Métodos de clasificación del macizo rocoso Prof. Raúl Castro

Geomecánica – Clasificación de macizo rocoso El comportamiento de probetas en laboratorio es muy distinto al comportamiento del macizo rocoso, producto de las discontinuidades y planos de debilidad. Es necesario medir el comportamiento del macizo rocoso Sistemas de clasificación de macizos rocosos GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Importancia de la caracterización del ambiente a explotar Se debe definir el ambiente de la explotación minera en las siguientes circumstancias: En proyectos nuevos En la planificación de nuevos sectores en explotaciones existentes Proyectos de transición de rajo a subterránea Cuando se encuentran dificultades en la operación que signifiquen revisión de parámetros usados en la explotación minera

Impacto de la caracterización del ambiente de explotación en parámetros de diseño Determinación de método de explotación Diseño de excavaciones subterráneas, incluyendo sus dimensiones, formas y requerimientos de soporte y refuerzo Estudios de fragmentación la cual determina el espaciamiento de puntos de extracción y diseño de equipos de manejo de materiales Diseño del nivel de producción y refuerzo/soporte necesario Localización de la infraestructura de la mina Impactos en superficie y en sectores adyacentes en producción debido a la subsidencia. Evaluación de riesgos geomecánicos como lo son explosiones de barro, explosiones de rocas, inestabilidad mayores y explosiones de aire.

Datos requeridos durante la caracterización del ambiente de la explotación Geología Geología regional y local de la mina Forma del yacimiento, tamaño y distribución de leyes Ubicación y naturaleza del contacto entre el yacimiento y la roca de caja Naturaleza de la roca de caja y de cualquier sobrecarga o material alterado La ubicación y naturaleza de alteraciones en la roca de caja y mineral Descripción de estructuras: fallas, zonas de falla, diques, intrusivos y zonas de pliegue sills and folding

Presentación de unidades geologicas (after Flores & Karzulovic 2003a) Mala caracterización

Presentación de unidades geologicas (after Flores & Karzulovic 2003a) Buena caracterización ?

Datos requeridos durante la caracterización Hidrología superficial y subterránea Ubicación de fuentes liquidas superficiales Hidrologia superficial, incluyendo recarga Registro de lluvias Topografía Influencia en posición de infraestructura superficial y accesos, hidrología y esfuerzos in situ Determinación de ubicación de infraestructura civil Sismicidad y riesgo sismico Historia de sismicidad regional Determinar posibilidad de estallidos de roca debido al proceso de caving

Datos requeridos durante la caracterización Caracterización geotécnica Descripción de discontinuidades mayores tales como fallas Descripción de dominios estructurales o dominios geotecnicos Muestreo de discontinuidades Mediciones de propiedades físicas de las unidades litologicas y de las estructuras que conforman la roca mineral y de caja Clasificación del macizo rocoso de todas las unidades litologicas Propiedades mecanicas del macizo rocoso Mediciones de los esfuerzos in-situ Los dominios estructurales son zonas del macizo que tienen homogeneidad en cuanto a las propiedades geometricas y fisicas de las estructuras

Importancia relativa de información de ambiente minero (Flores & Karzulovic 2003a)

Clasificación de macizo rocoso La clasificación permite “escalar” propiedades de la roca intacta al macizo rocoso Varios métodos: RQD (Rock Quality Designation): mide largo de trozos recuperados mayores a 10 cm, dividido por largo total del testigo RSR (Rock Structure Rating): integra geología + geometría + aguas subterráneas y condición de discontinuidades RMR (Rock Mass Rating): integra UCS + RQD + espaciamiento, condición y orientación de discontinuidades + aguas subterráneas MRMR (Modified RMR): agrega esfuerzos in situ e inducidos y efectos de tronadura y alteración por exposición Q (Rock Tunneling Quality Index): RQD + número de sistemas, alteración, rugosidad y presencia de agua en discontinuidades + SRF (stress reduction factor) GSI (Geological Strength Index) GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

RQD: Rock Quality Designation Index (Deere et al., 1967) RQD: % del testigo intacto de más de dos veces el diámetro del testigo. A partir de testigos de sondajes de al menos 54.7 mm de diámetro. RQD es un parámetro direccional. Fracturas por manejo deben ser ignoradas. GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

RSR: Rock Structure Rating (Wickham et al., 1972) El RSR es un método cuantitativo para seleccionar el soporte apropiado y describir calidad del macizo rocoso. Su valor máximo es 100. Se calcula como la suma de tres valores, que miden respectivamente parámetros geológicos, geométricos y de presencia de agua. RSR = A + B + C A: Geología Origen del tipo de roca (ígneo, sedimentario o metamórfico) Dureza de la roca (dura, media, blanda, descompuesta) Estructura geológica (masiva, levemente, moderadamente, intensamente plegada o fallada) B: Geometría  Patrones de discontinuidad con respecto a la dirección del tunel Espaciamiento de fracturas Orientación de fracturas (manteo e inclinación) Dirección del túnel C: Aguas subterráneas y condición de fisuras Calidad del macizo rocoso basado en A y B Condición de fisura (buena, mediana, mala) Cantidad de flujo de agua GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE RSR En base al valor de RSR se recomiendan elementos de fortificación, mediante el gráfico siguiente. Estas recomendaciones son puramente empíricas. El cálculo de los parámetros se presenta en las tres tablas siguientes. GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE RSR Parámetro A GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE RSR Parámetro B GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE RSR Parámetro C GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

RMR: Rock Mass Rating (Bieniawski, 1976 – 1989) Combina 6 factores asignándoles puntajes: Resistencia a la compresión uniaxial Laboratorio Ensayo de carga puntual en terreno RQD: % de recuperación de testigo de largo > 2 veces el diámetro Espaciamiento de discontinuidades (se mide en testigos) Se asume que la roca tiene 3 conjuntos de fracturas Se utiliza el sistema más relevante GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE RMR Condición de discontinuidades Descripción de “aspereza” de la superficie Material de relleno Usar el más liso y desfavorable Aguas subterráneas Flujo de agua en excavación subterránea (si está disponible) Presión de agua en discontinuidades Se puede usar también el testigo Orientación de discontinuidades Depende de aplicación No es fácil de determinar Cámaras en sondajes Mapeo de piques GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

RMR: Rock Mass Rating (Bieniawski, 1976 – 1989) GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

RMR: Rock Mass Rating (Bieniawski, 1976 – 1989) GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

RMR: Rock Mass Rating (Bieniawski, 1976 – 1989) GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Ejemplo Túnel en granito levemente meteorizado con un set de discontinuidad principal con inclinación 60º contra la dirección del túnel. Ensayo de carga puntual entrega valores de 8 MPa y un RQD promedio de 70%. Discontinuidades son levemente ásperas y levemente alteradas con una separación de menos de 1 mm. Están espaciadas cada 300 mm. Se anticipa la presencia de agua durante la construcción del túnel. GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

MRMR: Modified Rock Mass Rating (Laubsher, 1977, 1984) Ajusta el RMR para considerar: Esfuerzos in situ e inducidos Efectos de tronadura y alteración por exposición de la roca fresca al ambiente Modificaciones fueron hechas inicialmente para condiciones en minas de block caving GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

IRMR Laubscher y Jakubec (2000)

Indices (Sistema MRMR) IRS: Intact Rock Strength RBS: Rock Block Strength (indice/MPa) JS= Joint spacing JC= Joint Condition

IRS Si la roca es homogenea IRS=UCS Si el macizo es heterogeneo, entonces el IRS se calcula con un IRS equivalente

Ejemplo: Roca competente= 150 MPa Roca menos competente= 30 MPa (45% del total) UCSdebil/UCSres= 20% 37% UCSres= 0,37 x 150 = 55 MPa

Rock Block Strength Bloque homogeneo Bloque con fracturas y vetillas

Ajuste al IRS FF/ inverso del indice de dureza (V) Índice de relleno de discontinuidades (V)

Ejemplo Los bloques de roca contienen 8 vetillas/m de yeso: IRS= 100 MPa Ff/m x 0,5 = 4 Ajuste vetillas= 0,75 RBS= 100 x 0,8 x 0,75 = 60 MPa Rating (RBS)= 18

Joint Spacing (JS) Se corrige el valor de JS por estructuras rellenas Solo se consideran las estructuras abiertas Ejemplo: En un macizo existen 2 sets estructurales espaciados a 0,7 m (JS=23). Hay un set adicional de vetillas cementadas espaciadas 0,85 m. El valor de ajuste es 90% por lo que JS=0.9 x 23= 21

Ejemplo Macizo con tres set estructurales 1 corresponde a vetillas. El espaciamiento medio de las discontinuidades que forman bloques es 0,5 m. P(JS)= AJC x P(JS) P(JS) = 20 x 0,88 = 18

Joint Condition Máximo JC=40 se ajusta de acuerdo a la condicion de las discontinuidades Ejemplo: Un macizo rocoso contiene un set de estructuras. Estas son curvas, suaves y escalonadas y no tienen relleno y la roca de caja no esta alterada P(JC) = 0,9 x 0,9 x 40 = 32

Si hay mas de un set estructural todos los sets son rankeados y con el mejor y peor de ellos se calcula uno equivalente Ejemplo: JC mejor= 36 JC peor= 18 (30% del total) JC equivalente= 69% x 36 = 25

Rock Mass Rating IRMR(Laubscher and Jacubec, 2000) IRMR= RBS+Rating discontinuidades Rock Mass Strength (RMS, MPa) Ejemplo: RMR=40; RBS=6 (rating); RBS=60 MPa RMS=60 * (40-6)/(75)*=27,2 MPa

MRMR Para diseño: MRMR (rating)=RMR x factores de ajuste DRMS (MPa) =RMSx (MRMR/RMR)

Esfuerzos/tronadura/agua Ajuste por esfuerzos inducidos 60%-120%

Ajuste por estructuras mayores y esfuerzos en estructuras Ajuste a radio hidraúlico Ajuste por prescencia de estructuras mayores LSRMR=0 (ajuste RH en 10%) LSRMR=100 (ajuste RH en -10%)

Q: Rock Tunneling Quality Index (Barton et al., 1974) Con el fin de entregar recomendaciones en la construcción de túneles (principalmente, en obras civiles), se desarrolló este índice. Q varía en escala logarítmica de 0.001-1000 Q = (RQD / Jn) x (Jr / Ja) x (Jw / SRF) Donde: RQD  Rock Quality Designation Jn  Número de sistemas de discontinuidad Jr  Número de rugosidad de discontinuidades Ja  Número de alteración de discontinuidades Jw  Factor de reducción por agua en discontinuidades SRF  Stress reduction factor GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Q Además, las razones que participan en la expresión de Q, pueden también interpretarse: (RQD / Jn)  mide tamaño de bloques (Jr / Ja)  rugosidad y fricción de discontinuidades (resistencia al cizalle entre bloques) (Jw / SRF)  parámetros de esfuerzos Existe una fórmula empírica que correlaciona Q con el RMR. Ésta relación fue propuesta por Bieniawski: RMR = 9 log Q + 44 Todos estos métodos pueden usarse para determinar la estabilidad de las excavaciones y definir la fortificación necesaria GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Q GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

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GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Q GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Q Q puede usarse para definir requerimientos de fortificación: Para ello, es necesario conocer adicionalmente: La luz, diámetro o altura de la excavación El ESR (Excavation Support Ratio) El valor de ESR puede obtenerse de la tabla siguiente y depende de la vida y uso que se le dará a la excavación. Una vez determinado el ESR y la luz de la excavación, se puede, con la ayuda del valor de Q, determinar el requerimiento de soporte. GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Q - ESR GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Q – ESR (Fortificación) GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Algunas relaciones de interes Resistencia a la compresión uniaxial del macizo (MPa) Modulo de deformación del macizo (GPa) Velocidad de propagación de ondas P en el macizo

Correlaciones

Módulo Elasticidad Macizo

GSI (Geological Strength Index) La resistencia del macizo rocoso depende de las propiedades de las piezas de roca intacta que lo componen, así como de la posibilidad de que éstas roten o se desplacen bajo distintas condiciones de esfuerzo El movimiento de estas piezas está controlado por su forma y por la condición de las superficies que las separan EL GSI introducido por Hoek (1994) y modificado posteriormente es un sistema para estimar la reducción en resistencia del macizo rocoso para diferentes condiciones geológicas GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GSI (Geological Strength Index) Macizo rocoso con bloques (blocky) GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GSI (Geological Strength Index) Macizo rocoso esquistoso - metamórfico GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GSI (Geological Strength Index) El GSI no es un valor exacto, se trabaja con un rango GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Modulo de elasticidad del macizo (Hoek et al, 2002) Razón de Poisson (Karzulovic, 1999) OBS: Las propiedades del macizo no son aplicables cuando existe un claro control estructural. En este caso importa más las propiedades de las estructuras.

Algunas Relaciones de Interés Si RMR76 >= 18 Si RMR89 >= 23 Para Q de Barton Jw,SRF=1

Comparación de parametrós de entrada en los distintos métodos de clasificación geomecánica

Estructura del macizo rocoso

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Introducción Comportamiento del macizo rocoso depende de: Propiedades de la roca intacta Estructuras Estructuras pueden tener un efecto dominante en la respuesta del macizo a operaciones mineras Influye en elección del método de explotación y en el diseño y disposición de galerías Puede controlar: Estabilidad de la excavación Luces máximas a considerar Requerimientos de fortificación Subsidencia, hundibilidad y frangmentación GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Estructuras y Roca Intacta GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Estructuras y escala de trabajo GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Tipos de estructuras Geología estructural Tipos: Planos de estratificación Pliegues Fallas Zonas de cizalle Diques Fracturas Venas Discontinuidades GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Planos de estratificación Dividen rocas sedimentarias en estratos Interrupciones en el proceso de depositación Muy persistentes Material puede ser diferente en plano de estratificación o haber sido sujeto a metamorfismo Estratos presentan cohesión entre ellos  alguna resistencia a la tracción (+ resistencia por fricción) Depositación en rocas sedimentarias puede generar planos de debilidad paralelos, según la orientación preferente de partículas en el plano GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Pliegues Aplicación de fuerzas tectónicas post-depositación generan cambios en posición de estratos Se clasifican de acuerdo a su geometría y formación Alteran la orientación local de los estratos Pueden tener asociados sets de discontinuidades GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Fallas Fracturas en las que se puede ver desplazamiento relativo a ambos lados del plano de falla Pueden ser de gran extensión o ser estructuras locales Espesor de la falla puede ser de metros a milímetros Relleno puede ser débil (arcillas) o de mayor resistencia (recementado), pero se produce alteración en las caras de la roca fallada Pueden generar fallamiento secundario Son zonas de baja resistencia al corte GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Zonas de cizalle Zonas de varios metros donde se ha producido fallamiento por cizalle Son zonas de relajo de esfuerzos en roca que no ha sido alterada  irregulares Superficies alteradas Son zonas de baja resistencia al corte Difíciles de identificar GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Diques Intrusiones largas y angostas, verticales de caras paralelas Generalmente compuestas de roca ígnea de grano fino Espesor desde centímetros a varios metros Pueden llegar a ser de considerable largo Pueden ser más o menos resistentes a alterarse que la roca huésped Permiten el flujo de agua Pueden estar asociados con estallidos de rocas GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Fracturas Es la estructura más común y la más significativa desde el punto de vista geomecánico Son discontinuidades de origen geológico sin desplazamiento Sets de fracturas Sistemas de fracturas GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE Venas o vetillas Cemento en fracturas Generalmente de origen ígneo, pueden también ser sedimentarias Gran influencia en hundibilidad (El Teniente) Pueden ser más débiles o fuertes que la roca huésped GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE

Propiedades de las discontinuidades Orientación Manteo Inclinación Dirección de inclinación Espaciamiento Persistencia Rugosidad Apertura Relleno GEOTECNIA MINERA – UNIVERSIDAD DE CHILE