Consideraciones en el diseño de excavaciones y los factores que controlan su estabilidad

El conocimiento profundo del macizo rocoso es un requisito indispensable para operaciones mineras seguras. En su investigación Geomecánica en el minado subterráneo, el reconocido ingeniero de minas David Córdova Rojas explica las consideraciones en el diseño de excavaciones y los factores que controlan su estabilidad.

En la industria minera, la geomecánica tradicionalmente ha sido considerada como un asunto ligado primordialmente a la seguridad.

Actualmente, además de la seguridad, hay un reconocimiento creciente sobre su impacto en los aspectos económicos de las operaciones mineras. Por estas razones está habiendo importantes progresos en integrar esta herramienta tecnológica dentro del proceso cotidiano de toma de decisiones en la operación minera.

La geomecánica ligada a la seguridad, significa reducir el número y frecuencia de caídas de rocas, y así evitar o minimizar los daños al personal y a los equipos. Este es un tema sumamente importante en el Perú por las estadísticas de accidente fatales ocurridos en las minas, lo cual ha motivado en la última década que todos los organismos vinculados con la minería lleven a cabo acciones para combatir estas fatalidades.

El impacto de la geomecánica sobre los aspectos económicos, podemos cuantificarlo con los siguientes ejemplos:

• Reducción en los costos de rehabilitación de áreas inestables.
• Ahorro potencial por la no interrupción de la producción a causa de los problemas de inestabilidad.
• Ganancia en la producción por la dedicación del personal a esta tarea en lugar de dedicarse a la rehabilitación de áreas inestables.
• Mayor recuperación del mineral por adecuados diseños geomecánicos.
• Reducción de costos por el minado masivo de grandes aberturas.
• Ahorro en el consumo de cemento de los rellenos cementados.
• Otros.

Consideraciones del diseño de excavaciones mineras subterráneas

La aplicación de la geomecánica al minado subterráneo está basada en premisas simples y quizás evidentes. Postula, que a la masa rocosa puede atribuírsele un conjunto de propiedades mecánicas que pueden ser cuantificadas por procedimientos adecuados. Asevera que los procesos de minado generan una estructura rocosa cuyo rendimiento puede determinarse mediante la aplicación de la mecánica clásica.

Propone que la capacidad para predecir y controlar el rendimiento mecánico de la roca circundante puede mejorar o asegurar el rendimiento económico de la mina, aspectos estos que pueden ser traducidos en la práctica de ciertos parámetros como la eficiencia en la recuperación del mineral, productividad minera o rentabilidad económica directa.

De una manera simplista, la extracción de minerales por métodos de minado subterráneo involucra la generación de un conjunto de excavaciones, de diferentes formas, tamaños y orientaciones, y que a su vez estas cumplen funciones específicas en el proceso productivo.

Los tajeos constituyen la fuente del mineral, su vida esta condicionada a la extracción activa del mineral y sus características principales podemos resumirlas en lo siguiente:

• Son las excavaciones de mayor tamaño y sus zonas de influencia son más grandes, por que incrementan su tamaño a medida que progrese el minado.
• El control de su estabilidad está en función del comportamiento geomecánico y económico individualmente y globalmente.
• Los tajeos condicionan la ubicación, diseño y rendimiento operacional de las excavaciones circundantes.

Según estas características, la consideración de diseño más importante es: establecer adecuados esquemas y secuencias de avance del minado para producir mínima perturbación de la masa rocosa.

Las características principales de las aberturas temporales de acceso y servicios a los tajeos, cuya vida está limitada a la duración del minado, son:

• Están en zona de influencia de los tajeos.
• Su vida de servicio puede imponer condiciones severas y adversas si no se toman en cuenta las perturbaciones del minado.

Según estas características, la consideración de diseño más importante es: establecer su posición, forma y sostenimiento para asegurar su rendimiento.

Las características principales de las aberturas de acceso y servicios, permanentes, cuya vida es comparable o superior a la vida de la mina, son:

• Deben presentar especificaciones rigurosas de rendimiento.
• Su diseño debe ser comparable con otras áreas de la práctica de la ingeniería.

Según estas características, la consideración de diseño más importante es: establecer la ubicación de estas excavaciones.

Factores que controlan la estabilidad de las excavaciones

Hay dos grupos de factores que controlan la estabilidad de las excavaciones asociadas al minado subterráneo de los yacimientos minerales. El primer grupo corresponde a factores pre-existentes a la excavación y el segundo grupo a factores posteriores a la excavación.

Los factores pre-existentes a la excavación son:

• Las características del medio geológico.
• El comportamiento mecánico del medio geológico.
• Los esfuerzos in-situ.

Los factores posteriores a la excavación son:

• Los esfuerzos inducidos por el minado.
• La forma, tamaño y orientación de las excavaciones.
• El carácter dinámico de las excavaciones por el avance del minado.

Estos factores a su vez conforman la data y condicionan la metodología de aplicación de la geomecánica al minado subterráneo.

Efectos de la apertura de excavaciones

Cuando se apertura excavaciones subterráneas en el proceso de minado, por un lado se crea una estructura rocosa, y por otro lado, se generan perturbaciones mecánicas en el medio rocoso.

La estructura rocosa está conformada por:

• Vacíos.
• Elementos de sostenimiento naturales y artificiales.
• Mineral remanente.

Las perturbaciones en el medio geológico pueden involucrar:

• Desplazamientos hacia el vacío creado.
• Nuevos estados de esfuerzos y deformaciones.
• Acumulaciones de energía de deformación.

A fin de mantener adecuadas condiciones de estabilidad de las excavaciones asociadas al minado es necesario controlar estas perturbaciones, de lo contrario se generarán problemas de inestabilidad.

Objetivos de la geomecánica en el minado subterráneo

Según el método de minado que se adopte para el minado subterráneo de un yacimiento, es posible especificar los siguientes cuatro objetivos comunes de la geomecánica para el rendimiento de la estructura de la mina y los tres tipos de aberturas mineras antes indicados:

• Asegurar la estabilidad global de la estructura de la mina.
• Proteger las principales aberturas de servicio a través de su vida de diseño.
• Proveer accesos seguros a los lugares de trabajo en y alrededor de los centros de producción de mineral.
• Preservar en condición de minables las reservas de mineral no minadas.

El problema típico del planeamiento y diseño del minado es determinar la secuencia de explotación del yacimiento satisfaciendo estos objetivos simultáneamente, y la realización de estos objetivos requiere del conocimiento de las condiciones geomecánicas del yacimiento y de la capacidad para analizar las consecuencias mecánicas de las diferentes opciones de minado.

Particularidades del minado subterráneo

Las siguientes, son las particularidades que se dan en el minado subterráneo de un yacimiento:

• El uso de cualquier abertura o labor minera, está bajo el control del operador de la mina, y durante su utilización activa, las superficies de una excavación deberán ser objeto de inspecciones virtualmente continuas por parte del personal de la mina.
• Los trabajos para mantener o restablecer condiciones seguras alrededor de una excavación, variarán desde el correcto desatado hasta la colocación de sostenimiento adecuado, y estos deben ser llevados a cabo en cualquier etapa, bajo la dirección de la supervisión de la mina.
• El diseño de una excavación minera refleja un grado de control inmediato sobre la utilización, inspección, mantenimiento y colocación del sostenimiento de la excavación, suministrado por el operador de mina.
• La estructura de la mina evoluciona durante la vida de la mina, por lo que la secuencia o estrategia de extracción de un tajeo o block de mineral asume gran importancia.

Estas particularidades deben ser tomadas en cuenta para el control de la estabilidad de las excavaciones asociadas al minado.