Fundamentos de Geomecánica y Mecánica de Rocas en Minería

Aspectos Geomecánicos Fundamentales

Definiciones Clave

• Mecánica: Área de la física que estudia el efecto de las fuerzas sobre los cuerpos.
• Mecánica de rocas: Rama de la ingeniería que estudia el efecto de las fuerzas sobre las rocas.
• Roca: Parte sólida de la corteza terrestre, formada por bloques sólidos y duros de gran tamaño, encajados y ligados entre sí.
• Suelo: Acumulación de partículas de pequeño tamaño (por ejemplo, 3 o 4 pulgadas) y sin una ligazón fuerte entre sí.
• Discontinuidades: Cualquier tipo de fractura en la roca. Son considerados planos de fragilidad o debilidad.
• Macizo rocoso: Gran masa de roca componente de la corteza terrestre. Está compuesta por:
  • Roca intacta: El volumen de roca que se encuentra entre las discontinuidades.
  • Discontinuidades: Fallas, diaclasas, planos de fractura, de clivaje, etc.

Principios de la Mecánica de Rocas

La Mecánica de Rocas (M.R.) es la ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de la roca y de los macizos rocosos. Corresponde a la rama de la mecánica que estudia la respuesta de la roca y del macizo rocoso a los campos de fuerza de su entorno físico.

Problemas y Desafíos

Uno de los principales problemas es que se desconocen las cargas del material, por lo cual se deben medir los esfuerzos in situ antes de iniciar la obra. Además, las propiedades de la mecánica de rocas son desconocidas, por lo cual se deben medir mediante ensayos de laboratorio o de terreno.

Metodología para el Diseño en Mecánica de Rocas

El proceso de diseño implica varios pasos cruciales:

• Estimar el campo de esfuerzo y su distribución sobre el pilar a diseñar.
• Determinar las propiedades de resistencia y deformación del cuerpo mineralizado y de la roca de caja.
• Caracterizar las estructuras geológicas: localización, persistencia y propiedades mecánicas.
• Evaluar la presión de agua intersticial (presión de poros).

Desafíos Específicos en Diseños Mineros

Los desafíos se relacionan con la correcta evaluación del esfuerzo y la resistencia sobre pilares de acuerdo con la secuencia de excavación y otros problemas inherentes al diseño minero.

Caracterización y Clasificación de Rocas

Clasificación Geológica

La idea es caracterizar ciertos parámetros de la roca que tienen que ver con su resistencia. Estas características se pueden relacionar con las del macizo rocoso. Las clasificaciones principales son:

• Clasificación genética: Ígneas, sedimentarias y metamórficas.
• Clasificación por comportamiento: Se basa en características como la textura (cristalina, clástica), el tamaño de grano (rocas de granos muy finos, rocas orgánicas) y la respuesta mecánica (elástico, frágil, plástico, viscoso, isótropo o anisótropo).

La descripción geológica debe incluir: textura, composición mineralógica, tipo de cementación, alteración en las discontinuidades, diaclasamiento, contenido de humedad, porosidad, etc.

Propiedades Físicas y Mecánicas

1. Porosidad: Indica la proporción entre la parte vacía de la roca (poros) y la parte sólida. Las porosidades normalmente fluctúan entre 0-40%.
2. Densidad: Corresponde al peso por unidad de volumen y puede relacionarse con la mineralogía y constitución de los granos que forman la roca.
3. Gravedad específica: Es la relación entre la densidad del material de interés y la densidad del agua.
4. Permeabilidad: Mide la conexión existente entre poros, de modo que un fluido pueda movilizarse a través de la roca.
5. Resistencia: Mide la competencia de la roca. Se determina a través de ensayos como el de compresión simple y el de carga puntual.
6. Durabilidad: Mide la tendencia de los componentes de la roca a degradarse al exponerse al aire, agua y al paso del tiempo.

Relación entre Roca Intacta y Macizo Rocoso

Es fundamental entender que las propiedades de la roca intacta no definen por sí solas el comportamiento del macizo rocoso. Es necesario escalar las propiedades de la roca a las del macizo rocoso. Los parámetros que influyen en el comportamiento del macizo rocoso son:

• Resistencia de la roca intacta.
• Estructuras geológicas presentes (discontinuidades).
• Características geológicas de la roca.
• Presencia de agua.
• Dirección, tamaño y volumen unitario de la excavación.

A partir de esta evaluación, se pueden definir los refuerzos necesarios en función de la calidad del macizo rocoso.

Métodos de Explotación Minera

Minería a Rajo Abierto (Cielo Abierto)

Es el método más común en Chile, particularmente en la explotación de yacimientos de metales básicos y preciosos.

• Rajo: Explotación a cielo abierto de grandes dimensiones.
• Cantera (Quarry): Nombre que se da a la explotación de minerales que pueden utilizarse directamente en aplicaciones industriales, como es el caso de la sílice, caliza y piedra de construcción.
• Lavaderos o Placeres: Corresponde a la explotación de depósitos de arena en antiguos lechos de ríos o playas, con el fin de recuperar oro, piedras preciosas u otros elementos químicos valiosos.

Minería Subterránea

Se clasifica principalmente en tres categorías según el tipo de soporte utilizado.

Métodos Autosoportantes o de Caserones Abiertos

Dejan la cavidad que el mineral ocupaba vacía. Los caserones son estables de forma natural o con escasos elementos de refuerzo.

• Room and Pillar
• Stope and Pillar
• Shrinkage Stoping
• Sublevel Stoping
• Vertical Crater Retreat (VCR)

Métodos Soportados

Son métodos de caserones que requieren elementos de soporte para mantenerse estables y/o que se rellenan con algún material exógeno.

• Cut and Fill Stoping (Corte y Relleno)
• Excavation Techniques
• Backfilling Methods

Métodos de Hundimiento (Caving)

Las cavidades generadas por el mineral extraído son rellenadas con el material superpuesto (mineral, mientras dura la explotación, y estéril una vez finalizada). El hundimiento y consecuente relleno de las cavidades se produce simultáneamente a la extracción del mineral.

• Longwall Mining
• Sublevel Caving (SLC)
• Block/Panel Caving

Criterios de Selección del Método de Explotación

La elección del método depende de una combinación de factores:

• Características espaciales del yacimiento: Tamaño, forma, disposición y profundidad.
• Condiciones geológicas e hidrológicas: Drenaje, mineralogía y petrografía, composición química, estructuras, planos de debilidad, uniformidad, aguas subterráneas e hidrología.
• Factores geotécnicos: Propiedades del macizo rocoso y del mineral.
• Factores económicos: Costos de operación, inversión, leyes de corte.
• Factores tecnológicos: Equipamiento disponible, nivel de mecanización.
• Factores medioambientales: Impacto ambiental, normativas y permisos.