Influencia de la forma, tamaño y orientación de las excavaciones

Forma de la excavación

La forma que adopte el contorno de una excavación, tendrá influencia favorable o desfavorable en las condiciones de estabilidad de la masa rocosa de dicha excavación. En general, las formas esquinadas representan condiciones desfavorables para la estabilidad, mientras que el “efecto arco” favorece a la estabilidad.

En rocas masivas y frágiles, la estabilidad es gobernada por la forma del contorno de la excavación. Formas rectangulares, pueden exhibir altas concentraciones de esfuerzos en las esquinas que pueden resultar en la falla. Un techo plano puede exhibir concentraciones de esfuerzos de tracción y también resultar en una falla.

El arqueo de los techos de los tajeos, sin embargo, elimina los esfuerzos críticos y ofrece una abertura estable sin peligro de falla.

En rocas diaclasadas, el máximo de tamaño de las cuñas depende del tamaño y la geometría del tajeo o de la galería. Cuñas y bloques de gran tamaño pueden caer a lo largo de la abertura de la excavación, resultando en el agrandamiento de la sección.

Una solución a esto es la forma de la excavación para acomodarse a los rasgos estructurales dominantes de la masa rocosa. Aunque las excavaciones no tendrían una estética apropiada, pero serían más estables, de lo contrario se tendría que utilizar el sostenimiento. En las siguientes figuras se muestran algunos casos, aplicables a labores de avance y tajeos, estos últimos particularmente importantes en los métodos de minado por shrinkage, como también en corte y relleno, donde se podrá controlar adecuadamente las condiciones de estabilidad de la corona y cajas.

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Tamaño de la excavación

El tamaño de la excavación tiene que ser compatible con las condiciones generales geomecánicas de la masa rocosa. Cuando las condiciones geomecánicas no lo permiten y se intenta hacer crecer el tamaño de la excavación, se genera un peligro potencial, si es que no se adoptan medidas de control de la estabilidad de la masa rocosa.

Cuando el tamaño de la excavación crece, los techos, paredes o cajas están expuestos a mayores rasgos estructurales de la masa rocosa. Luego, los bloques y cuñas que se auto sostenían cuando la excavación era pequeña, ahora tienen menos auto sostenimiento, lo cual representa un peligro potencial.

Influencia forma tamaño de excavaciones2

En rocas fracturadas en donde las familias de diaclasas, otras discontinuidades forman bloques rocosos de tamaño mediano grande, éstos tienden a presionarse uno contra en el contra el otro en el contorno de la excavación, logrando autosostenerse, especialmente en excavaciones de tamaño pequeño.

En masas rocosas de estratificaciones horizontales planas, el agrandamiento de la excavación va a afectar la estabilidad de la misma, dependiendo del espesor del estrato, debido a la capacidad de auto sostenimiento de los estratos y también de los esfuerzos. Si el tamaño dela excavación permite que las capas rocosas se muevan unas en relación a otras, entonces la falla de la excavación puede ocurrir.

Hay tres formas de cuñas en la periferia de la excavación en donde se está desarrollando la excavación con cuñas biplanares en el techo, si se ensancha la excavación, la cuña irá creciendo para llegar inevitablemente al colapso, debido al incremento de su peso. La misma conclusión se puede establecer para las cuñas tetrahedrales. Este ejemplo demuestra que el incremento del ancho de la excavación puede reducir las condiciones de su estabilidad.

En rocas intensamente fracturadas y débiles, obviamente el crecimiento de la excavación significará el colapso de la misma.

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Orientación de las excavaciones

La roca puede ser minada con mayor seguridad en una dirección que en otra, la dirección preferencial de avance de la excavación es determinada por el rasgo estructural dominante dela masa rocosa. Minar en la dirección preferencial de avance, significará tener condiciones más ventajosas para la estabilidad de la excavación. Contrariamente, minar en la dirección de avance menos favorable, puede alterar o debilitar la estabilidad de la masa rocosa durante la vida de la mina, representando peligro de caída de rocas.

Si una excavación avanza en forma paralela a un sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, las condiciones de estabilidad de la masa rocosa serán muy desfavorables por el debilitamiento de la roca, principalmente cuando el buzamiento de estas estructuras es mayor de 45°.

En ambientes de altos esfuerzos, el fallamiento de la roca es una constante preocupación, particularmente si la excavación avanza cerca de una falla geológica. En este caso, los esfuerzos se concentran en el área ubicada entre la falla y la excavación y si estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, puede ocurrir la falla. En rocas competentes pueden ocurrir reventazones y hasta estallido de rocas en ambientes de altos esfuerzos.

Influencia forma tamaño de excavaciones3

Lo ideal para tener condiciones de estabilidad favorables de la masa rocosa en una excavación, es que ésta avance en forma perpendicular, cruzando al sistema principal de discontinuidades o al rumbo de los estratos, fallas principales y zonas de corte, es decir, al rasgo estructural dominante de la masa rocosa. En vetas o cuerpos mineralizados angostos, no hay opción de seguir la excavación atravesando las discontinuidades, pues la única forma de llevar a cabo el minado es seguir el rumbo de la estructura. En estos casos, dependiendo de las condiciones de calidad de la masa rocosa, el sostenimiento constituirá un componente importante del minado. E vetas o cuerpos mineralizados que tengan mayor a 10m de potencia, si se puede aprovechar este principio, lo cual influirá favorablemente en las condiciones de estabilidad de la labor minera.

El principio señalado también es aplicable al caso de cuñas biplanares, no siendo recomendable que el eje de la excavación sea paralelo a la cuña biplanar, sino que la excavación atraviese la cuña, es decir, que el rumbo de la cuña sea perpendicular a la excavación, en este caso, las mismas familias de discontinuidades permitirán el auto sostenimiento de la excavación.

Así mismo, el mencionado principio también es aplicable al caso de labores mineras en zonas de pliegues con anticlinales y sinclinales. En este caso, la ubicación y dirección de avance de las excavaciones influirán en las condiciones de estabilidad de las excavaciones. En general, las labores cuyo avance es perpendicular a los ejes de los plegamientos, presentarán mejores condiciones de estabilidad respecto a las orientadas en forma paralela a los ejes, siendo las más desfavorables las paralelas a los ejes de los sinclinales por la concentración de flujos de agua y de los esfuerzos.

Estas consideraciones son particularmente aplicables a los casos de túneles y galerías para drenajes, transporte, etc., que son labores comunes en una mina.

Foto: Compromiso Empresarial

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