Resistência de maciços rochosos estruturalmente complexos de mineração submetidos a carregamentos dinâmicos

Abstract

Esta tese de doutorado foi desenvolvida numa fase de construção de taludes altos numa cava a céu aberto de mineração e trata da estimativa de parâmetros de resistência e deformabilidade do maciço rochoso antes e após da escavação a fogo (carregamentos dinâmicos) numa parede rochosa geológica e estruturalmente complexa na mineração de cobre Tintaya para assim avaliar a provável redução de parâmetros num determinado volume dentro do maciço rochoso com perturbação induzida pelo rápido avance de remoção de material, através duma metodologia onde se combina a classificação geomecânica do RMR e o GSI com a união de outras que têm diferentes objetivos como os modelos de vibrações e a conciliação geotécnica. A mineração de escarnito de cobre Tintaya, com produção diária de 300 000 t, se encontra localizada nos Andes Peruanos meridionais e foi utilizada como caso em estudo. Foi selecionada uma das paredes rochosas localizadas numa das diferentes cavas, estudando o maciço norte dividindo este em duas (2) seções com diferentes orientações em quanto à construção, definindo estes como: (i) Talude Tintaya; e (ii) Talude Chabuca. Esta pesquisa foi dividida em três (3) estágios: (i) caracterização geomecânica e ensaios de campo; (ii) ensaios de laboratório em corpos de prova provenientes de sondagens rotativos; e (iii) de análises. Nos taludes selecionados foi cumprido um programa de mapeamento geomecânico mediante as propostas de Bieniawski (1989) e Marinos & Hoek (2000), através de 527 janelas de amostragem, distribuído em bancadas definindo três (3) condições de análise: (i) inicial: antes da detonação; (ii) imediatamente depois da escavação mecânica; e (iii) final: terminado o processo, isto complementado com ensaios de laboratório, assim observando as possíveis mudanças dos parâmetros geomecânicos. Durante a detonação, foram feitos ensaios geofísicos do tipo sísmicos para a determinação da onda P segundo a proposta de Scherpenisse et al. (1997). Para a observação do detalhe das zonas estruturais onde existiu dano ao maciço rochoso foi utilizada a proposta de conciliação de Williams et al. (2009). Definindo-se pelo GSI se propor uma equação para a quantificação do DTINTAYA e se conseguiu a estimativa dos parâmetros de resistência do maciço rochoso, nas diferentes etapas de construção, mediante os critérios de ruptura de Hoek & Brown e de Mohr-Coulomb; os de deformabilidade se acharam com diferentes propostas destacando-se a de Barton (2007). Foram realizadas análises preliminares de estabilidade de taludes onde se verificou a baixa variação do fator de segurança e o incremento de deslocamentos antes/depois das detonações. Para a estimativa da resistência em Tintaya se propuseram duas ferramentas modificadas. Os resultados mostram que o dano ou a perturbação induzida atingem valores de D>1, pelo processo de escavação a fogo ocorrendo isto nos primeiros 25m dentro do maciço rochoso paralelo à face do talude segundo o plano a fogo descrito, se evidenciou principalmente a perda gradual da coesão do maciço rochoso, e um menor grau no ângulo de atrito e no módulo de deformabilidade, nesta zona de influência. O PPV registrado nas detonações atingiram até 600mm/s ocasionando a criação de novas fraturas na face do talude construído no maciço rochoso (GSI=34-54) que apresenta 7 sistemas de juntas com uma Vp medida entre 2.65km/s- 2.88km/s. Foram introduzidos na estimativa do GSI o volume do bloco rochoso (Vb) e o fator geométrico da descontinuidade – espaçamento e apertura das juntas - (Jc), além da inclusão de parâmetros (D e Erm) na proposta de Williams et al. (2009) onde achou-se Fc=0.58-0.62. _________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This doctoral thesis was developed in a mining pushback to construction large scale slopes in a high open pit and consists in the estimation of strength and deformability parameters of rock masses before and after mining blasting procedure (dynamics loads) in a rock wall with complex structural and geological aspects in Tintaya copper mine, then assess the reduction for this parameters within a rock mass with a significance disturbance due to heavy production blasting and stress relief from overburden removal. A methodology for this study combines geomechanical classifications with others methods with different objectives, for example, the vibration models and the geotechnical project conciliation. The Tintaya skarn copper deposit (case study), with daily production of 300 000 t, is located in the southern Peruvian Andes. Was selected one of rock walls with two (2) different orientation sections, define these as: (i) Tintaya Slope, and (ii) Chabuca Slope. This research was divided into three (3) stages: (i) geomechanical characterization and field tests, (ii) laboratory tests on drilling specimens, and (iii) analysis of results. Geomechanical mapping program (Bieniawski, 1989 and Marinos & Hoek, 2000) includes 527 sampling windows, the characterization was define in three (3) conditions accordance stages of benches: (i) initial: before blasting, (ii) immediately after the mechanical excavation, and (iii) final of material removal. The research is complemented with laboratory tests with purpose to evaluate the changes in geotechnical parameters in the intact rock. During blasting are made a geophysical seismic tests to determine the P wave (Scherpenisse et al., 1997). For damage evaluation in benches faces where probably blasting disturbance occurs was used a geotechnical project conciliation (Williams et al., 2009). Is define the equation for a quantification of disturbance factor DTINTAYA for the estimation strength parameters of rock mass but in various stages of construction using Hoek & Brown and Mohr-Coulomb failure criteria. The deformability moduli rock mass was found with different methods but have an emphasis in Barton (2007) proposal. A preliminary slope stability analysis indicated the FS don’t have important variation with increase of displacements. For estimation the Tintaya rock mass strength, is proposed in this study, two modified tools. The results show, the blasting mining induces a disturbance factor with D>1 within 25m into the rock mass. The geotechnical parameters were reduce in different degrees produced by heavy production, the cohesion is a more deflagrated, the friction angle and deformability modulus were reduce but in a minor degree. The PPV registered in blasting reached up to 600mm/s resulting the creation of new fractures in the face of the rock benches (GSI = 34-54), the Vp values between 2.65km/s-2.88km/s were obtained. Were introduced in the estimation of the GSI block of rock volume (Vb) and the geometric factor of discontinuity – based in the spacing and opening of joints - (Jc), and the addition geomechanical parameters (D and Erm) in the Williams et al. (2009) proposal. ________________________________________________________________________________________________ RESUMEN

Esta tesis doctoral fue desarrollada en una fase de construcción de taludes altos en un tajo abierto de minería y trata de la estimación de parámetros de resistencia y deformación del macizo rocoso antes e después de la voladura y el posterior minado (cargas dinámicas) en una pared rocosa geológica e estructuralmente compleja de la mina de cobre Tintaya, para así evaluar la probable reducción de parámetros en un determinado volumen dentro del macizo rocoso perturbado, el cual fue inducido por el rápido avance de remoción de material, a través de una metodología donde se combina la clasificación geomecánica del RMR y del GSI con la unión de otros métodos que tienen diferentes objetivos como son los modelos de vibraciones y la conciliación geotécnica topográfica de diseño. La mina de skarn de cobre Tintaya, con una producción de 300 000 t/día, se encuentra localizada en los Andes Peruanos meridionales y fue utilizada como caso estudio. Fue seleccionada una pared rocosa, estudiando el macizo norte y dividiendo este en dos (2) secciones con diferentes orientaciones en cuanto a la construcción, definiendo así: (i) el Talud Tintaya; y (ii) el Talud Chabuca. Esta investigación fue dividida en tres (3) etapas: (i) caracterización geomecánica y ensayos de campo; (ii) ensayos de laboratorio en testigos provenientes de perforaciones rotativas; y (iii) de análisis. En los taludes seleccionados fue cumplido un programa de mapeo geomecánico detallado mediante las propuestas de Bieniawski (1989) y de Marinos & Hoek (2000), a través de 527 ventanas de muestreo, distribuidas en bancos definiendo tres (3) condiciones de análisis: (i) inicial: antes de la voladura; (ii) inmediatamente después de la excavación mecánica; y (iii) final: terminado o proceso, esto complementado con ensayos de laboratorio, así se fue observando los posibles cambios de los parámetros geomecánicos. Durante la voladura, fueron realizados ensayos geofísicos del tipo sísmico para a determinación de la onda P (Scherpenisse et al., 1997). Para a observación del detalle de las zonas estructurales donde existió daño al macizo rocoso fue utilizada la propuesta de conciliación de Williams et al. (2009). Definiéndose por el GSI una ecuación para la cuantificación del DTINTAYA y se consiguió estimar los parámetros de resistencia do macizo rocoso, en las diferentes etapas de construcción, esto mediante los criterios de rotura de Hoek & Brown y de Mohr-Coulomb; los de deformación se hallaron con diferentes propuestas destacando la de Barton (2007). Fueron realizados análisis preliminares de estabilidad de taludes donde se verificó la baja variación del factor de seguridad y el incremento de los desplazamientos antes/después de voladura. Para la estimación de la resistencia en Tintaya se propusieron dos herramientas modificadas. Los resultados muestran que el daño o la perturbación inducida alcanzan valores de D>1, por el proceso de minado ocurriendo esto en los primeros 25 m dentro del macizo rocoso paralelo a la cara del talud según la malla de voladura descrita, se evidencia principalmente la pérdida gradual de la cohesión del macizo rocoso, y en un menor grado en el ángulo de fricción y del módulo de deformación, en esta zona de influencia. La PPV registrada en la voladura alcanzó 600 mm/s ocasionando la creación de nuevas fracturas en la cara del talud construido en el macizo rocoso (GSI=34-54) que cuenta con 7 sistemas de juntas con una Vp de 2.65km/s- 2.88km/s. Así, fue introducido en el GSI el volumen del bloque rocoso (Vb) y el factor geométrico de la discontinuidad – S e a - (Jc), además de inclusión de D y Erm en la propuesta de Williams et al. (2009) donde Fc=0.58-0.62.