórico de las presiones durante el ensayo de
fractura hidráulica (Fuente: Halgeir, 2005). ...................................................... 41
Figura 21 – Concentración de tensión alrededor de un agujero circular, con
límites de las zonas de ruptura en las regiones de color negro y propagación de
saltos indicados por los puntos de registros sísmicos (Fuente: Brady y Brown,
2004). .............................................................................................................. 42
Figura 22 - Breakout con formación de saltos del tipo de perro (dog earing)
(Fuente: Dyskin [200-]). ................................................................................... 42
Figura 23 - Etapas de formación del breakouts (Fuente: Ljunggren et al.
(2003)). ............................................................................................................ 43
Figura 24 - Ejemplo típico de la ocurrencia de discing en testimonio de sondeo
con 45mm de diámetro. Los intervalos de 0 a 2 indican una variación creciente
del grosor de los discings. (Fuente: Lim y Martin, 2010). ................................. 44
Figura 25 - BIF no sulfurada (A) y sulfetada, BIFS, (B). ................................... 50
Figura 26 - Mapa topográfico de Mina Cuiabá (Fuente: Trópia, 2013). ............ 52
Figura 27 – Testimonios de sondeo de metavulcanoclas (XS), Agujero 1
realizado en el nivel 12 (Fuente: Trópia, 2013). ............................................... 54
Figura 28 - Testimonios de sondeo de BIF, Agujero 2 realizado en el nivel 14
(Fuente: Trópia, 2013). .................................................................................... 54
Figura 29 - Principales familias de discontinuidades frágiles (Fracturas) que se
han asignado en los puntos 87, 88, 89 y 90 (según Anexo II) (Fuente:
Miyabukuro, 2018). .......................................................................................... 55
Figura 30 - Ejemplo de distribución de tensión alrededor de una excavación
circular, siendo σθθ la tensión tangencial, σrr tensión radial y p tensión vertical u
horizontal (Fuente: Brady y Brown, 2004). ....................................................... 56
Figura 31 - Cambio en la orientación de las tensiones in situ debido al diferente
valor del módulo de Young entre materales (Fuente: Hudson y Cooling, 1988).
........................................................................................................................ 61
Figura 32 - Estereograma con representación de la actitud de la BIF y las
orientaciones de las tensiones principales, σ1 y σ2. Se observa que σ1 es
8
aproximadamente ortogonal a la actitud de BIF y σ2 paralela a ésta (Fuente:
Miyabukuro, 2018). .......................................................................................... 62
Figura 33 - Variación de KHa con la profundidad. El valor estimado para KHa
estaría cerca de la curva límite a la derecha (Fuente: Brady y Brown, 2004). .. 63
Figura 34 - a) Sección con representación esquemática de la zona de rotura; b)
Agujero de ventilación subvertical con quiebra en el nivel 14 de la mina Cuiabá,
(Fuente: modificado de Barbosa, 2011). .......................................................... 64
Figura 35 - Resultados de los modelos numéricos construidos en el programa
MAP3D. a) Tensión principal máxima en el modelo. b) Deformación total,
destaque para la profundidad de 20 cm de rotura más allá del radio original del
agujero, (Fuente: Barbosa, 2011). ................................................................... 65
Figura 36 - muestra un ejemplo de orificio de ventilación observado en mina
Cuiaba con aparición de ruptura (Fuente: Anglogold Ashanti, 2017). ............... 66
Figura 37 - Parámetros medidos en las saltos de desglose, modificado de
Zoback et al. (1985). ........................................................................................ 68
Figura 38 - Furos de ventilación con y sin saltos analizados. En la figura se
identifican algunos agujeros sin saltos (Fuente: Miyabukuro, 2018). ................ 70
Figura 39 - Furos con roturas y representación de la dirección de la tensión
principal estimada para el nivel 12, azimut 188º y para el nivel 14, azimut 311º
(Fuente: Miyabukuro, 2018). ............................................................................ 71
Figura 40 - Razón entre las tensiones horizontales frente al radio del
desglosado normalizado. Δp representa la presión del material. (Fuente:
Zoback et al., 1985). ........................................................................................ 73
Figura 41 - Furo de 2 "para detonación con saltos diametralmente opuestos con
destaque para la región en que los planes de la foliación sufrieron ruptura de su
estructura en el macizo rocoso. En la parte superior del agujero, a pesar de la
ruptura de su pared el envoltorio todavía sostiene parte de sus planes de
foliación. (Fuente: Miyabukuro,2018). .............................................................. 74
Figura 42 - Representación esquemática de la probable trayectoria de las
tensiones in situ en la mina Cuiabá. (Fuente: Miyabukuro,2018). .................... 78
9
Capítulo 1: Introducción
Las secuencias del tipo "greenstone belts" están formadas por rocas volcánicas
y sedimentarias, en general de edad arqueana, y afectadas por metamorfismo
de bajo grado. Las secuencias del tipo greenstone belts albergan expresivos
depósitos de oro en regiones cratónicas de diversos países (De WIT, 1997).
En Brasil, el Greenstone Belt Rio das Velhas, en gran parte ubicado en la
región del Cuadrilátero Ferrífero, Estado de Minas Gerais, es el más importante
distrito aurífero del país, con una producción estimada de 30 millones de onzas
(GOLDFARB et al., 2001) .
Las tensiones in situ se derivan del peso del material sobrecogedor, del
confinamiento (tectonismo) y de la historia de tensiones de la roca
(cargamentos, descargas).
El conocimiento de la geomecánica es indispensable en la explotación minera y
su estado de tensión en la corteza terrestre es fundamental para el
entendimiento de los mecanismos de falla involucrados en la sismicidad
naturales o inducidas (terremotos), la producción de pozos de petróleo, el
dimensionamiento de excavaciones subterráneas, la optimización de métodos
de explotación y la extracción de fuentes de energía geotermales, entre otros.
La importancia del conocimiento de las tensiones in situ se explica porque el
estado de tensiones influye en la resistencia, la deformabilidad y la
permeabilidad del macizo rocoso y también la generación de estallido en las
rocas (rockburst).
En los proyectos de mina subterránea en especial, el entendimiento del campo
de tensión in situ es fundamental, ya que éstos requieren, directamente o como
dado de entrada, la orientación y magnitud de las tensiones para el
dimensionamiento de las excavaciones subterráneas a largo o corto plazo,
desarrollo de modelos numéricos, diseño de soporte y refuerzo de
excavaciones, determinación de métodos de secuenciación de explotación,
previsión de rockburst, entre otros. Además, la continua búsqueda por el mejor
uso y aprovechamiento de los recursos naturales y de los espacios
subterráneos también exige que se tenga un mayor entendimiento de las
tensiones in situ para un dimensionamiento correcto y no costoso de las
excavaciones.
En la región del Cuadrilátero Ferrífero, en Minas Gerais, innumerables
depósitos auríferos fueron y todavía son labrados por métodos de explotación.
Experiencias en otras minas que ya alcanzaron grandes profundidades en esa
región, como la mina Velha perteneciente a la antigua minera inglesa Morro
Velho, indicaron que el estado de las tensiones influenciaron sobremanera el
10
comportamiento de los macizos rocosos, siendo un factor determinante para la
viabilidad de la explotación mineral en niveles a grandes profundidades. La
continuidad de los trabajos mineros en la mina Cuiabá y la minimización de los
riesgos geotécnicos dependerán en gran parte del entendimiento de las
tensiones in situ existentes en esa y consecuentemente del comportamiento
geomecánico de los macizos rocosos en profundidad.
11
Capítulo 2: Metodología de estudios
El presente estudio se realiza en la mina Cuiabá, localizada en la porción norte
del Cuadrilátero Ferrífero, municipio de Sabará, Minas Gerais. Considerada
una de las más importantes minas subterráneas de oro de Brasil, la mina
Cuiabá, propiedad de AngloGold Ashanti Corriente del Sitio Minería, se
encuentra actualmente con excavaciones a más de 1.500 metros de
profundidad.
Ribeiro-Rodrigues et al. (2007) relatan que las primeras evidencias de
actividad minera en la región de Cuiabá datan de antes de 1740, cuando los
exploradores Portugués parte arado de los depósitos superficiales.
Entre los años 1877 y 1940, la mina operó intermitentemente, después de
haber sido adquirida por la empresa British St. John Del Rey Mining Co. En
1977, la Minería Morro Velho S.A. adquirió la mina y, en 1985, inició su
producción subterránea. Finalmente, en el año 1998, AngloGold Ashanti se
convirtió en propietaria de Cuiabá.
Actualmente, la mina se encuentra con más de un centenar de kilómetros de
excavaciones, con profundidades superiores a 1500m y diversas evidencias
geomecánicas de la actuación de las tensiones in situ en sus excavaciones.
2.1. Planteamiento del problema
La evidencia de la actuación de las tensiones en la región de la mina Cuiabá es
la presencia en los testimonios de sondeo de hechos conocidos como discing,
o "empastado". La geometría de esta estructura puede ser aplicada en el
estudio de las tensiones in situ para estimación de la orientación y magnitud de
sus componentes. Las facciones de discing en los testimonios pudieron ser
analizadas en relación a su forma, a los litotipos que están asociados, a la
profundidad ya las facciones estructurales geológicas. Así, la aplicación de
estos en la estimación de las tensiones in situ también fue evaluada.
Los ensayos directos son indicaciones a veces puntuales del campo de
tensiones in situ que no siempre se pueden expandir a todas las áreas de una
mina subterránea. El campo de tensiones in situ es controlado por factores
múltiples y, aunque un patrón general sea usualmente adoptado para una
región, se debe siempre buscar una representación y comprensión más
detallada de esas tensiones. En suma, la posibilidad de estimar el campo de
tensiones in situ en diferentes lugares y profundidades con métodos más
prácticos y menos onerosos que tampoco sean puntuales como los
12
convencionales (sobrefura, por ejemplo) apoyó y objetivó varias finalidades de
ese estudio.
2.2. Objetivos
2.2.1. Objetivos Generales
La presente tesina propone establecer un estudio de las tensiones in situ para
la mina Cuiabá a partir del análisis de datos levantados y ensayos de campo.
2.2.2. Objetivos Específicos
Se pretende, esencialmente, evaluar y comparar métodos directos y
convencionales de determinación de tensión in situ con otros métodos
indirectos y indicativos, como discing y breakout.
Los resultados obtenidos por los ensayos de campo se evaluaron y, junto con
otros datos, contribuyeron a entendimiento de las tensiones en la mina.
A partir de la afirmación de Amadei y Stephansson (1997) que los datos de
breakouts son valiosos indicadores para la orientación de las tensiones in situ,
se pretendió evaluar tales los fenómenos observados en la mina con el objetivo
de:
Validar el uso o no de los breakouts en la mina Cuiabá para estimar las
tensiones in situ;
Determinar la orientación de las tensiones horizontales en diferentes
lugares de la mina;
Determinar el valor KH y Kh entre las tensiones horizontales y verticales;
Estudiar la influencia de los tipos litológicos y sus estructuras en la
formación de los breakouts;
2.3. Justificación
En los proyectos de mina subterránea en especial, el entendimiento del campo
de tensión in situ es fundamental, ya que estos requieren, directamente o como
dado de entrada, la orientación y magnitud de las tensiones para el
dimensionamiento de las excavaciones subterráneas de largo o corto plazo,
desarrollo de modelos numéricos, diseño de soporte y refuerzo de
excavaciones, determinación de métodos y secuenciación de labranza,
previsión de rockburst, entre otros. Además, la continua búsqueda por el mejor
13
uso y aprovechamiento de los recursos naturales y de los espacios
subterráneos también exige que se tenga un mayor entendimiento de las
tensiones in situ para un dimensionamiento correcto y no costoso de
excavaciones.
2.4. Ubicación
El Depósito Cuiabá, objeto de estudio de este trabajo, es un yacimiento de oro
operado en mina subterránea por la AngloGold Ashanti de Brasil. Se localizan
en la porción norte del Cuadrilátero Ferrífero, municipio de Sabará, Minas
Gerais, distante 40 km de la capital, Belo Horizonte (Figura 1).
Figura 1 – Ubicación de la mina Cuiabá (Fuente: Anglogold Ashanti)
2.4.1 Aspectos generales de la Mina Cuiabá
Considerada una de las más importantes minas subterráneas de oro de Brasil,
la mina Cuiabá, propiedad de AngloGold Ashanti Corriente del Sitio Minería, se
encuentra actualmente con excavaciones a más de 1.000 metros de
profundidad.
Ribeiro-Rodrigues et al. (2007) reportaron que la primera evidencia de la
actividad minera en Cuiabá región se remontan a 1740, cuando los
exploradores portugueses aran parte de los depósitos superficiales.
14
Entre los años 1877 y 1940, la mina operó intermitentemente, después de
haber sido adquirida por la empresa British St. John Del Rey Mining Co. En
1977, la Minería Morro Velho S.A. adquirió la mina y, en 1985, inició su
producción subterránea. Finalmente, en el año 1998, AngloGold Ashanti se
convirtió en propietaria de Cuiabá.
Actualmente, la mina Cuiabá ya posee el desarrollo de sus rampas de acceso a
más de 1000m de profundidad. Los principales métodos de labranza utilizados
son el Corte y llenado y el sublevel Stoping. En menor proporción, algunas
áreas ya fueron labradas con cámaras y pilares.
La mina opera con paneles de labranza con altura vertical de 66m hasta el nivel
9, de 44m entre los niveles 9 y 11 y, a partir del nivel 11, se tiene alturas de
panel de 33m para el cuerpo Fuente Grande Sur y de 60m para el cuerpo
Serrotinho, Figura 3.
El aceso a la mina es hecho por un solo pozo vertical (eje) desde la superficie,
o por rampas desde el nivel 3, Figura 3.
Figura 2 - Sección vertical esquemática de la mina Cuiabá con representación de sus accesos (rampas y pozo), niveles desarrollados / proyectados y áreas labradas. (Fuente: Anglogold
Ashanti)
15
2.5. Geología
Se presentan a continuación las características principales del macizo rocoso
relativo a la geología regional, estructural y local de Mina, así como algunos
detalles de la petro-hidrotermalismo de la región, sabiendo que los procesos
geológicos e intempéricos allí que se han encontrado en una gran variedad de
materiales naturales.
2.5.1. Geología Regional
El Cuadrilátero Ferrífero, donde se inserta la Mina Cuiabá, comprende un área
de 7200km², ubicada en la porción centro-sur del estado de Minas Gerais. En
consecuencia de sus grandes depósitos minerales, la región ha sido objeto de
varios estudios e investigaciones geológicas desde el siglo XVIII. En el contexto
geotectónico, el Cuadrilátero Ferrífero se sitúa en la porción meridional del
Cráton São Francisco y representa un núcleo cratónico estabilizado al término
del Ciclo Brasiliano, con un núcleo más antiguo y mayor, denominado de
Cráton Paramirin (Almeida, 1981).
La región se compone de tres grandes unidades lito-estratigráficas. La primera
está formada por el Complejo Metamórfico que contiene el embasamiento
cristalino. A continuación, hay secuencias vulcano-sedimentarias del tipo
Greenstone Belt, representadas por el Supergrupo Rio das Velhas. Por último,
sobrepuesta discordante a las otras dos, viene la unidad que constituye las
secuencias plataformas del proterozoico inferior, que corresponden al
Supergrupo Minas, Grupo Sabará y Grupo Itacolomi, superpuestas por
coberturas sedimentarias más recientes, que constituyen las Cuencas del
Gandarela y Fonseca (Zenóbio) , 2000).
El Cuadrilátero Ferrífero, por lo tanto, presenta gran complejidad estructural,
como resultado de varios eventos de deformación que transformaron las capas
metassedimentares en conjuntos de grandes anticlinas y sinclinales,
complicados por inversiones de capas y fallos de empuje. La Figura 2 destaca
varias de estas estructuras principales, además de dos grandes sistemas de
fallas.
16
Figura 3 - Esbozo geológico regional del Cuadrilátero Ferrífero y correlación con el Cratón (Fuente: Lana, 2004)
2.5.2. Geología Local
La mineralización de la Mina Cuiabá está asociada esencialmente a un único
nivel de formación ferrífera que se inserta en una secuencia máfica de la parte
inferior del Grupo Nova Lima. Las rocas máximas encajadas de las
mineralizaciones auríferas están bien modificadas por la percolación de fluidos
hidrotermales, generando, desde fuera hacia adentro, zonas concéntricas de
cloritización, carbonatación y sericitización. Los cuerpos de mineral están
constituidos, en su mayoría, por sulfuros macizos, bandados o diseminados en
la BIF, excepto por aquellos que constituyen vetas y pequeñas vénulas de
cuarzo en las zonas de sericitización con sulfuro diseminado. En general, el oro
está incluido en los bordes de los granos de pirita en forma de inclusiones ya lo
largo de fracturas y contactos de los granos, siendo que su precipitación está
íntimamente relacionada a las reacciones de interacción fluido-roca.
Las bandas de alteración en la roca mala presentan espesores centimétricos a
métricas con contactos graduales de difícil individualización en el campo.
Normalmente, se observa el paso lateral de zonas de sericitización para zonas
de cloritización y carbonatación. Las bandas más gruesas están
17
individualizadas en los mapas de muestreo, así como en la Figura 4,
constituida por:
metabasalto / andesito xistoso (MANX) - zona de cloritización;
sericita-plagioclásio-carbonato xisto (X2CL) - zona de carbonatación;
quartz-carbonato-sericita-xisto (X2) - zona de sericitización.
Los cuerpos de mineral tienen dimensiones que varían entre 0,5 a 15 m de
espesor, teniendo en la base los basaltos sericitizados (X2), a veces los
metapelitos (X1) y, en la parte superior, una capa de filito grafito (FG). La
extensión longitudinal o el golpe de estos cuerpos varía de 10 a 300 m; a lo
largo del plunge, se sabe, actualmente, que la reserva va hasta el nivel N21, a
unos 1400 m de profundidad. En la actualidad, se siguen realizando campañas
de sondeo que pueden indicar la continuidad en niveles aún más profundos.
Figura 4 - Sección en planta del nivel 11 (730m debajo del collar del eje) discriminando los los
cuerpos de mineral, de los cuales Balancón, Galinheiro, Fuente Grande Sur y Serrotinho están actualmente en producción (Fuente: Anglogold Ashanti, 2017)
Son cuatro los cuerpos principales de mineral: Serrotinho (SER), Fonte Grande
Sur (FGS), Galinero (GAL) y Balancón (BAL). Los cuerpos de mineral SER y
FGS son los más importantes para la empresa, pues de ellos se recuperan
cerca del 70% de toda la producción. La Figura 5 presenta una vista isométrica
con destaque para los dominios de labranza de los cuerpos FGS y SER.
18
Figura 5 - Vista isométrica de los campos de labranza de los cuerpos FGS y SER, entre los niveles N9 y N16, profundidad de 650 y 1200 m, respectivamente (Fuente: Anglogold Ashanti).
2.5.3. Geología Estructural
A nivel local, la estructura geológica de la Mina Cuiabá es un pliegue tubular,
tipo vaina, pero más cerrada, estando esta zona de cierre ya erosionada y
abriéndose en profundidad, conforme a la clasificación de pliegues cónicos de
Skijernaa (1989). Su evolución estructural es explicada como consecuencia de
los efectos de plegamiento impuestos a un pliegue no cilíndrico deformado por
un cizallamiento posterior, siendo el eje mayor del doblado subparalelo a la
dirección del cizallamiento (Vieira, 1991b y Toledo, 1997). La dirección de
estiramiento es, por lo tanto, coincidente con el eje de plegado, teniendo 125 /
36º en superficie y tendiendo a tornarse horizontal en profundidad. La foliación
es subalápica al acamamento; a lo largo de ella, se desarrollaron calizas, que
se convirtieron en conductos para la ascensión de los fluidos hidrotermales. La
estructura tubular se extiende en profundidad, los cuerpos de mineral tienden a
aumentar sus áreas de labranza hacia los niveles más profundos, con
disminución de los niveles auríferos (Figura 5).
19
Figura 6 - Dobra tubular con representación isométrica de los paquetes de BIF (Fuente:
Miyabukuro,2018).
Holcombe y Coughlin (2003) también interpretar la estructura de Cuiabá puede
ser el resultado de una flexión que ha sido replegado, pero con geometría
(curvas) y la dirección del movimiento de los diferentes transporte Vieira (2000),
como se muestra en la figura 7.
De acuerdo con Vial (1988), Toledo (1997) y Xavier et al. (2000), se
caracterizaron tres posibles eventos de deformación sucesivos, generados por
esfuerzos compresivos en el macizo que comprende la región de la mina.
Figura 7 - Muestra el eje de los pliegues, con un suave a moderado de 20 ° -35 ° / 130 ° -160 °
(Fuente: Miyabukuro, 2018)
20
De acuerdo con Vial (1988), Toledo (1997) y Xavier et al. (2000), se
caracterizaron tres posibles eventos de deformación sucesivos, generados por
esfuerzos compresivos en el macizo que comprende la región de la mina.
Durante el primer evento, se desarrollaron plegados cerrados de gran tamaño
amplitud, con una foliación paralela al acamamiento en el sentido de SE para
NE. La principal estructuración de la mina fue generada en este evento, donde
se observa un gran anticlinal en el flanco sur con secuencia normal; en el
flanco norte, la misma secuencia aparece invertida. En este evento, la foliación
desarrollada es difícil de observar. Se observa que hubo intensa transposición,
observándose, localmente, zonas de cizalla discretas, paralelas al
acamamiento. Probablemente, tales zonas representan resortes inter e
intraestratais, desarrollados en las etapas iniciales de deformación.
El segundo evento deformativo desarrolló doblamientos isoclines de menor
amplitud, con separación de transposición y eje de plegado paralelo a la
linealización mineral. Las estructuras generadas en este segundo evento
revelan una deformación cizante con distribución heterogénea y progresiva. Se
generaron empujones que reflejan esfuerzos tectónicos en el sentido de SE
para NE y doblamientos de variadas magnitudes. Las observaciones
efectuadas en el subsuelo indican que los dos sistemas de fallos principales,
apuntados por Vial (1988), se desarrollaron en el segundo evento deformativo.
El tercer evento de deformación se caracteriza por un conjunto de estructuras
de carácter compresivo y orientación general NS. Estas estructuras deformaron
las facciones planares y lineales preexistentes, habiendo sido generadas en
niveles más bajos de la corteza. En ese momento, la foliación presenta
dirección NS con inmersiones cerca de 40º hacia el este. Próximas a las fallas
de empuje generadas en el evento anterior, se observa la reorientación de la
foliación. La deflexión de la folio de este tercer evento, en dirección a las fallas
de empuje, puede ser indicativa de reactivación de las fallas. Se produjo, en
este evento, la brecha de fractura y la lineación de crenulación.
Sin embargo, independientemente de la edad, secuencia y número de eventos
tectónicos ocurridos, estos fueron responsables de generar en las unidades
litológicas de la mina Cuiabá una folio prominente, milonítica de buceo medio
para SE, Lobato et al. (2001) y otra folio más joven dirección NNE-SWW,
Figura 3.11 (A y B).
De acuerdo con Fernandes y Ribeiro (2013, comunicación verbal), los
plegamientos ocurridos en primer y segundo son reconocidos en la BIF
principalmente, a lo largo de los cuerpos Serrotinho y Fonte Grande Sul. Estos
cuerpos presentan pliegues de escala métrica con actitud hacia sus ejes entre
130º y 160º y buceo medio de 20 a 35º, Figura 8 (C). Estos pliegues se
21
reconocen en diferentes niveles de la mina y pueden ser interconectados por
su plunge. Estos son responsables del espesamiento del paquete de BIF y
duplicación de capa.
22
Figura 8 - Estereogramas de contorno con patrones estructurales de la mina Cuiabá. (Sb + S2), foliación (S3) y eje de pliegue (L2_1). Estereogramas generados en el programa DIPS
(RocScience) (Fuente: Miyabukuro, 2018)
2.6. Geotécnia
Las actividades de mecánica de rocas en la Mina Cuiabá se centraron,
efectivamente, en el combate a los desplazamientos y saltos de las
excavaciones en el macizo rocoso. En esas actividades, se consideraron los
aspectos geotécnicos abajo relacionados:
Clasificación geomecánica del macizo rocoso;
Información geotécnica de las discontinuidades y planes de debilidad;
Propiedades mecánicas de la roca sana y de las discontinuidades
Grandeza y orientación de los campos de tensión pre-labranza e
inducidos por la labranza;
Mecanismos potenciales de ruptura de la roca;
Daños por detonación causados en el macizo rocoso;
Probables desplazamientos y naturaleza del movimiento del macizo;
Posibles efectos sobre áreas de trabajo e instalaciones adyacentes a
realce;
Experiencias del pasado y datos históricos relevantes;
Senderos freáticos y exposición a la atmósfera;
Efectos dinámicos esporádicos (strain-burst).
23
La clasificación geotécnica del macizo rocoso ofrece subsidios para la
definición de parámetros físicos y mecánicos de los ambientes de labranza, con
el propósito de alimentar programas computacionales y otros métodos de
análisis empíricos. La clasificación pretende determinar, por ejemplo, las
dimensiones deseables de las excavaciones, de los pilares horizontales y
verticales, de las chimeneas y de los resaltes, el mejor trazado para galerías y
rampas, así como el sistema de contención adecuado.
Se trata, pues, de una herramienta útil en la determinación de la extensión de
los dominios geotécnicos de la mina, constituyéndose en instrumentos
importantes en la previsión del comportamiento del macizo frente a
determinados tipos de solicitudes. Adicionalmente, las clasificaciones
geotécnicas establecen un lenguaje común entre los técnicos interesados en la
descripción de las propiedades intrínsecas del medio rocoso.
Los métodos de clasificación tienen limitaciones, que incluyen el tipo de
parámetros utilizados en sus cálculos y las clases de fronteras arbitrarias
seleccionadas. Muchas de las técnicas de recolección de datos se basan en
métodos empíricos y cuentan con el grado de experiencia de la persona que la
realiza. El dominio geotécnico corresponde al volumen de roca con
propiedades generales similares a la del macizo rocoso. Las propiedades
geomecánicas que deben considerarse, cuando se define un dominio
geotécnico, incluyen:
• Características de los planes de debilidad, particularmente la
orientación, espaciamiento, persistencia y propiedades de resistencia al
cizallamiento;
• Grado de intemperismo y / o alteración;
• Resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta;
• Comportamiento mecánico y / o módulo de deformación del macizo
rocoso;
• Campo de tensión de la roca (in situ e inducida);
• Permeabilidad / presencia de agua en el macizo rocoso.
Los principales sistemas internacionales de clasificación de macizos rocosos
utilizados en la ingeniería geotécnica se presentan a continuación, algunos de
ellos ya presentan alguna actualización / adaptación:
Rock Quality o Q de Barton (1974);
Rock Mass Ranting o RMR de Bieniawski (1989);
Mining Rock Mass Rating o MRMR de Laubscher (1990);
Geological Strength Índex o GSI de Hoek (1994).
24
La clasificación geomecánica de la Mina Cuiabá se realiza teniendo en cuenta
los principales parámetros referentes a la estabilidad del macizo rocoso,
obtenidos por medio de la descripción de testimonios de sondeo,
observaciones de campo y, principalmente, el mapeo geotécnico. Se utilizan en
Cuiabá los sistemas de clasificación Q de Barton (1974) en comparación con el
Rock Mass Rating (RMR) de Bieniawski (1989), con el objetivo de proporcionar
mayor confiabilidad a la clasificación especificada.
25
Capítulo 3: Marco teórico
La metodología de trabajo adoptada en la tesina tuvo como referencia la quinta
norma sugerida por la International Society of Rock Mechanics, ISRM,
publicada en el año 2012, titulada Suggested Methods for Rock Stress
Estimation - Part 5: Stablishing a model for the in situ stress at. a given site, de
los autores Ove Stephansson y Arno Zang. La quinta norma completa una
secuencia de procedimientos generados por la ISRM en el pasado que
establecen estándares para la determinación de las tensiones in situ con
ensayos directos y controles de calidad para tales mediciones.
Stephansson y Zang (2012) presentan una metodología para construir el
modelo final de tensiones (FRSM, Final Rock Stress Model) de una
determinada área, con una secuencia de etapas a ser conducidas conforme
presentado en la Figura 5.
En la primera fase de los trabajos de la tesina, se levantaron los datos
sugeridos en la norma que compone la primera parte de la Figura 7 como, por
ejemplo, geología, topografía, informaciones de sondeo y de las tensiones
regionales (Mapa Mundial de Tensiones, WSM - World Stress Map ). Estos
datos constituyen una noción preliminar del lugar de estudio y de los factores
(geológicos) que pueden influenciar las tensiones in situ a ser estimadas
Las variables como superficie topográfica, estructuras geológicas (foliación,
acamamiento, pliegues, diques, sills, vetas, fracturas) y contraste reológico de
los materiales son capaces de influenciar y modificar el estado de tensión y, por
lo tanto, se han tenido en cuenta cuando es necesario los estudios. Aunque,
generalmente, se tiene como foco el conocimiento del campo de tensiones
regionales, las estructuras geológicas como las citadas pueden alterar el
campo de tensiones locales y por lo tanto, la simplificación o el
desconocimiento de esas estructuras pueden conducir a interpretaciones
equivocadas de las tensiones in situ se extienden a grandes áreas.
Para esta primera fase, se consideró la siguiente información disponible:
• Ensayos de compresión uniaxial (UCS);
Mapeo geomecánico y clasificación de los macizos rocosos de los
realces de la labranza y las rampas de acceso;
• Mapeo geológico y estructural;
• Dos ensayos de determinación de tensión in situ (método de
sobrecalentamiento);
• Modelos numéricos de análisis tensión-deformación;
• Modelo geológico de los cuerpos de mineral;
26
• Topografía regional y
• Levantamiento topográfico en tres dimensiones de las excavaciones.
Figura 9 - Propuesta para la concepción del modelo final de tensiones de una región (Fuente:
Stephansson e Zang, 2012).
El levantamiento de los datos geomecánicos de breakouts de los orificios de
ventilación y de discing en los agujeros de sondeo exploratorio de la mina
Cuiabá también compuso esa primera parte de estudio de la disertación. Los
mismos tuvieron una descripción cuidadosa que será detallada individualmente
en los capítulos siguientes.
De acuerdo con Stephansson y Zang (2012), la comprensión de este conjunto
de datos define el mejor modelo de estimación de tensiones (BESM, Best
27
Estimate Stress Model) y es esencial antes de que cualquier ensayo in situ sea
programado y realizado.
La fase siguiente está relacionada con la etapa de Métodos de Determinación
de Tensión (SMM) que involucró el análisis de los ensayos de la campaña de
perforación realizada.
La tercera y última etapa de los estudios comprendió el análisis y la
combinación de los datos obtenidos de diversas fuentes (discing, breakout,
ensayos in situ, modelos numéricos), originando entonces la Determinación de
Tensión Integrada (ISD - Integrated Stress Determination). Para los modelos
numéricos, se consideraron los parámetros de laboratorio y campo disponibles
con relación a las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, geometría /
forma de las excavaciones y los resultados de los ensayos de determinación de
tensión in situ.
3.1 Estudio de las tensiones in situ en macizos rocosos
De acuerdo con Brady y Brown (2004), cualquier macizo rocoso está sometido
a tensiones en su estado natural antes de ser excavado y son las tensiones in
situ que controlan la distribución y la magnitud de la tensión resultante
alrededor de aberturas. De este modo, el estado de tensión actuante en una
excavación es el resultado del estado de tensión inicial más la contribución de
la tensión inducida por la propia excavación.
La concentración de tensión en las paredes de una excavación puede en
algunos casos ser suficientemente mayor que la resistencia del macizo rocoso
movilizando así grandes porciones de la excavación y consecuentes rupturas,
Amadei y Stephansson (1997). Por lo tanto, el conocimiento de las tensiones in
situ es imprescindible en la evaluación de las condiciones geomecánicas de
estabilidad de excavaciones subterráneas.
3.1.1 Tensiones Verticales y Horizontales
Las tensiones actuantes en un macizo rocoso proceden de la gravedad, siendo
el peso de columna de roca, y también de las fuerzas tectónicas resultantes del
movimiento de las placas tectónicas en la corteza terrestre.
La tensión vertical (σv) puede ser considerada como el peso de la columna de
roca existente sobre un punto cualquiera en profundidad y ser estimada por la
multiplicación de la densidad media por el grosor del paquete rocosa a veces la
gravedad, según lo representado en la Ecuación 1:
28
𝜎𝑉 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ (Ec. 1)
Siendo ρ la densidad de la roca, g la gravedad y h el espesor de columna de
roca.
Además del componente vertical, existen todavía componiendo el estado de
tensión componentes horizontales, σH y σh, que siempre se refieren como igual
a "k" veces a σv. El coeficiente "k" relaciona las tensiones horizontales con la
vertical, y de acuerdo con Herget (1988, citado por Magalhães, 1999), no son
comunes los casos en que las tensiones horizontales son menores o igual a la
tensión vertical. En el 65% a 70% de las mediciones de tensión realizadas en
diferentes partes del mundo, las tensiones horizontales son mayores que las
verticales.
La variación atribuida entre la tensión vertical y las tensiones horizontales o
tensión horizontal media (siendo ésta igual a σHa = [σH + σh] / 2) se obtiene por
las razones:
𝐾𝐻 =𝜎𝐻
𝜎𝑉⁄ , 𝐾𝐻 =
𝜎ℎ𝜎𝑣
⁄ 𝑒 𝐾𝐻𝑎 =𝜎𝐻𝑎
𝜎𝑣⁄ Ec. 2, 3 e 4
En la literatura, existen relaciones propuestas para la variación de la magnitud
de las tensiones in situ vertical y horizontal con la profundidad, como cita
Amadei y Stephansson (1997). Windsor (2003, citado en Brady y Brown, 2004)
ha compilado numerosos datos de la relación entre la tensión horizontal media
y la vertical (KHa) que se presentan en la figura siguiente.
Figura 10 - Variación de k con la profundidad. Siendo k igual a KHa (Fuente: Windsor, 2003,
citado en Brady y Brown, 2004).
29
3.1.2 Clase de tensiones
Zang y Stephansson (2010) propusieron que para la construcción del BESM se
debe realizar una evaluación inicial del tipo de tensión existente en el lugar de
interés en términos regionales. Aunque no existen terminologías o estándares
internacionales establecidos para las diferentes categorías de tensión
existentes en la corteza terrestre, Zang y Stephansson (2010), a partir de la
terminología publicada por Amadei y Stephansson (1997) y compilación de los
términos expresados en Hudson y Harrison (2000) , categorizaron diferentes
tipos de tensión conforme presentaba la figura abajo.
Figura 11 - Clasificación de los tipos de tensiones en tres niveles jerárquicos (Fuente: Stephansson e Zang, 2012).
En el nivel 1 de la Figura 11, se distinguen las situaciones de tensión conocida
como in situ, (A) (primaria o pre-excavación) y tensión "perturbada" (B) cuando
procede de la interferencia humana después de realizada una excavación,
conocida como tensión inducida o secundaria. En la secuencia, se tienen dos
30
tipos de tensión titulados como "estructural" que se asocian a macizos rocosos
anisotrópicos o heterogéneos con algún aspecto bien definido, (C) y en (D),
cuando presentan alguna perturbación en la excavación por influencia de una
estructura geológica.
En el segundo nivel jerárquico, se clasifica el tipo de tensión de acuerdo con su
fuerza de origen, pudiendo ser gravitacional, resultante del peso generado por
la columna de roca (2A1), tectónico debido a las actividades de las placas
tectónicas (2A2), residual / (2A3) y, por último, terrestre, por influencia de la
Luna (2A4).
El último nivel jerárquico en la Figura 11, subdivide el tipo de tensión (2A2) de
acuerdo con el dominio de las tensiones tectónicas. Siendo A2a se rige por
placas tectónicas, A2b en local de cadena de montañas (isostasia) y, en menor
escala, cuando cerca de estructuras de fallas (A2c).
Para Zang y Stephansson (2010), el conocimiento del estado de tensión in situ
en un macizo rocoso es equivalente a la determinación de las tensiones
tectónicas más las gravitacionales. Para propósitos prácticos de mecánica de
roca, el mecanismo de formación del campo de tensión regional no es esencial,
incluso porque su historia geológica no siempre es conocida precisamente. Los
autores resaltan que para la mecánica de rocas el objetivo se debe mantener
en la determinación del mejor tensor (más representativo) de la tensión local en
el área de estudio.
3.1.3 Mapa Mundial de Tensiones
El Proyecto Mundial de Tensiones (WSM) fue un estudio de alcance mundial,
finalizado a principios de la década de 1990, responsable de la consolidación
de una base de datos con numerosas mediciones y estimaciones de las
tensiones in situ actuales en la corteza terrestre (Stephansson y Zang, 2012).
En el WSM, diferentes tipos de indicadores de tensión in situ se consideraron y
agruparon en cuatro categorías principales:
Mecanismo focal de terremotos (72% de todos los datos),
Interruptores y fracturas inducidas por perforación (20%),
Determinación directa (ensayos) de tensión in situ (4%),
Datos recientes, procedentes de alineaciones volcánicas e indicadores
de movimiento de fallas (4%).
Stephansson y Zang (2012) sugieren que, en las primeras etapas de
estimación de tensiones en cualquier proyecto, es apropiado consultar el WSM.
La Figura 2.6 presenta el mapa producido para la región de América del Sur
31
con datos de tensión estimados por medio de mecanismo focal de terremoto,
desgloses, entre otros, concentrados principalmente en la región de la
cordillera Andina.
Figura 12 - World Stress Map 2016 – America Latina (Fuente: Heidbach, O., Rajabi, M., Reiter, K., Ziegler, M. (2016)).
32
3.1.4 Factores capaces de influenciar las tensiones in situ
3.1.4.1 Topografia
El análisis de la topografía de una región en estudio para determinar el campo
de tensiones es fundamental debido a las posibles alteraciones causadas por
valles y laderas en los tensores. Amadei y Stephansson (1997) y Stephansson
y Zang (2012) resaltan que una configuración topográfica con valles y
montañas, como se muestra en la figura abajo, es capaz de crear una
concentración de tensión desigual en las paredes de excavaciones si se
realizan cerca de ellas.
Figura 13 - Tensiones en un macizo rocoso en lugar de topografía compleja con valles y (Fuente: Amadei y Stephansson, 1997).
Brady y Brown (2004) explican que para una región de topografía plana, el
componente de tensión vertical puede tener un valor estimado que relacione la
profundidad, el peso específico de la roca y la gravedad, como se mencionó
anteriormente en la Ecuación 1.
𝜎𝑉 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ (Ec. 1)
Siendo ρ la densidad de la roca, g la gravedad y h el espesor de columna de
roca.
Sin embargo, para topografías irregulares, como se muestra en la figura
anterior, el estado de tensión puede ser considerado como la resultante de la
tensión proveniente de la columna de roca en profundidad más los
componentes asociados a la distribución irregular de la sobrecarga en
superficie.
En regiones de alto, generalmente, se encuentran tensiones horizontales de
tracción, mientras que en valles, son comunes componentes de compresión
para las tensiones horizontales, como analizaron Amadei y Stephansson
(1997), Zhu et al. (1985), Stephansson y Zang (2012). Sin embargo, tal
33
influencia en las tensiones in situ de acuerdo con Brady y Brown (2004)
decrece rápidamente, a medida que la distancia de la superficie aumenta.
Trabajos como Fairhurst (2003) y Zhu et al. (1985) señalan que en cámaras
subterráneas o túneles poco profundos se puede tener gran influencia
topográfica en las tensiones que actúan en sus macizos rocosos. Fairhurst
(2003), Stephansson y Zang (2012) relatan túneles construidos en la región
norte de Suecia que presentaron, en diversas fases de sus excavaciones,
procesos de rockburst. En el trabajo de Fairhurst (2003), algunos los túneles
con procesos de rockburst se encontraban a sólo 100 metros de profundidad.
De acuerdo con los ensayos de determinación de tensión realizados en estos,
los valores para la tensión vertical eran ocho veces mayores que el esperado
proveniente del peso de la columna de roca. Por lo tanto, las irregularidades
topográficas pueden sin duda influir profundamente en la redistribución de las
tensiones in situ y no deben ser ignoradas en proyectos de excavación
subterránea.
3.1.4.2 Geologia
Stephansson y Zang (2012) y Amadei y Stephansson (1997) destacan que, en
trabajos para determinar el campo de tensiones, el entendimiento de la historia
geológica de un área de interés es esencial y puede ser usado para definir la
evolución del régimen de tensiones en que la misma se encuentra.
La determinación del campo de tensiones requiere una caracterización
detallada de la geología del local que especifique y resalve tipos litológicos,
contactos estructurales, discontinuidades, procesos erosivos, soledad,
glaciaciones, datos hidrogeológicos, neo-tectónica y otros. Stephansson y Zang
(2012) también advierte que una campaña de determinación de tensiones in
situ y la composición de un modelo de tensiones no son recomendables sin un
cuidadoso estudio previo de la geología.
Trabajos como de Amadei y Stephansson (1997), Tonon y Amadei (2003,
citado por Stephansson y Zang, 2012) y Wileveau et al. (2007, citado por
Stephansson y Zang, 2012), describen cambios abruptos en las tensiones in
situ que ocurren usualmente en el contacto entre rocas de unidades diferentes.
Además, en el estudio de las tensiones in situ se debe tener un conocimiento
adecuado de las propiedades físicas de las rocas existentes, especialmente, de
su rigidez y resistencias (a compresión y tracción). Stephansson y Zang (2012)
plantean que, en general, las tensiones de mayores magnitudes se encuentran
en rocas más rútiles, ya que las tensiones tienden a concentrarse más en
34
aquellas cuando están envueltas por otras de menor competencia, aunque
estén sujetas a un mismo campo la tensión.
Como se describe en el ítem de clase de tensiones, se denominan "tensión"
estructural "las tensiones que son influenciadas por estructuras del macizo
rocoso como planes de anisotropía y heterogeneidades. La terminología
"tensión estructural" fue propuesta inicialmente por Jaeger y Cook (1979, citado
por Stephansson y Zang, 2012). La figura siguiente muestra cómo la relación
angular entre estructuras geológicas y las tensiones principales pueden
modificar un patrón, al principio esperado y continuo, para la orientación de las
tensiones.
Figura 14 - Tensiones en materiales homogéneos, anisotrópicos y heterogéneos (Fuente: Stephansson y Zang, 2012).
Stephansson y Zang (2012) muestran en los ejemplos (b) y (e) de la Figura 12,
como planes de anisotropía son capaces de desviar la dirección de las
tensiones para coincidir con su orientación. Ya en (c) y (f), se tiene un material
con heterogeneidades que también son capaces de perturbar el campo de
tensiones en sus proximidades.
Además de planes de anisotropía y heterogeneidades, estructuras geológicas
como fallas, fracturas, pliegues, vetas, estrías y diques pueden afectar la
distribución y la magnitud de las tensiones in situ, haciendo que el campo de
tensiones local sea a menudo diferente del campo regional, según lo descrito
por Amadei y Stephansson (1997). Cuando el campo de tensiones regional se
aproxima a una discontinuidad relevante, por ejemplo, una zona de falla, ese es
35
transferido a la discontinuidad y la escala de perturbación es gobernada por la
resistencia y deformabilidad de la misma.
Goodman (1989) también ilustra, la figura 13, la variación vertical de la tensión
a lo largo de dos planos horizontales a diferentes profundidades (sección A-A 'y
B-B'), ahuecados en una formación sedimentaria con plegado. En el perfil,
están representados dos litotipos con propiedades de resistencia diferentes,
siendo la roca central más ruptil que la encajante.
Figura 15 - La influencia de los pliegues en la roca heterogénea y en capas en tensiones verticales (Fuente: Goodman, 1989).
A lo largo de la sección A-A ', es posible ver cómo la tensión vertical aumenta al
acercarse al centro del sinclinal, no siendo sólo el producto de ρ por z
(profundidad). En B-B, la tensión vertical es aún mayor de lo esperado en el
medio del sinclinal, debido a la mayor concentración de tensión.
Figura 16 - La influencia de los pliegues en la roca heterogénea y en capas en tensiones
verticales (Fuente: Goodman, 1989).
Las estructuras, como las citadas arriba, son muy utilizadas por geólogos para
indicar la paleo-tensión de un ambiente y ejemplificar el estado de tensión que
prevalecía durante la génesis de esas estructuras. Sin embargo, Stephansson
y Zang (2012) advierte que la tensión responsable por la creación de estas
estructuras geológicas puede haber sido modificada por eventos tectónicos
posteriores y que, por lo tanto, la estructuración y la petrografía existente puede
no ser correlacionable al estado de tensión contemporáneo.
Fairhurst (2003) también describe que factores geológicos y la distribución a lo
largo del tiempo de las fuerzas tectónicas resultan en la incertidumbre y
36
dificultad de conocer el total de esfuerzos que se sucedieron en un
determinado terreno y aún los que existen. Tal pasado de esfuerzos es
entonces capaz de originar un sistema de tensiones heterogéneas en una
misma región con diferencias considerables de magnitud y orientación. El autor
explica que un campo de tensiones heterogéneas es el resultado de las fuerzas
tectónicas que durante su historia geológica tuvieron su orientación y magnitud
modificadas, fases de plegados, fallos o intrusiones volcánicas, por ejemplo.
3.1.5 Determinación de las tensiones in situ
El desarrollo de técnicas para la determinación de las tensiones in situ se inició
en la década de 30, con los métodos de alivio en agujeros y desde entonces ha
tenido innumerables innovaciones que permiten actualmente determinaciones a
profundidades de 3-4Km en la corteza terrestre, Amadei y Stephansson (1997).
A pesar de las modernas técnicas hoy existentes, una determinación correcta
del tensor local no siempre está garantizada. Amadei y Stephansson (1997)
plantean que una determinación de tensión in situ puede tener un error de 10-
20% para su magnitud y orientación, cuando se realiza en condiciones ideales
de macizos rocosos esencialmente elásticos, homogéneos y continuos. Así, en
macizos alterados, de baja resistencia o fracturados, el fracaso es considerado
alto.
Ljunggren et al. (2003) clasifican los métodos de determinación de tensión in
situ en dos categorías principales. La primera consiste en los métodos que
modifican la condición insitu del macizo rocoso por la inducción de deformación
o apertura de fracturas. Son ellos:
Métodos hidráulicos, que incluyen fractura hidráulica por inducción de
una fractura y pruebas hidráulicas en fracturas preexistente (HTPF,
hydraulic tests on pré-existing fractures);
Métodos de alivio en agujeros, sobrecalentamiento (overcoring),
Métodos de alivio de superficie, mono plano (flat jack).
La segunda categoría consiste en los métodos basados en la observación del
comportamiento del macizo rocoso sin ninguna influencia de un método de
ensayo. Son ellos:
Discing;
Breakouts;
Deformación (o ruptura) de grandes volúmenes de roca (retro-análisis),
Métodos acústicos (Efecto Kaiser),
Métodos de recuperación de deformación,
37
Métodos de observación geológica,
Mecanismo focal de terremotos.
Zang y Stephansson (2010) abordan que el concepto de determinación de
tensión debe ser correctamente comprendido, ya que no es posible medir la
misma de forma directa. La determinación de las tensiones se realiza de
manera indirecta, a partir de la deformación de un medio. Los métodos
enumerados anteriormente logran obtener los valores de deformación cuando
se modifica la condición de tensión original de un macizo rocoso. Esta
respuesta creada por el macizo rocoso (deformación) tiene como principio su
comportamiento elástico ante la aplicación de una tensión. Es decir, este busca
reequilibrar ante una perturbación y, combinando este comportamiento con el
conocimiento teórico dado por las relaciones de tensión-deformación, se puede
entonces evaluar su estado previo de tensión.
Las ecuaciones existentes en la mecánica de rocas para las relaciones de
tensión-deformación inducen a confiar que la determinación de las tensiones in
situ depende básicamente de cálculos matemáticos. Sin embargo, se sabe que
los macizos rocosos poseen sus peculiaridades y el estado de tensión puede
ser modificado por diversos factores, como ya se ha explicado. Por lo tanto,
para la determinación de las tensiones, el procedimiento ideal es que se
conduzca una serie de pruebas para obtener resultados coherentes y
admisibles para una determinada ubicación o dentro de un intervalo
predeterminado. Además de los ensayos tradicionales de determinación
(hidráulicos y de alivio), es posible utilizar métodos basados en la observación
del comportamiento del macizo (indirectos) y que serán discutidos a
continuación.
3.1.5.1 Métodos de alivio (Sobrecalentamiento - Overcoring)
El principio básico de las técnicas de determinación de alivio consiste en aislar,
en parte o completamente, una muestra del campo de tensiones de su roca
circundante y monitorear la respuesta de la deformación de reequilibrio, al
provocar en el macizo rocoso una "perturbación", Merrill (1964, citado por
Amadei y Stephansson, 1997). Las tensiones se deduce de las deformaciones
o desplazamientos indicados por el proceso de alivio ("relajación") que se
midieron en una muestra de roca aislada (en agujeros o en la roca
circundante).
De acuerdo con Amadei y Stephansson (1997), el éxito de la interpretación de
las pruebas de alivio depende en gran parte de la habilidad para establecer una
relación de tensión deformación a la roca, determinar sus propiedades del
38
macizo rocoso a partir de ensayos y tener una instrumentación suficientemente
sensible para capturar pequeñas deformaciones o desplazamientos.
Los métodos de alivio se pueden dividir en tres grandes grupos como
propuesto por Amadei y Stephansson (1997):
1. Métodos que involucra medición de deformación o desplazamiento en la
superficie de la roca (Surface relief methods);
2. Métodos que usan instrumentos en agujeros (Borehole relief methods);
3. Métodos que involucran la respuesta (comportamiento) de grandes
volúmenes (Rock mass relief methods).
En el año 1966, Amadei y Stephansson (1997), el sobrefondo de células de
deformación triaxial del tipo CSIR (Council for Scientific and Industrial
Research) fue originalmente propuesto por Leeman y Hayes en 1966, con el
propósito de determinar el estado de las tensiones en un solo agujero diámetro
EX (38mm). La célula permite la medición de la deformación en la pared del
agujero con la fijación de tres rosetas con strain gage (extensómetros), tres o
cuatro, en posición y orientación conocidas. La medida de deformación se
realiza antes y después del sobrecalentamiento.
La técnica de sobrecalentamiento, como muestra la Figura 2.11, implica la
instalación de un instrumento de medida de deformación (secuencias 3, 4 y 5)
que se pega al final de un agujero piloto de pequeño diámetro, realizado,
concentráricamente, en la base de un agujero más ancho (secuencias 1 y 2). El
instrumento o la célula es entonces sobrefurada, usando un bit de perforación
de mayor diámetro que efectivamente relaja la tensión actuante en el testigo
cilíndrico de roca, parte 6 en la Figura 15 y Figura 16.
Figura 17 - Secuencia del ensayo de sobrecalentamiento (Fuente: Sjöberg et al., 2003).
39
Figura 18 - Muestra recogida en la última etapa del ensayo de sobrecalentamiento. Se destaca la región central de menor diámetro (agujero piloto) donde se instala la celda antes del
sobrecalentamiento (Fuente: Dyskin, [200-]).
La interpretación de los ensayos de sobrecalentamiento requiere el
conocimiento de otros datos, como la temperatura de la célula durante la
sobrecalentamiento, rotación de la perforación del agujero, torque de la
perforadora, profundidad de la perforación, distancia de la superficie libre más
cercana (túnel, cueva, realce, cavas) y distancia de estructuras geológicas,
(Reinecker et al., 2008).
A partir de los valores de la deformación medidos, también se requiere el
conocimiento del E y de la roca para el cálculo de las tensiones in situ. Estos
parámetros se determinan en el campo donde se realizaron las mediciones a
partir de ensayos biaxiales en testigos del agujero que intentan simular las
mismas condiciones de tensión en el ensayo realizado (Sjöberg et al., 2003).
Hakala et al. (2003 citado por Reinecker et al., 2008) explica que la calidad de
las mediciones con el método de sobrecalentamiento depende de cómo se
llevan a cabo procedimientos técnicos de perforación, "collage" de la célula, y
sobrefuraje y del conocimiento adecuado de las características de la roca como
anisotropía y heterogeneidades.
La referencia ya citada de Sjöberg et al. (2003) fue publicada por la ISRM como
un procedimiento dedicado a la realización de ensayos de sobrecalentamiento
en periódico especial sobre determinación de tensiones. Tal periódico detalla y
guía todos los requisitos para un ensayo de buena calidad, con los equipos
necesarios, etapas del trabajo de campo, análisis de los resultados y cálculo de
las tensiones.
40
3.1.5.2 Métodos hidráulicos
Ljunggren et al. (2003) citan que la utilización de métodos hidráulicos fue
aplicada primero durante la década de los 40 en la industria del petróleo para
estimular a través de nuevas fracturas (artificialmente creadas) su producción
en formaciones poco permeables de depósitos de petróleo.
Se entiende por ensayo de fractura hidráulica el que utiliza la técnica de
inyección de un fluido en intervalos aislados de agujeros para inducir y
propagar fracturas de tracción en la pared de roca. Un tramo normalmente de
1m de longitud de un agujero es sellado con packers (obturadores) y luego
presurizado lentamente con un fluido (agua), como se muestra en la Figura 17.
Figura 19 - Representación esquemática del ensayo de fractura hidráulica (Fuente: Halgeir, 2005).
La presurización ocurre entonces de manera continua hasta que la pared del
agujero se rompe en una ruptura por tracción y una "hidrofratura" se inicie. El
ensayo determina las magnitudes y orientaciones de las tensiones horizontales,
σH y σh, en el plano horizontal y perpendicular al agujero. Para ello es
necesario el conocimiento de las propiedades de resistencia de la roca, de la
orientación de la fractura, de la presión del fluido en el momento de la ruptura y
en la continuidad de la propagación de la fractura. La Figura 18 presenta un
registro típico de las presiones versus tiempo para un ensayo de fractura.
41
Figura 20 - Registro óptimo teórico de las presiones durante el ensayo de fractura hidráulica
(Fuente: Halgeir, 2005).
Ljunggren et al. (2003) resalta limitaciones para el éxito del método en
dominios de alta tensión, con indicios de discing, y en rocas foliadas, cuyos
planes de debilidad pueden controlar la dirección de iniciación de la fractura. Es
importante aún que el tramo a ser ensayado no contenga fracturas algunos
metros antes o después, para que la fractura inducida no conecte con las
preexistentes.
3.1.5.3 Métodos de alivio de superficie (Flat Jack)
El principio del ensayo es medir la respuesta del macizo cuando éste sufre una
relajación (alivio de tensión) al ser hecha una grieta en su pared con una sierra
circular (Ljunggren et al., 2003). La hendidura, al aliviar las tensiones bajo las
cuales está sujeta a la pared, permite la convergencia de dos pines instalados
previamente, y la distancia entre estos en la superficie de la roca se registra
antes y después de su deformación. A continuación, un "cojín" se coloca y
bombea en la ranura (utilizando un mono hidráulico), haciendo que los pines
vuelvan a su posición original. Esta presión necesaria para reestablecer la
distancia inicial entre los pines es equivalente a la tensión normal al plano de la
grieta que se ha aliviado anteriormente.
3.1.5.4 Breakout
El fenómeno de breakout forma parte de los métodos indirectos para la
estimación de tensiones in situ según lo definido por Ljunggren et al. (2003).
Este término (breakout) se utiliza para denominar el resultado de la
concentración de tensión alrededor de un agujero circular en roca, bajo la
actuación de un campo de tensiones que, por un proceso de deformación
inelástica, se rompe, rompiendo sus paredes originales en las regiones de
42
mayor concentración de tensión, como muestra la Figura 19 y la Figura 20.
Este fenómeno puede producir una geometría elíptica o ovalizada del agujero,
debido a las quiebras creadas en sus paredes.
Figura 21 – Concentración de tensión alrededor de un agujero circular, con límites de las zonas de ruptura en las regiones de color negro y propagación de saltos indicados por los
puntos de registros sísmicos (Fuente: Brady y Brown, 2004).
Figura 22 - Breakout con formación de saltos del tipo de perro (dog earing) (Fuente: Dyskin
[200-]).
Mecanismo de ruptura de los breakouts
El fenómeno de breakout es conducido por el mecanismo de ruptura por
cizallamiento que ocurre a lo largo de dos fracturas conjugadas que siguen una
trayectoria de alta tensión cizallante en la pared del agujero y detrás de ésta.
La Figura 21 muestra las microfisuras que se forman entre capas finas de
rocas, las cuales son subparalelas a la dirección de tensión horizontal mayor,
σH. Las rebanadas de rocas se separan a medida que las microfisuras se
43
abren con la actuación de la tensión horizontal, σH. En una determinada tensión
crítica, una parte entre la pared del agujero y la microfisura más cercana se
vuelve muy frágil para sostener la tensión y ésta, entonces, flexiona y rebanada
por cizallamiento. Esta es la primera etapa del desarrollo de breakout visible
(etapas 1 y 2 de la Figura 21). La concentración de tensión se transfiere a la
siguiente parte que rompe y el fenómeno continúa repitiendo varias veces
(etapas 3 y 4 de la Figura 21). Sin embargo, cada rebanada de roca es, de
cierta manera, cada vez menor que la rompida previamente. En algún punto, la
longitud de la rebanada restante se vuelve muy pequeña y el "rebanado"
entonces cesa, lo que lleva a la geometría en formato de "V" de los desgloses.
Figura 23 - Etapas de formación del breakouts (Fuente: Ljunggren et al. (2003)).
Barton et al. (1988) también entienden los desgloses como resultado de
rupturas por cizallamiento local alrededor de agujeros en respuesta a la
compresión horizontal. Esta compresión crea la rebanada en zonas simétricas
alrededor de agujeros en el azimut de la tensión principal horizontal mínima
donde la tensión compresiva circunferencial es mayor.
Uso de los breakouts
Las saltos por desglosado permiten que con algunos agujeros sea posible tener
múltiples determinaciones y comparaciones regionales de la orientación del
campo de tensiones. (2007) y otros autores también destacan para la
posibilidad de hacer innumerables observaciones obteniendo análisis
estadísticos de la orientación de las tensiones y determinación de dispersiones
o eventuales anomalías. El método de desglose es el único que puede
proporcionar información continua de las tensiones a intervalos diferentes, lo
44
que, de acuerdo con Lawani (2007), hace que éste sea tan significativo en
comparación con los otros métodos existentes que estiman las tensiones en
puntos localizados. Otra importancia de esto es que permiten acceder
condiciones de tensión in situ en la corteza terrestre más profunda y locales
donde mediciones directas serían onerosas e incluso inviables.
Como se ha descrito anteriormente, las rupturas por desgloses en agujeros son
importantes indicadores para la orientación de las tensiones horizontales y
representan un total del 19% en los indicadores considerados en la base de
datos del proyecto WSM, citado por Reinecker et al. (2003) y Tingay et al.
(2008).
3.1.5.5 Discing
El término discing se utiliza para el fenómeno espontáneo en el que porciones
de los testimonios de roca se rompe en forma de "discos", Figura 24, durante el
proceso de sondeo diamantado en áreas de alta tensión, como se describe en
los trabajos de Jaeger y Cook (1963, citado por Stacey, 1982), Stacey (1982),
Zhu et al. (1985), Ljunggren et al. (2003), Faihurst (2003), Kaga et al. (2003),
Matsuki et al. (2004), Lim et al. (2006), Lim y Martin (2010), entre otros.
Figura 24 - Ejemplo típico de la ocurrencia de discing en testimonio de sondeo con 45mm de diámetro. Los intervalos de 0 a 2 indican una variación creciente del grosor de los discings.
(Fuente: Lim y Martin, 2010).
Las investigaciones sobre el mecanismo de formación de los discings y su
aplicación para estimar el campo de tensiones vírgenes fueron iniciadas por
Jaeger y Cook (1963, citado por Stacey, 1982). En la misma época, otros
trabajos como los de Obert y Stephenson (1965 citado por Stacey, 1982) y
Durelli et al. (1968, citado por Stacey, 1982) se centraron en el entendimiento
del mecanismo de ruptura de los mismos, proponiendo que éstos serían el
resultado de fracturas generadas por tensiones cizallantes en la base del
testimonio.
El gran interés en el estudio de los discings se debe al hecho de que éstos
pueden proporcionar informaciones sobre las tensiones en grandes
profundidades donde, muchas veces, no se tiene acceso o sería onerosa la
45
ejecución de ensayos de determinación de tensión con métodos directos
tradicionales (fractura hidráulica, por ejemplo).
La formación del discing durante el proceso de sondeo fue detallada por
diversos autores como Zhu et al. (1985), Li y Schmitt (1998), Faihurst (2003) y
Ljunggren et al. (2003). Para estos, el discing es derivado de la concentración
de tensión directamente en la interfaz de la corona de perforación con la roca.
Zhu et al. (1985), Li y Schmitt (1998) y Lim et al. (2006) también explican que el
fenómeno de discing se forma durante la perforación (muchas veces con forma
y espaciamientos uniformes) y se debe al cambio del estado de tensión in situ y
liberación de tensión en el testimonio.
46
Capítulo 4: Investigaciones básicas
4.1. Caracterización del macizo rocoso en la Mina Cuiabá
La clasificación de macizos rocosos compone una parte significativa en el
estudio de dimensionamiento de excavaciones subterráneas. Las
características presentes en un litotipo como mineralogía, granulometría,
textura, cementación y otras, son responsables de su estructuración en
microescala y, consecuentemente, reflejan en su comportamiento geomecánico
de resistencia y deformabilidad en lo que se denomina roca intacta. Combinado
a esas características, las discontinuidades geológicas, como fracturas, fallas y
contactos que, originadas durante su evolución geológica, estructuran de forma
más general, lo que se denomina como macizo rocoso.
La clasificación geomecánica de la Mina Cuiabá se realiza teniendo en cuenta
los principales parámetros referentes a la estabilidad del macizo rocoso,
obtenidos por medio de la descripción de testimonios de sondeo,
observaciones de campo y, principalmente, el mapeo geotécnico. Se utilizan en
Cuiabá los sistemas de clasificación Q de Barton (1974) en comparación con el
Rock Mass Rating (RMR) de Bieniawski (1989), con el objetivo de proporcionar
mayor confiabilidad a la clasificación especificada.
4.1.1 Índice Q de calidad de la roca
Barton et al. (1974) estudiaron un gran número de casos de excavaciones
subterráneas y desarrollaron el sistema de clasificación Q. Este se basa en la
evaluación numérica de la calidad del macizo relacionado con el vano de la
excavación y su finalidad. El Rock Tunnelling Quality Índex, Q se define por la
siguiente ecuación:
𝑄 = 𝑅𝑄𝐷
𝐽𝑛 .
𝐽𝑟
𝐽𝑎 .
𝐽𝑤
𝑆𝐹𝑅 Ec. 5
Siendo:
• RQD - Índice de calidad de la roca;
• Jn - Número de familias de discontinuidades
• Jr - Índice de rugosidad de las juntas;
• Ja - Índice de cambio de las juntas;
• Jw - Índice de presencia / afluencia de agua en el macizo;
• SRF - Índice de tensiones actuantes en el macizo.
La definición de distintas clases para la Mina Cuiabá, basadas en los tipos
litológicos y el grado de fractura, se muestra en la Tabla 1.
47
Tabela 1 - Clasificación según el sistema Q de Barton para dominios geotécnicos de la Mina
Cuiabá
Litologia RQD Jn Jr Ja Jw SRF Q Classe
do maciço
Qualidade da rocha
BIF 95 6 3 1 1 1 47,5 I Muito boa
X1 80 9 1,5 1 1 1 13,3 II B Boa
X2 85 9 1,5 1 1 1 14,2 II B Boa
X1 ou X2 mais
fraturado 20 12 1,5 1 1 1 2,5 IV A Ruim
Cuando el sistema de clasificación se utiliza para deducir las características
geotécnicas del macizo rocoso, con el objetivo de conducir modelado numérico,
la influencia de la tensión ya se encuentra considerada en el modelo. Entonces,
debe ser utilizado el Índice Q modificado, Q ', calculado según la Ecuación 6.
𝑄′ = 𝑅𝑄𝐷
𝐽𝑛 .
𝐽𝑟
𝐽𝑎 Ec. 6
Se asigna al parámetro SRF (índice de tensiones actuantes en el macizo) el
valor 1,0, que es equivalente a un macizo rocos moderadamente ajustado, pero
no excesivamente solicitado. El parámetro Jw también asume un valor definido
como 1,0, ya que en la mayoría de los ambientes geotécnicos de minería
subterránea, en roca competente, las excavaciones se presentan relativamente
secas.
4.1.2 Sistema RMR
El sistema de clasificación de los macizos Rock Mass Rating - RMR
(Bieniawski, 1989), es un sistema empírico de clasificación geotécnica,
propuesto inicialmente para aplicación en túneles con geometría transversal en
forma de herradura, excavados con uso de explosivos, en un macizo sujeto a
una tensión vertical superior a 25 MPa, en profundidad de aproximadamente
900 m bajo la superficie. Con el transcurso del tiempo, se analizaron cientos de
casos de excavaciones adicionales, lo que posibilitó la compilación de registros
y datos complementarios. Esto provocó cambios significativos en los pesos de
los diferentes parámetros integrantes del sistema de clasificación.
Metodológicamente, para aplicar la clasificación RMR, el macizo rocoso se
divide en regiones estructurales distintas, siendo cada región clasificada por
separado. Después de obtener datos de los índices de cada uno de los seis
parámetros, la suma de éstos genera el valor RMR del macizo en observación,
Ecuación 7:
48
𝑅𝑀𝑅 = 𝐽1 + 𝐽2 + 𝐽3 + 𝐽4 + 𝐽5 + 𝐽6 Ec. 7
Donde:
J1 - Resistencia uniaxial de la matriz de la roca
J2 - Grado de fracturación de acuerdo con el RQD (%)
J3 - Espaciamiento de las discontinuidad
J4 - Características de las discontinuidad y sus condiciones
J5 - Condiciones hidrogeológicas
J6 - Orientación de las discontinuidades
Para el caso específico de la Mina Cuiabá, la clasificación RMR representativa,
referente a cada una de las litologías típicas, se presenta en la Tabla 2.
Tabela 2 - Ranqueamiento de las litologías típicas de Cuiabá, según el sistema RMR de
Bieniawski
Parâmetros BIF/ minério X1 X2 X1
mais fraturado
X2 mais
fraturado
J1 (MPa) 180 56 96 56 96
Índice 12 7 7 7 7
J2 95 80 85 20 20
Índice 20 17 17 3 3
J3 (m) 0,2 a 0,6 0,2 a 0,6 0,2 a 0,6 0,06 a 0,2 0,06 a 0,2
Índice 10 10 10 8 8
J4
Persistência 20m >20 >20m
Separação Não há Superfície estriada e espelhada
Não há Superfície estriada e espelhada
Não há
Rugosidade Rugosa Estriada Estriada
Preenchimento Não há Não há Não há
Alteração Levemente Levemente Levemente
Índice 22 10 17 10 17
J5 Todo o maciço rochoso se encontra seco, com umidade apenas local
Índice 15 15 15 15 15
J6
Direção subparalela ao eixo da galeria com mergulho médio de 30°. Condição mediamente favorável. Obs. Os índices foram obtidos
considerando a pior e mais comum situação, de acordo com o layout da mina.
Índice -5 -5 -5 -5 -5
Resultados RMR
74 54 61 38 45
Classe do maciço Classe II
Rocha Boa
Classe III Rocha
Regular
Classe III Rocha
Regular/ Boa
Classe IV Rocha Pobre
Classe III Rocha
Pobre/Regular
49
4.1.3. Sistema RMR
El Índice de Resistencia Geológica - Geological Strength Índex, GSI (Hoek,
1989), es un parámetro que permite representar la reducción de la resistencia
del macizo rocoso para diferentes condiciones geológicas. Este índice
caracteriza de manera indirecta el comportamiento esperado de un dado
macizo, Ecuación 8:
𝐺𝑆𝐼 = 𝑅𝑀𝑅′89 − 5 Ec. 8
El valor de GSI puede ser inferido a través de la relación RMR89 definida por
Bieniawski (1989), donde es considerada la condición de agua del terreno con
peso igual a 15 y el ajuste para la orientación de la principal familia de juntas
(factor B en la obtención del RMR con la dirección de la excavación igual a
cero. En la clasificación RMR89 realizada para la Mina Cuiabá, se consideró el
valor de ajuste para orientación de las juntas igual a -5; por lo tanto, el valor
RMR89 resulta igual RMR89 + 5.
4.1.4. Parámetros geomecánicos
La mina Cuiabá posee un historial de ensayos de compresión uniaxial para sus
litotipos, que se inició en el año 2004 y se realizó en los laboratorios de
mecánica de rocas, FURNAS Centrales Hidroeléctricas y de la UFMG
(Universidad Federal de Minas Gerais), Departamento de Ingeniería de Minas.
Después del año 2011, las campañas de ensayos pasaron a realizarse,
teniendo en cuenta el ángulo entre los planos de anisotropía y la dirección de la
fuerza axial aplicada en el ensayo. Esta sistemática fue analizada tanto para
las rocas encajantes (MANX, XG, X2CL) como para BIF que abarca muestras
recogidas entre los niveles 7 y 15 de la mina. La Tabla 3 resume los
parámetros compilados para los principales litotipos existentes.
Tabela 3 - Parámetros geomecánicos para los litotipos de la mina Cuiabá.
Número de
ensaios Litotipo
Ângulo entre força axial e anisotropia
UCS (MPa)
E (GPa)
ν Peso
específico (MN/m3)
7 BIFS (sulfetada) Paralelo 181 124 0,16 0,031
14 BIFS (sulfetada) Perpendicular 154 90 0,15 0,031
3 BIF(não sulfetada) Perpendicular 239 75 0,15 0,031
23 X2CL Paralelo 57 78 0,21 0,028
12 X2CL Perpendicular 68 54 0,16 0,028
11 XG Paralelo 47 41 0,18 0,028
9 XG Perpendicular 75 35 0,16 0,028
4 MANX Paralelo 87 81 0,17 0,028
5 MANX Perpendicular 116 58 0,21 0,028
50
La BIF está constituida por carbonatos (calcita y dolomita), magnetita (óxido de
hierro), cuarzo y puede presentar sulfuros (pirita, arsenopirita y pirrotita), como
muestra la Figura 24.
Figura 25 - BIF no sulfurada (A) y sulfetada, BIFS, (B).
Ante esta variación en la composición mineralógica (sulfuros), las muestras
ensayadas fueron separadas con relación a la concentración de sulfuros en
términos visuales. Los resultados de los ensayos de BIF confirman que cuando
esta no está sulfurada su resistencia a la compresión puede ser
aproximadamente, 85MPa mayor si se compara con las muestras sulfuradas,
Tabla 3.
Los parámetros sumarizados arriba, junto con las características levantadas
para los macizos rocosos de la mina, fueron empleados para la determinación
de los valores considerados en el criterio de ruptura de Hoek-Brown (2002),
Tabla 4. Las constantes del criterio de Hoek-Brown (mb, s, a) se utilizaron
como parámetros de entrada en los modelos numéricos realizados para la
interpretación de los datos levantados.
Tabela 4 - Constantes del criterio de Hoek-Brown (2002) estimadas para los litotipos.
Litotipo mb s a
Manx 3.113 0.0050 0.502
BIF 6.082 0.0483 0.501
XS 0.925 0.0023 0.503
XG 0.510 0.0005 0.506
Los datos de laboratorio permiten interpretar que en la región de la mina
Cuiabá en que se encuentra la capa mineralizada se tiene una condición
geomecánica caracterizada por una capa rígida (BIF), cuya resistencia a la
compresión varía entre 154 y 239 MPa, con módulo de elasticidad entre 75GPa
y 124GPa envuelta por xistos con resistencia a la compresión uniaxial entre 47
y 116 MPa y módulo de Young entre 35 y 81GPa. Esta situación es similar al
51
ejemplo mostrado anteriormente en la Figura 2.9 donde existe una formación
geológica de carácter más ruptil en contacto con rocas encajantes menos
rúptiles.
4.2. Análisis de la topografía
La mina Cuiabá está ubicada a SW de la Sierra de la Piedad cuyo punto de
mayor altitud posee 1.720m sobre el nivel del mar. La Sierra de la Piedad está
constituida por las rocas del Supergrupo Minas que configuran una alineación
SW-NE (N67E) destacada na Figura 25.
En el perfil topográfico, se presenta una secuencia de montañas y valles a la
NW de la mina con desniveles de hasta 380m. Sin embargo, en las
inmediaciones por encima de las excavaciones de la mina, la variación
topográfica se limita entre las cuotas 840 y 1.060m.
La influencia provocada por la variación topográfica en la magnitud de los
componentes de las tensiones in situ tiene un límite de actuación. Para la
condición de la mina Cuiabá los desniveles en la topografía no son suficientes
para modificar las tensiones in situ en las profundidades en que los datos
utilizados en este trabajo serán analizados, mayor a 500m de profundidad. La
distancia entre la alineación SW-NE de la Sierra de la Piedad y la mina es
mayor que 2.000m, estando también muy distante para causar alguna
diferencia en las tensiones in situ en profundidad.
52
Figura 26 - Mapa topográfico de Mina Cuiabá (Fuente: Trópia, 2013).
4.3. Análisis de los ensayos de tensión in situ
De acuerdo con la propuesta de Stephansson y Zang (2012) para la
determinación del FRSM, los ensayos de tensión in situ deben programarse
sólo después del análisis de diversas informaciones del lugar de estudio. Sin
embargo, los ensayos realizados en la mina Cuiabá ocurrieron antes del inicio
de esta disertación y se realizaron de acuerdo con el conocimiento
geomecánico existente en el año 2004, además de los recursos y locales
disponibles para el ensayo.
53
Hudson et al. (2003) recomiendan que el proceso de determinación de
tensiones no debe basarse en un solo conjunto de ensayos, siendo más
indicado conducir varias mediciones en diferentes lugares. Sin embargo, los
ensayos de campo de determinación de tensión son bastante onerosos y la
ejecución de más de un ensayo en lugares distintos no siempre es
económicamente posible.
Los ensayos de tensión in situ se realizaron en el año 2004 en la mina Cuiabá
por la empresa CSIR Minintek de Sudáfrica con el objetivo de proporcionar
información sobre el campo de tensiones para la planificación y el desarrollo a
largo plazo de la mina. El método utilizado fue el de sobrecalentamiento con
células triaxiales CSIR (overcoring) realizado en dos niveles diferentes de la
mina (nivel 12 y 14), distantes verticalmente en 133m, como se muestra en los
mapas del Anexo I.
La Tabla 5 presenta la información de los ensayos realizados con relación a la
localización, longitud, azimut y buceo de los agujeros de sondeo. En cada
agujero, se se realizaron tres pruebas de perforación y tomas de muestras para
posteriores ensayos de laboratorio.
Tabela 5 - Datos de los agujeros realizados para la prueba de sobrecalentamiento.
Localização do furo
Coord. S (local)
Coord. W (local)
Elevação (m)
Comprimento do furo (m)
Azimute Mergulho (positivo
para baixo)
Nível 12 91741 91248 215 12,15 129º -13,5º
Nível 14 91980 91181 82 10,05 290º -19,5º
El ensayo del nivel 12 fue realizado en una galería de acceso al cuerpo Fuente
Grande Sul en el litotipo denominado por la mina de XS y descrito como
metavulcanoclas,
Figura 4.2. En el nivel 14, el agujero de sondeo fue ejecutado en una galería
también en la región del Fonte Grande Sul cuyo desarrollo expuso el cuerpo de
mineral y todos los ensayos se realizaron en BIF, como se muestra en la Figura
26.
54
Figura 27 – Testimonios de sondeo de metavulcanoclas (XS), Agujero 1 realizado en el nivel 12 (Fuente: Trópia, 2013).
Figura 28 - Testimonios de sondeo de BIF, Agujero 2 realizado en el nivel 14 (Fuente: Trópia, 2013).
Los testimonios obtenidos en los sondeos tuvieron sus estructuras principales
levantadas, como la xistosidad y la bandada y se resumen en la Tabla 6. Los
agujeros realizados no tuvieron sus testimonios orientados y, por eso, fue
posible medir sólo el ángulo entre las estructuras y el eje del agujero.
Tabela 6 - Estructuras levantadas en los agujeros de sondeo para cada muestra recogida.
Nível do ensaio Amostra Litotipo Ângulo entre a
foliação/bandamento e o eixo do furo
12 1 XS 38º
12 2 XS 39º
12 3 XS 36º
14 1 BIF 25º
14 2 BIF 50º
14 3 BIF 50º
55
Inicialmente, la orientación de los agujeros de sondeo estaba programada para
ser paralela o perpendicular a los planos de la foliación con el propósito de
obtener muestras en esas mismas orientaciones para posterior ejecución de los
ensayos de determinación de los parámetros elásticos de la roca. Sin embargo,
de acuerdo con el informe final (interno) de los ensayos, Coetzer y Sellers
(2004) explican que debido a razones prácticas, los agujeros obtuvieron las
relaciones angulares descritas arriba.
Las galerías de realización de los agujeros no fueron mapeadas en la época de
los ensayos y ya no pueden ser accedidas debido al proceso de llenado por el
tipo de método de labranza. La información geológica disponible más cercana
al agujero 2 es el mapeo (geológico) realizado por el equipo de la mina Cuiabá
en 2011 del realce de labranza 14 FGS, a aproximadamente 5m por encima de
la cuota de realización del ensayo. El mapa del realce 14FGS se presenta en el
Anexo II junto con las medidas estructurales planteadas. En el presente estudio
se analizaron los datos estructurales del punto de campo 89 (coordenadas
locales Sur = -1973,00, Oeste = -1184,51, cota = 87,7) que indicaron que era
una región de plegado de la BIF con una superficie eje de actitud 095/28
(dirección del buzamiento / buzamiento) y foliado con actitud de 130/35
(dirección del buzamiento / buzamiento). El doblado mapeado con plunge para
E-SE es también reconocido en los realces del cuerpo FGS arriba y abajo del
nivel 14 y se trata de un pliegue regional de escala métrica. Para el Agujero 1,
nivel 12, no existe mapeo geológico o geomecánico cerca del mismo.
Figura 29 - Principales familias de discontinuidades frágiles (Fracturas) que se han asignado
en los puntos 87, 88, 89 y 90 (según Anexo II) (Fuente: Miyabukuro, 2018).
56
Se sabe que una excavación es capaz de inducir tensiones en otras
excavaciones cercanas y que esta tensión puede originar rupturas significativas
dependiendo en gran parte de su geometría (excavación) y del estado de
tensión in situ (Brady y Brown, 2004). Los autores exponen que cualquier punto
que se encuentre distante a más de cinco veces el tamaño del radio de la
excavación recibe una influencia insignificante de tensión y que ésta no será
muy diferente de su estado in situ, Figura 28. Sin embargo, para distancias
menores que tres veces el radio de la excavación, principalmente, esa
influencia no puede ser desconsiderada.
Figura 30 - Ejemplo de distribución de tensión alrededor de una excavación circular, siendo σθθ la tensión tangencial, σrr tensión radial y p tensión vertical u horizontal (Fuente: Brady y Brown,
2004).
Respetando el concepto explicado anteriormente, las mediciones se realizaron
a una distancia de la pared de la excavación suficiente (mayor a tres veces su
diámetro, de acuerdo con el informe interno) para minimizar la influencia de la
tensión inducida.
De acuerdo con el informe final de los ensayos, varias dificultades surgieron
para interpretación de los resultados siendo una de ellas el desconocimiento de
las propiedades elásticas de los materiales muestreados como el módulo
elástico, E, y el de Poisson, ν. Debido a la anisotropía de las rocas en cuestión,
se requieren ensayos biaxiales para determinar sus propiedades elásticas,
siendo cinco propiedades necesarias para las rocas transversales isotrópicas
(E, E ', ν, ν' y G '). La no ejecución de los agujeros de sondeo paralelos o
perpendiculares a la foliación imposibilitó la realización de las pruebas en los
testimonios de sondeo adoptando la alineación necesaria (paralelo y
perpendicular) para medir sus propiedades.
De acuerdo con el informe final, la propuesta adoptada ante esta limitación fue
realizar pruebas uniaxiales con dos muestras cilíndricas (hollow) retiradas
adyacentes a las células de tensión obteniéndose las propiedades presentadas
en la Tabla 7. Los resultados con las muestras cilíndricas presentaron gran
dispersión para el módulo elástico.
57
Tabela 7 - Módulo Elástico y de Poisson obtenidos de los ensayos con testigos hollow.
Localização do furo
Número do furo
Litotipo Teste de compressão uniaxial
Modulo Elástico (GPa) ν
Nível 12 1 XS 47-70 0,13-0,27
Nível 14 2 BIF 78-99 0,1-0,13
58
Capítulo 5: Metodología de análisis
5.1 Análisis de los resultados
La campaña de determinación de tensiones contó con tres ensayos para cada
agujero y las lecturas de deformación obtenidas se presentan en la Tabla 8. El
ensayo 2 en el agujero 2 (en la BIF) presentó dos lecturas de deformación
negativas, por lo que se desconsideraron para la interpretación del tensor de
las tensiones principales.
Tabela 8 - Lecturas de deformaciones obtenidas en los ensayos.
Nível -
Furo
Ensaio nº
Leituras de deformação para os 12 strain gauges
e¹ e² e3 e4 e5 e6 e7 e8 e9 e10 e11 e12
12 – Furo 01
1 535 59 96 567 691 8 474 119 676 44 222 314
2 591 67 132 461 756 115 558 273 687 68 488 256
3 746 38 92 657 706 71 544 221 756 54 547 293
14 – Furo 02
1 211 589 921 170 599 499 704 429 819 487 134 989
2 376 583 701 200 82 86 1066 620 358 -309 -122 168
3 193 528 807 180 685 535 680 409 808 447 104 1219
La interpretación de las tensiones obtenidas con las lecturas de deformación
arriba consideró los parámetros (Ε y ν) de los litotipos (XS y BIF) ya conocidos
por la mina en la fecha del ensayo, y se resumen en el Anexo IV. Se resalta
que esa interpretación consideró ambos litotipos con sus propiedades
isotrópicas.
La orientación de las tensiones principales calculada en los dos agujeros
presentó relativa concordancia para el vector σ2, presentando dirección NE y
bajo buceo. Sin embargo, la tensión principal mayor, σ1, en el agujero 1, indicó
tener dirección NS con buceo alto de 60º, mientras que para el agujero 2 en la
BIF esta indicó ser subhorizontalizada y de dirección NW / SE. La tensión
principal menor, σ3, indicó las siguientes orientaciones 304/14 (dirección /
caimiento) en el agujero 1 y 205/81 (dirección / caimiento) en el agujero 2,
siendo muy distintas una de la otra.
En el punto 3.1.2 (Figura 12), se presentó una terminología para las tensiones
in situ en macizos rocosos caracterizados por planes de anisotropía o
heterogeneidades, siendo llamada tensión estructural. En el punto 3.1.4.2, en la
Figura 15 es posible identificar cómo el campo de tensión distal (far field) es
perturbado por esos planes de anisotropía y la tensión principal en el material
59
es rotacionada de acuerdo con la dirección de la anisotropía. Las fotos de los
testimonios del agujero 1 realizado en el nivel 12 (Figura 28) evidencian la
fuerte anisotropía marcada por la foliación en la roca metavulcanoclástica
ensayada. Aunque no se tiene el mapeo geológico de detalle de la región del
ensayo, el estereograma con las medidas estructurales de la mina Cuiabá
(Figura 9A) indican actitudes para la foliación con azimutes SE-S y buceo entre
20º y 50º. La orientación obtenida para la tensión principal mayor en el ensayo
del nivel 12, σ1 = 188/60, puede entonces haber sido fuertemente controlada
por la foliación en este lugar si ésta tiene actitud hacia S. El campo de
tensiones estimado para este local puede estar representando así un " campo
de tensiones locales (cerca de campo) orientado por la foliación (anisotropía).
En diferentes orientaciones de los orificios obtenidos en 1 y 2, se encontró que
la magnitud de las tensiones principales no son similares, anexo III. Un análisis
válido que deben introducirse en las magnitudes medidas es la comparación
entre la tensión vertical estimada por la ecuación (1) y la del ensayo. Sabiendo
que el agujero es de aproximadamente 1, el estrés 800m de profundidad,
vertical (σy) estimada para ese punto simplemente considerar el peso de los
estratos de roca anteriormente utilizando la ecuación (1) estaría cerca de
22,4MPa, considerando un peso específico igual a 0,028MN / m3. Así, el valor
medio obtenido igual a 24,3MPa (σy, Anexo III) es próximo y presenta
consistencia con el estimado (22,4MPa). El ensayo del nivel 14, que fue
realizado a 133m por debajo del primero, tuvo un valor para la tensión vertical
media igual a 21.1MPa (σy, Anexo III), siendo menor que el calculado para el
agujero 1 y también si se compara al estimado por el peso de la columna de
roca (26,1MPa). A pesar de las diferencias obtenidas para las magnitudes de la
tensión vertical en los dos ensayos comparados al peso de la columna de roca,
aún sí los valores son coherentes y muy próximos.
La expectativa de obtener orientaciones de tensiones similares en los dos
ensayos puede considerarse al principio válido. Sin embargo, ensayos de
determinación de tensiones son sensibles a diversas variables y los resultados
presentados arriba son diferentes en su orientación y magnitud cuando se
comparan. Una primera cuestión estaría asociada al litotipo en que se
realizaron los ensayos. Los litotipos de los agujeros 1 y 2, XS y BIF, poseen
composición mineralógica distinta lo que refleja en su módulo de Young y
consecuentemente, en la deformación obtenida en los ensayos. En segundo
lugar, ambos fueron tratados como isotrópicos y, sin embargo, poseen planes
de folio / bandado definidos y de espesores variados que crean condiciones
sensiblemente diferentes en el macizo rocoso.
Otra cuestión que impide una comparación directa entre los ensayos es que los
cálculos realizados consideraron valores medios para los parámetros elásticos
60
de los litotipos y cómo estos pueden presentar gran dispersión, conforme a lo
visto en la Tabla 7 del ítem 4, los valores utilizados pueden no ser adecuados.
Como ya se ha descrito anteriormente, el campo de tensiones locales puede
sufrir perturbaciones debido a las estructuras geológicas. La región del agujero
2, como se muestra en el mapa geológico en el Anexo II, se trata de una región
de plegado del mineral en el cuerpo Fonte Grande Sul. El modelo de los
pliegues regionales, reconocidos en la mina Cuiabá, resulta que la capa de BIF
sea, generalmente, más gruesa, con inmersiones variadas, ya veces,
rompimiento de su estructura, atribuyendo así una condición geológica peculiar
a esos locales. La magnitud medida en los ensayos de sobrecalentamiento en
el nivel 14 indicó valores altos como, por ejemplo, σ1 igual a 65MPa, que
pueden ser compatibles a lugares de concentración de tensión, como en
pliegues.
Hudson y Cooling (1988) describen cómo los contrastes de rigidez entre
materiales como lo que ocurre en la mina Cuiabá influencian y perturban de
manera general la orientación de las tensiones in situ. En la Figura 30, se
presentan tres situaciones distintas en las que las tensiones in situ se alteran
por la presencia, en el caso 1, de una discontinuidad abierta, en 2 cuando ésta
posee la misma propiedad (E, módulo elástico) del medio y por fin, en el caso
3, cuando tiene rigidez mayor que el medio. En el caso 3 se observa que las
tensiones se desvían de la siguiente manera:
A tensão principal maior, σ1, se ortogonaliza à camada de módulo maior,
ED >E;
A tensão principal intermediária, σ2, se paraleliza à camada de módulo
maior, ED>E.
61
Figura 31 - Cambio en la orientación de las tensiones in situ debido al diferente valor del
módulo de Young entre materales (Fuente: Hudson y Cooling, 1988).
Como se mostró anteriormente la geología de la mina Cuiabá (ítem 3.1.4.2) se
resume en un paquete de formación ferrífera bandada (BIF) encajada en xistos.
En términos de propiedad reológica, se tiene entonces una capa rígida,
representada por la BIF en un medio menos rígido, xistos, cuyos módulos
elásticos pueden ser comparados como EBIF> EXISTO. Los datos del mapeo
geológico del nivel 14 en la región del ensayo presentan para la BIF una
dirección media NE / SW (dirección de buceo entre 112º y 135º) y buceo entre
20º y 40º, Figura 31. Cuando se compara con la orientación de la tensión σ1
(dirección y caudal igual a 311/03) medida en el ensayo y la dirección de la
capa de BIF se observa que éstas son aproximadamente ortogonales, Figura
31. La tensión σ2 (dirección y caudal igual a 041 / 08) a su vez es
aproximadamente paralela a la dirección de la BIF.
El análisis de la orientación de las tensiones determinadas en el ensayo y la
actitud de BIF indican que a partir de la teoría de Hudson y Cooling (1988) la
capa de BIF funciona como un mamparo rígido para las tensiones in situ. Por lo
tanto, la orientación de las tensiones in situ en la BIF puede presentarse
perturbada originando un campo local (field field) diferente del distal (far field).
62
Figura 32 - Estereograma con representación de la actitud de la BIF y las orientaciones de las
tensiones principales, σ1 y σ2. Se observa que σ1 es aproximadamente ortogonal a la actitud de BIF y σ2 paralela a ésta (Fuente: Miyabukuro, 2018).
Así, la comparación entre las dos mediciones no debe ser hecha con el
propósito de elegir una de ellas como la correcta para la mina Cuiabá y sí
tenerlas como datos de ensayo para futura utilización.
En el informe final de los ensayos, Coetzer y Sellers (2004) presentan una
evaluación de los efectos de las propiedades anisotrópicas para los cálculos de
las tensiones en el agujero 1 (Anexo III). Los valores utilizados para las
propiedades anisotrópicas proceden de los ensayos de muestras en cubos. Las
orientaciones de las tensiones calculadas considerando el macizo como
anisotrópico fueron semejantes a las obtenidas antes con ése como isotrópico.
En comparación con los resultados presentados en el Anexo III, se observa que
la diferencia entre las orientaciones de las tensiones principales (para el caso
isotrópico y anisotrópico) se limita a pocos grados, principalmente, en sus
ángulos de buceo. Sin embargo, al comparar las magnitudes calculadas puede
concluirse que las tensiones principales tuvieron valores muy inferiores si se
compararon con los del cálculo con macizo isotrópico. Las estimaciones para el
macizo anisotrópico fueron evaluadas entonces, como de baja confiabilidad con
relación a las magnitudes de las tensiones debido a los parámetros de entrada.
Otro punto a ser analizado es la razón entre las magnitudes de las tensiones
horizontales y verticales medidas para el mejor ajuste del agujero 2 (BIF), KH,
Kh y KHa, como se muestra a continuación:
63
𝐾𝐻 =𝜎𝐻
𝜎𝑉= 2,36 Ec. 9
𝐾ℎ =𝜎ℎ
𝜎𝑉= 2,14 Ec. 10
𝐾𝐻𝑎 =𝜎𝐻𝑎
𝜎𝑉= 2,25 Ec. 11
El valor de KHA para el ensayo en la BIF se comparó con varios valores
compilados en el gráfico de Brady y Brown (2004) de la Figura 32 y se presenta
cerca del límite de la curva k = 0.3 + 1500 / z. Para la profundidad que se
ejecutó el ensayo, este puede ser considerado un valor un poco alto, sin
embargo, como se presentó anteriormente la determinación del nivel 14 fue
ejecutada en región de plegado que naturalmente es una región de
perturbación de la magnitud y dirección de las tensiones. Por lo tanto, la
utilización de la magnitud del resultado del ensayo en la BIF como parámetro
de entrada en modelos numéricos o dimensionamientos de la mina debe ser
hecha con extrema precaución.
Figura 33 - Variación de KHa con la profundidad. El valor estimado para KHa estaría cerca de
la curva límite a la derecha (Fuente: Brady y Brown, 2004).
5.1 Análisis de modelos numéricos anteriores
Los estudios de calibración de las propiedades de los macizos rocosos de la
mina Cuiabá fueron realizados por Barbosa (2010) considerando el fenómeno
64
de breakout en un orificio de ventilación del nivel 14, específicamente en el
cuerpo Serrotinho, con el programa de modelado numérico MAP3D. A partir del
comportamiento de deformación del macizo representado por las roturas por
tensión en las paredes del agujero fue construido un modelo numérico que
reflejara la dimensión conocida de esas roturas. El modelo utilizó como
parámetro de entrada las tensiones in situ de los ensayos de
sobrecalentamiento realizados en 2004 en el nivel 14 en la BIF.
El principio para la calibración del modelo fue obtener una profundidad de
rotación igual a 20 cm a lo largo de la longitud longitudinal del agujero como se
observa en el campo, Figura 33. Otro criterio en la calibración fue ajustar el
lugar de las roturas en el modelo con la orientación real medida, en el caso NE
/ SW conforme presenta la Figura 34.
Figura 34 - a) Sección con representación esquemática de la zona de rotura; b) Agujero de
ventilación subvertical con quiebra en el nivel 14 de la mina Cuiabá, (Fuente: modificado de Barbosa, 2011).
65
Figura 35 - Resultados de los modelos numéricos construidos en el programa MAP3D. a) Tensión principal máxima en el modelo. b) Deformación total, destaque para la profundidad de
20 cm de rotura más allá del radio original del agujero, (Fuente: Barbosa, 2011).
La actitud de la tensión principal máxima en el modelo calibrado fue consistente
con la de la dirección preferencial del mecanismo identificado según la teoría
de los desgloses. La utilización de modelado numérico para estudios de los
orificios de ventilación se mostró entonces, con gran potencial como
herramienta para estimar las tensiones in situ en la mina Cuiabá. En el
siguiente ítem se describirá todo el análisis efectuado de las saltos por
desglosado para diversos otros agujeros de la mina.
5.2 Breakout
La ventilación y la refrigeración de la mina Cuiabá son realizadas por la
circulación de aire en agujeros inclinados de agotamiento y aducción de las
mismas al subsuelo. Estos agujeros se encuentran distribuidos en todos los
niveles de la mina atendiendo a los cuatro cuerpos mineralizados y los
principales agujeros están conectados a la planta de refrigeración en la
superficie. Además de su función de ventilación y refrigeración, estos también
se encuadran como salidas de emergencia y apoyo para paso de tuberías de
agua, energía y rechazo backfill.
Los agujeros se realizan por una máquina de subida bore que a partir de un
agujero piloto (central) de 12 "de diámetro, en promedio, se extiende
posteriormente al diámetro calculado de acuerdo con las exigencias de
ventilación de la mina. Los orificios, generalmente, poseen una inclinación entre
45º y 70º y profundidad variable de 50 a 300m.
En el año 2005, un agujero de ventilación realizado en la terminación del
cuerpo Fonte Grande Sur (región oriental de la mina) a partir del nivel 9 (cuota
66
411m) llegando al nivel 11 (cota 287m) presentó poco después de su
conclusión saltos continuos a lo largo de su pared.
De acuerdo con el relato de funcionarios que trabajaron en la ejecución de este
agujero, las quiebras observadas estaban colocadas en su parte inferior y
superior. Se resalta que en esta época, no había ninguna actividad de labranza
en su proximidad, lo que restringe la posibilidad de que sean salidas
resultantes de la tensión inducida por otras excavaciones. Esa fue entonces,
una de las primeras ocurrencias de roturas en los orificios de ventilación en la
mina Cuiabá y que pasaron a ser frecuentes en varios otros lugares.
Figura 36 - muestra un ejemplo de orificio de ventilación observado en mina Cuiaba con aparición de ruptura (Fuente: Anglogold Ashanti, 2017).
Las rupturas observadas a partir de entonces, fueron interpretadas como
rupturas por breakout, ya que se trataba de roturas diametralmente opuestas
en excavaciones circulares resultantes de la concentración de tensión en sus
paredes.
67
Como se ha descrito anteriormente, los desgloses se consideran excelentes
indicadores en la estimación del campo de tensiones en una región, con la
posibilidad de determinar la orientación y la magnitud de las tensiones
principales. Ante su importancia, el análisis de los desgloses creó la
perspectiva de su estudio como un posible método para determinar las
tensiones in situ en la mina Cuiabá. Este sería dependiente sólo del
levantamiento y tratamiento de los datos de campo y tendría un costo muy
pequeño si se compara a los métodos radicales (directos) de determinación de
tensión que requieren contratación de empresas especializadas.
5.2.1 Localización de los orificios de ventilación estudiados
El estudio realizado contempló el levantamiento de agujeros ubicados en las
adyacencias de los cuatro principales cuerpos de mineral de la mina Cuiabá
(Serrotinho, Fonte Grande Sul, Balancón y Galinheiro) y también, aquellos
agujeros que están posicionados en la región central de la estructura de la
mina ("pera"). Se levantaron 35 agujeros entre los niveles 7 y 15 de la mina
Cuiabá que se encuentran en las cuotas 584 y 11m, respectivamente. Se
destaca que el datum de referencia para las cuotas de la mina es el nivel del
mar (elevación 0m). Como se muestra anteriormente, la altitud en la superficie
de la mina es entre 840 y 1060m. En el anexo IV figura el nivel de ubicación de
los agujeros levantados y de los anexos V y VI, descripción y fotografía de los
mismos.
5.2.2 Metodología
El estudio de los desgloses se realizó a partir del levantamiento y análisis de
variables que pudieran contribuir a la interpretación de las roturas en los
agujeros, además de la condición del estado de tensión alrededor de esa
excavación. En primer lugar, como se ha descrito anteriormente, se han
mapeado agujeros en diferentes profundidades y región de los cuerpos
mineralizados que cubren la mayor parte de la estructura geológica de la mina.
Se consideraron también agujeros que tuvieran o no quiebras con el propósito
de diferenciar las propiedades y mecanismos que pudieran controlar su
ocurrencia.
Los parámetros descritos en el mapeo de los agujeros fueron:
Nivel en la mina;
Posición de observación del agujero, parte superior o base de éste;
Azimut y ángulo de buzamiento del agujero;
Existencia o no de saltos;
68
Descripción cualitativa de la quiebra (rasa, profunda, abierta, cerrada,
redondeada,
etc.);
Medición de la extensión lateral de la caída, como se muestra en la
Figura 4.12;
θb = ángulo entre el final de la quiebra y la posición a 90º del medio de
la quiebra, sentido
(en el caso de las mujeres).
L = extensión lateral de la rotación en la pared del agujero (Figura 4.12);
R = rayo inicial del orificio de ventilación;
rb = rayo inicial del agujero más la profundidad de la rotación dentro del
macizo
rocosa;
Azimut de la quiebra;
Litotipo
Discontinuidades (foliación, fracturas, etc.), azimut y buzamiento;
Parámetros de la clasificación de macizos rocosos de Bieniawski (1989),
RMR;
Parámetros de la clasificación de los macizos rocosos de Barton (1974),
Q.
Figura 37 - Parámetros medidos en las saltos de desglose, modificado de Zoback et al. (1985).
En el Anexo V y VI figuran los parámetros indicados anteriormente para los
agujeros así como las fotos y observaciones adicionales.
69
5.2.3 Ocurrencia de los orificios de ventilación con rotura
El estudio de los desgloses se realizó a partir del levantamiento y análisis de
variables que pudieran contribuir a la interpretación de las roturas en los
agujeros, además de la condición del estado de tensión alrededor de esa
excavación. En primer lugar, como se ha descrito anteriormente, se han
mapeado agujeros en diferentes profundidades y región de los cuerpos
mineralizados que cubren.
En cuanto a la profundidad en que las roturas en los agujeros ocurren, éstas se
observaron en agujeros del nivel 11 (a 730m de profundidad) mientras que en
el nivel 15 (930m de profundidad) existen agujeros totalmente intactos en rocas
encajantes con la misma clasificación geomecánica (Q y RMR). Estas
observaciones indican que las roturas no están condicionadas directamente por
el aumento de profundidad, y consecuentemente, el aumento de la magnitud de
las tensiones. Sin embargo, en profundidades menores que 500m no se han
identificado agujeros con saltos, lo que retrata una condición de tensiones
insuficientes para la ruptura del macizo.
Otra cuestión supradescrita es que muchos agujeros ya poseía quiebras poco
después de su conclusión, no siendo resultantes así de la tensión inducida por
el avance de la labranza en realces de producción adyacente.
Los agujeros levantados tuvieron aún sus quiebras estudiadas en relación a su
orientación. Sin embargo, antes se hace necesario explicar que la posición y
orientación de gran parte de los agujeros de ventilación en la mina son
controladas por el plunge de los cuerpos mineralizados que se sumergen a SE.
Los agujeros que se encuentran en las terminaciones de los realces de
labranza actuando en su ventilación y agotamiento acompañan así sus
orientaciones. Esta condición restringe ligeramente el análisis de las saltos a un
intervalo limitado de azimut como se muestra en el estereograma de la Figura
4.13 con todos los 35 agujeros levantada.
De los agujeros levantados el 60% constituyen agujeros de ventilación de los
realces de labranza que siguen por la roca encajante el azimut del cuerpo
mineralizado para SE, Anexo VI. El otro 40% (14 agujeros) analizados forman
parte de la infraestructura de la mina y también acompañan el plunge para SE
con sólo 4 excepciones, N9, 7DIST_1, 7DIST_2 y 7INFRA. En las figuras del
Anexo V es posible notar cómo los agujeros poseen azimutones similares
estando alineados y con buzamiento para SE.
70
En la Figura 38, se distinguen los agujeros con y sin quiebra, se observa que
éstos se concentran con una orientación cuyo azimut varía entre 130º y 160º y
buzamiento medio de 50º.
Figura 38 - Furos de ventilación con y sin saltos analizados. En la figura se identifican algunos agujeros sin saltos (Fuente: Miyabukuro, 2018).
En principio esta orientación podría indicar un rango preferencial para la
ocurrencia de saltos, pero como destacado en la Figura 4.13 otros agujeros
que poseen la misma orientación con variación de pocos grados no presentan
ninguna evidencia de quiebra. Por eso, se descartó la interpretación de que las
saltos de los agujeros están condicionadas necesariamente por una orientación
específica.
A continuación, se comparó la orientación de las rupturas con las tensiones
determinadas por los ensayos de sobrecalentamiento. En la Figura 39, es
posible notar que la tensión principal mayor determinada en el nivel 14 (en la
BIF), igual a 311/03, está alineada con la dirección NW / SE de las saltos. Así,
la localización de las roturas en la excavación es exactamente lo contrario de la
posición indicada por la teoría del desglose. Al confrontar la orientación de la
tensión principal mayor estimada en el nivel 12 (en la roca encajante) igual a
188/60 se observa que los agujeros con roturas poseen un buzamiento
semejante, pero con diferencia entre sus azimut de 10º a 60º para E, no
existiendo ninguna ortogonalidad entre la dirección de la tensión y la posición
de la rotura en el agujero.
71
Figura 39 - Furos con roturas y representación de la dirección de la tensión principal estimada para el nivel 12, azimut 188º y para el nivel 14, azimut 311º (Fuente: Miyabukuro, 2018).
A partir del análisis de todos los datos anteriores se verificó que los saltos en
los orificios de ventilación no son necesariamente controlados por:
Profundidad;
Localización en la pera;
Cuerpo mineralizado;
Azimut y buzamiento;
Ortogonalidad con las tensiones principales estimadas por el ensayo de
sobrecalentamiento ya realizado;
Influencia de la tensión inducida por otras excavaciones;
Calidad del macizo rocoso.
5.2.4 Método analítico para determinação do K horizontal (KH*)
Las rupturas observadas fueron inicialmente estudiadas considerando la teoría
formulada por Zoback et al. (1985) en las que las salpicaduras en los orificios
circulares se pueden utilizar para determinar la razón entre las tensiones
principales horizontales, KH * = σH / σh. El valor de KH se calcula de la siguiente
manera:
𝐾𝐻∗ =
𝜎𝐻
𝜎ℎ Ec. 12
Sendo,
72
𝐾𝐻∗ =
𝑑−𝑏
𝑎−𝑐 Ec. 13
Onde,
𝑎 = [(1 + 𝜇2)1
2⁄ − 𝜇] (1 − 2 cos 2𝜃𝑏) Ec. 14
𝑏 = [(1 + 𝜇2)1
2⁄ − 𝜇] (1 + 2 cos 2𝜃𝑏) Ec. 15
𝑐 = −𝜇 + (1 + 𝜇2)1
2⁄ − 𝑅2
𝑟𝑏2⁄ [(1 + 𝜇2)1
2⁄ + 2𝜇] + 3 𝑅4
𝑟𝑏4⁄ (1 + 𝜇2)
12⁄ Ec. 16
𝑑 = −𝜇 + (1 + 𝜇2)1
2⁄ − 3 𝑅2
𝑟𝑏2⁄ [(1 + 𝜇2)1
2⁄ + 2𝜇] + 3 𝑅4
𝑟𝑏4⁄ (1 + 𝜇2)
12⁄ Ec. 17
Siendo μ la tangente del ángulo de fricción de la roca y los otros parámetros (R
y rb) se presentan en la Figura 36.
Para la aplicación de su proposición, se consideraron 4 orificios de ventilación
(Tabla 9) con roturas que pudieron tener todos los datos necesarios de sus
saltos medidos conforme a la Figura 36 y exigidos en las ecuaciones 11 a 14.
Además de esa premisa, fueron seleccionados los que estaban en regiones
aisladas sin la influencia de la tensión inducida por realces de la labranza. La
mina Cuiabá es estructurada de manera que parte de los agujeros de
ventilación ejecutada es colocada próxima al final de un cuerpo mineralizado (a
lo largo de su strike) y que será posteriormente labrado. Si los paneles de
labranza dimensionados con alturas verticales de 33 o 60m, en promedio, y con
decenas de metros de longitud, la tensión inducida por esas excavaciones en
las proximidades de los orificios de ventilación (generalmente, con menos de 3
m de diámetro) se puede omitir. Por eso, en el análisis fueron desconsiderados
los casos en que existía posibilidad de que las quiebras fueran el resultado de
las tensiones inducidas por otras excavaciones y no sólo por la tensión in situ y
concentración de tensión de la excavación (agujero). El levantamiento de
campo fue realizado cuando varios realces de labranza ya estaban en actividad
no pudiendo así, garantizar para los agujeros con quiebra el histórico de las
mismas se formaron antes, durante o después de la actividad de explotación.
Tabela 9 - Furos de ventilación con desgloses analizados para la evaluación del KH*.
Furos Cota de topo (m) Azimute Mergulho
9GAL NIVEL 397 151º 48º
13.1SER LD 278 162º 48º
14.1SER LD 276 132º 51º
15FGS 74 157º 57º
73
Después de la consideración de las premisas citadas, los parámetros
levantados fueron usados en las ecuaciones 09 a 14 presentadas en Zoback et
al. (1985) y los resultados obtenidos para los valores de KH* se presentan en la
Tabla 10.
Tabela 10 - Resultado para el valor de KH * a partir de las saltos en 4 orificios de ventilación.
Furo
Dados entrada Fatores KH
L (m) R(m) Φb rb rb/R θb=(π/2)-
Φb μ a b c d
σH/σh
13.1SERLD 0,8 1,05 22,4 1,15
1,1 67,6 0,67 1,29 -0,223 0,923 1,978 5,99
15FGS 0,7 1,05 19,5 1,2 1,14 70,5 0,67 1,363 -0,295 0,703 1,852 3,25
9GALNIVEL
1,27 1,55 24,2 1,87
1,21 65,8 0,67 1,242 -0,174 0,491 1,665 2,45
14.1SERLD 0,75 1,05 20,9 1,2 1,14 69,1 0,67 1,328 -0,26 0,703 1,852 3,38
El resultado obtenido en los cuatro agujeros indicó valores altos para la razón
KH*. El trabajo de (Zoback et al., 1985) propuso una relación entre rb / R para
varios ángulos de apertura del breakout (φb) en que los valores a ser estimados
para KH* no sobrepasan 3, como muestra la Figura 39.
Figura 40 - Razón entre las tensiones horizontales frente al radio del desglosado normalizado. Δp representa la presión del material. (Fuente: Zoback et al., 1985).
Se observa que aunque los valores de φb medidos para los cuatro agujeros
están entre 19 y 24 y son coherentes con los de las curvas del ábaco (Figura
40), la razón entre rb / R es superior o muy próxima a los límites estudiados por
el autor. En consecuencia, los valores de KH* obtenidos también fueron altos.
Incluso en lugares de la corteza con gran diferencia entre σH / σh ≈3 el radio del
agujero sólo aumentaría, por ejemplo, el 10% cuando su quiebra alcanzara 40º
de apertura.
La Figura 41 muestra en la pared de una excavación un agujero de detonación
con roturas similares a las de los orificios de ventilación estudiados y destaca la
profundidad de la zona de quiebra alcanzada en el macizo rocoso. En esta es
74
posible notar que las capas de pizarra en la pared del agujero todavía se
sostuvieron en su parte superior e inferior a pesar de su ruptura. Se destaca
también que la profundidad total de rotura en el macizo sólo es posible
observar con cierta precisión por un corte perpendicular a la excavación en que
el agujero fue realizado o cuando toda porción quebrada se desprende. En los
agujeros de ventilación levantados, la medición de esa profundidad (rb) fue
controlada por la cantidad de roca quebrada que se desprendió de sus
paredes, principalmente en la porción superior, como se muestra en la Figura
36. Es decir, el valor de rb levantado puede ser aún mayor.
La Figura 41 muestra cómo el límite propuesto por Zoback et al. (1985) del
12% (eje de las abscisas) para el aumento del radio del agujero es pequeño en
el caso de los agujeros de la mina Cuiabá.
En el agujero de la Figura 41 es probable que la zona de rotura haya alcanzado
como mínimo el 70% más allá de su radio original (rb / R = 1,7).
En comparación con el valor de KH* para las tensiones estimadas en los
ensayos de sobrecalentamiento en el agujero 1 (XS) y los resultados de la
Tabla 10, se nota la incoherencia de estos últimos. La razón entre las tensiones
horizontales medias para el ensayo del agujero 1 sería igual a 1,17.
El análisis de los resultados y la comparación con el ábaco de la Figura 40
concluye entonces que la razón entre la profundidad de la zona de daño en el
agujero y el radio original excede los límites del ábaco e inviabiliza la utilización
de éste para estimar KH*. Una posible explicación para la inconsistencia
verificada en los valores de KH* puede estar asociada al uso de esta teoría en
rocas anisotrópicas y que originalmente, fue desarrollada para rocas
isotrópicas.
Figura 41 - Furo de 2 "para detonación con saltos diametralmente opuestos con destaque para
la región en que los planes de la foliación sufrieron ruptura de su estructura en el macizo
75
rocoso. En la parte superior del agujero, a pesar de la ruptura de su pared el envoltorio todavía sostiene parte de sus planes de foliación. (Fuente: Miyabukuro,2018).
76
Capítulo 6: Resultados
Los estudios realizados en la presente disertación tuvieron el objetivo de
caracterizar el campo de tensiones in situ en que se inserta la mina Cuiabá. En
su desarrollo se aplicó la metodología propuesta por Stephansson y Zang
(2012) para la construcción de un modelo final de tensiones (FRSM) en una
región cualquiera. Los trabajos no siguieron necesariamente las etapas
mostradas en la Figura 41, ya que la mina ya poseía ensayos de determinación
de tensión de sobrecalentamiento del año 2004. Sin embargo, todos los otros
datos disponibles y pertinentes sugeridos en la metodología fueron
considerados en la secuencia indicada.
En la primera fase de la disertación, se analizaron los datos necesarios para
determinación del mejor modelo de tensiones estimado, BESM. Se concluyó,
entonces, que:
1. La clase de tensión para los macizos rocosos en la mina pertenece a los
tipos estructural, alterado por excavaciones e in situ en sus puntos de far
field.
2. La variación topográfica regional no afecta las tensiones in situ en las
profundidades estudiadas, a pesar de que los valles y montañas
cercanos a la mina alcanzaban desniveles de casi 400m.
3. El proyecto World Stress Map no tiene ningún dato que pueda contribuir
a el conocimiento de las tensiones in situ en las proximidades de la mina
Cuiaba.
4. Los litotipos fueron descritos con relación a sus estructuras, contacto
entre ellos y las propiedades geomecánicas. Predominan,
esencialmente, dos unidades en la mina Cuiabá, una formada por xistos
con anisotropía acentuada (foliación) y otra constituida por BIF de
carácter rúptil con valores de resistencia a la compresión mayores si se
compara con los xistos (siendo una diferencia por encima de 100MPa).
Estos litotipos también poseen módulo de Young con diferentes
magnitudes siendo EBIF> EXISTOS.
5. Las principales estructuras geológicas regionales y locales han sido
reconocidas y más importantes son plegados de escala métrica. Los
plegables con plunge para SE son responsables de la ruptura y la
duplicación del paquete de BIF, generando también una situación de
tensión estructural.
6. Los datos de los agujeros de sondeo disponibles indicaron la ocurrencia
de discing como uno de los métodos para el estudio de la evaluación de
las tensiones in situ en la mina.
7. Los orificios de ventilación con roturas diametralmente opuestas en cuyo
estudio se aplicó la teoría de los desgloses.
77
Los datos de discing y breakout fueron entonces levantados y analizados en el
paso siguiente, métodos de determinación de tensión (SMM).
En la tercera etapa, denominada como determinación de tensión integrada ISD,
los datos del ensayo de sobrefuraje y los modelos numéricos se utilizaron en
conjunto. La ejecución del ensayo de sobrecalentamiento fue anterior al inicio
de la disertación, por lo que éste fue evaluado primero para ser encuadrado
como dato de entrada en los análisis de las roturas de los orificios de
ventilación.
Los ensayos de sobrecalentamiento se realizaron en el pizarra (nivel 12,
agujero 1) y en la BIF (nivel 14, agujero 2) e indicaron resultados distintos tanto
en orientación como en magnitud. Los ensayos realizados en el nivel 12
indicaron un control de la orientación de la tensión principal (σ1 = 188/60) por
los planes de anisotropía. Aunque no se realizó el mapeo geológico de la
galería de ejecución del ensayo en el nivel 12, la orientación de la tensión
obtenida es similar al estándar regional para la foliación en la mina, con actitud
para SSE y buzamiento entre 30º-50º.
Los ensayos en la BIF indicaron también que la orientación de la tensión
principal mayor intercepta ortogonalmente esa capa, siendo concordante con el
conocimiento teórico sobre condiciones en que materiales con diferentes
módulos elásticos en contacto alteran la orientación de las tensiones in situ.
Los cuerpos mineralizados de la mina Cuiabá poseen una estructura en
formato de pera y son constituidos por la BIF que funciona como un anteparo
para las tensiones in situ debido a que su módulo de Young es más rígido que
el del encajante. Así, las diferentes propiedades existentes entre las litologías
interfieren en la orientación y magnitud de las tensiones in situ, haciendo que
en la región de contacto el campo de tensiones near field sea diferente del far
field, Figura 42.
78
Figura 42 - Representación esquemática de la probable trayectoria de las tensiones in situ en la mina Cuiabá. (Fuente: Miyabukuro,2018).
Las magnitudes obtenidas en el ensayo del nivel 14 indicaron valores altos y un
k no usual. El análisis del mapeo geológico de la región del ensayo resaltó la
existencia de un pliegue de escala métrica en la BIF en el local. Los pliegues
en la mina Cuiabá son responsables de la modificación de la geometría de la
capa de BIF y representan heterogeneidades capaces de perturbar la
orientación y la magnitud de las tensiones in situ en las adyacencias de sus
estructuras.
Los resultados obtenidos para las tensiones en ambos niveles, sin embargo,
adoptaron el macizo rocoso como isotrópico y, debido a la falta de ensayos
triaxiales para la determinación de las propiedades elásticas de los litotipos,
éstas se adoptaron con base en el conocimiento ya adquirido por la mina. Las
estimaciones realizadas para el ensayo del nivel 12 adoptando el macizo como
anisotrópico se evaluaron como de baja confiabilidad debido a los parámetros
de entrada. Se resalta que no se debe hacer comparación entre las dos
mediciones con el propósito de elegir una de ellas como la correcta para la
mina Cuiabá y sí tenerlas como datos de ensayo para su futura utilización.
Se analizaron las saltos en los orificios de ventilación en la etapa de los
métodos de medición de tensión (SMM). Aunque se tiene el conocimiento de
que el macizo rocoso de las rocas encajantes en la mina Cuiabá está
constituido por quistes y que éstos presentan planes de anisotropía (foliación)
bien definidos, las saltos de los orificios de ventilación se evaluaron con la
teoría de desgloses que en la literatura se se aplican a situaciones isotrópicas.
Las roturas en los agujeros no se mostraron buenos indicadores para la
79
determinación de las tensiones in situ como los desgloses donde las
excavaciones circulares presentan roturas diametralmente opuestas en la
dirección de la tensión principal intermedia
La metodología de Stephansson y Zang (2012) se mostró efectiva para el
estudio de las tensiones in situ en la Mina Cuiabá. La creación de un modelo
final de tensiones, sin embargo, es algo momentáneo y continuamente debe
ser revisado a medida que se realizan nuevos ensayos y modelos numéricos.
Aunque la mina Cuiabá mostró tener sus peculiaridades debido a su
composición y pasado geológico y que dependiendo de la escala de trabajo a
ser adoptada para dimensionamientos de sus excavaciones, por ejemplo,
modelos globales o locales, sus características deben ser resaltadas y no
ignoradas. La aplicación por completo de la metodología demandaría aún la
ejecución de ensayos de determinación de las tensiones in situ con distintos
métodos y que consecuentemente, permitiría confrontar también datos de
ensayos directos. Estos pueden constituir, por lo tanto, estudios futuros de
tensión in situ para la mina Cuiabá.
80
Capítulo 7: Conclusiones y Recomendaciones
La metodología propuesta por la ISRM para determinar las tensiones in situ de
una región se mostró efectiva en los estudios realizados en la mina Cuiabá. Se
evaluó la aplicabilidad de métodos indirectos para estimar las tensiones in situ
en su orientación y magnitud con la utilización de ábacos y fórmulas empíricas.
Dos ensayos de sobrecalentamiento realizados en la roca mineralizada y en el
encajante fueron interpretados y constituyen datos valiosos sobre las tensiones
en la mina. Sin embargo, la realización de nuevos ensayos directos puede
validar o no los resultados obtenidos.
Los métodos analizados de breakout, ensayos directos y discing podrán
considerarse en el futuro o no para añadir mayor información de las tensiones
in situ en profundidad como se describe a continuación:
Breakout
Las rupturas diametralmente opuestas que presentan los orificios de ventilación
en la mina Cuiabá, breakouts, eran consideradas como posibles indicadores de
la orientación de las tensiones in situ. Sin embargo, debido a la foliación
existente en los quistes, se ha demostrado que estos planes controlan las
rupturas analizadas, dependiendo sólo del ángulo entre la pared del agujero y
el plano de anisotropía. La utilización de la posición de las roturas para orientar
las tensiones principales (horizontales) es, por lo tanto, inapropiada en el caso
de la mina Cuiabá y de la misma forma no se pueden emplear (las roturas)
para estimar la razón entre las magnitudes de las tensiones horizontales.
Ensayos de tensión in situ
La mina Cuiabá se encuentra actualmente con operaciones de labranza ya en
el nivel 15 (900m profundidad), es decir, un nivel ya por debajo de la primera
determinación de tensión in situ realizada en el nivel 14, en el año 2004. Así, se
recomiendan nuevas campañas de ensayos de determinación de las tensiones
in situ que proporcionará datos sobre las condiciones que sus excavaciones
estarán sujetas en un futuro próximo. Los métodos sugeridos pueden ser, por
ejemplo, ensayos de sobrecalentamiento (nuevamente) y fractura hidráulica. El
primer ensayo de sobrecalentamiento proporcionó información muy relevante
sobre las condiciones de tensión en los niveles 12 y 14 y, por lo tanto, la
realización de una nueva prueba de este tipo es válida.
La utilización de técnicas de fractura hidráulica para ensayar las rocas
encajantes puede ser utilizada definiendo algunas premisas, ya que la fractura
(hidrofratura) puede ser controlada y dirigida por los planes de anisotropía.
81
Trabajos como el de Ljunggren et al. (2003) ya resaltar las limitaciones del
método igualmente en dominios de alta tensión y con ocurrencia de discing. A
partir de estas restricciones, la elección por el método de fractura hidráulico, si
se hace, primero debe priorizar su ensayo en la formación ferrífera bandada
debido a su relativa homogeneidad si se compara con los quistes y evitar zonas
de pliegues donde pueden ocurrir discings y las tensiones sé que se presentan
modificadas por la estructura geológica.
Es importante resaltar que el conocimiento del tensor de las tensiones in situ en
esas regiones de doblado con ocurrencia de discing, podrá ser una información
aislada. El resultado de un ensayo en las regiones de pliegue puede ser
considerado en otros lugares, ya que el comportamiento de las tensiones in
situ, frente a las variaciones de espesor de la capa de BIF, concentración de
sulfuros, geometría del pliegue y otros factores, puede ser muy variable.
Por lo tanto, la mejor condición para obtener determinaciones de tensión in situ,
con un grado de incertidumbre menor, es la realización de un ensayo de
fractura hidráulica o sobrefura en los locales de BIF, sin ocurrir de discing,
doblado o cualquier otra anisotropía como, por ejemplo, por ejemplo, fallas,
fracturas o vetas de cuarzo que se registran en la mina.
La condición ideal para la programación de los ensayos de tensiones in situ
futuros es que estos puedan ser realizados en varios lugares de la pera,
abarcando todos los cuerpos mineralizados para confirmar el efecto de
reorientación de las tensiones en la capa rígida (BIF) y así, idealizar un
tratamiento estadístico de los datos. Sin embargo, si existe interés en una
nueva campaña de ensayos menos costosa, los mismos pueden restringirse a
las regiones de mayor interés económico y geomecánico.
La comprensión del campo de tensiones in situ en la Mina Cuiabá constituye un
aprendizaje continuo que debe ser perfeccionado considerando el mayor
número de informaciones y ensayos, a medida que la operación de labranza
alcanza niveles más profundos y exigentes desde el punto de vista
geomecánico.
A pesar de los trabajos de labranza subterránea que datan desde el año 1985,
la importancia del conocimiento del campo de tensión in situ se ha vuelto cada
vez más relevante a medida que la mina alcanza profundidades mayores y
considerables con sus excavaciones. En la última década, el proyecto de
expansión llevó a la mina a tener una mayor tasa de producción de mineral y
ante diversos frentes de labranza y desarrollo operando, la respuesta del
macizo rocoso es una cuestión clave no sólo de seguridad, sino también de
garantía de producción. La continuación de las actividades en la mina Cuiabá
82
depende, sin duda, de la valorización y aplicación del conocimiento
fundamental de las condiciones de las tensiones in situ que estarán sujetas a
sus excavaciones.
83
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Anexos
Se adjuntan en formato digital.
