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Diseño geotécnico para la explotación subterránea de caserones en vetas angostas
Resumen Ejecutivo
Esta investigación presenta un diseño geotécnico integral para la explotación subterránea de caserones en vetas angostas, aplicado a un yacimiento del Distrito San Gerardo en Ecuador. Se caracterizó el macizo rocoso mediante clasificaciones geomecánicas (RMR, Q, GSI) y se evaluó su estabilidad con el Método Gráfico de Mathews. Mediante modelado numérico con RS2, se analizó el estado tensional, desplazamientos y factor de seguridad, considerando el efecto de las discontinuidades. Los resultados indican que el tamaño máximo estable del caserón es de 54 m de altura, 1.75 m de ancho y 79 m de longitud. Se diseñó un sistema de sostenimiento con pernos de anclaje y hormigón proyectado que incrementó el factor de seguridad de las galerías de 0.32–0.61 a 1.58–1.70. El estudio revela que las discontinuidades controlan la distribución de tensiones, reduciendo su valor promedio en los pilares de 20 MPa a 13.75 MPa, y que la estabilidad del caserón disminuye con la profundidad, mientras que el espesor de la zona plástica aumenta.
El análisis numérico demostró que las discontinuidades controlan la distribución de tensiones alrededor de las excavaciones, provocando una reducción significativa del esfuerzo promedio en los pilares (de ~20 MPa a ~13.75 MPa) y deteriorando la resistencia del macizo rocoso. Además, se confirmó que la estabilidad del caserón disminuye al aumentar la profundidad, observándose factores de seguridad más bajos y un mayor espesor de la zona plástica en las cotas inferiores.
Contexto y Problemática
Los yacimientos minerales en Ecuador suelen presentarse como vetas angostas, cuya roca encajonante está afectada por juntas y tensiones que generan debilidad, complicando la explotación subterránea segura. El agotamiento de recursos superficiales ha llevado a operar a mayores profundidades, donde la estabilidad geotécnica se vuelve crítica. Estudios previos han abordado la estabilidad de cajas y pilares en vetas angostas mediante métodos empíricos y numéricos, pero existe la necesidad de enfoques integrados que combinen caracterización geomecánica, análisis de estabilidad y diseño de sostenimiento específico para las condiciones geológicas locales. Esta investigación busca llenar ese vacío desarrollando un diseño geotécnico completo para un caserón en veta angosta, considerando desde la caracterización del macizo hasta el modelado numérico y el diseño de soporte.
Metodología de Investigación
1. Caracterización Geomecánica
- Cartografiado geomecánico en campo: Levantamiento de información en labores mineras.
- Clasificaciones utilizadas: Rock Mass Rating (RMR) de Bieniawski (1989), índice Q de Barton et al. (1974), e Índice de Resistencia Geológica (GSI) de Marinos & Hoek (2000).
- Objetivo: Determinar la calidad del macizo rocoso en diferentes unidades geotécnicas (caja techo, caja piso, galerías, estructura mineralizada).
2. Análisis de Estabilidad del Caserón (Método de Mathews)
- Cálculo del Radio Hidráulico (RH): Para cada superficie del caserón (techo, piso, paredes).
- Determinación del Número de Estabilidad (N'): Mediante la ecuación N' = Q' × A × B × C, donde:
- Q': Índice Q modificado.
- A: Factor de ajuste por tensiones en la roca.
- B: Factor por orientación de discontinuidades.
- C: Factor por efecto de la gravedad.
- Gráfico de estabilidad: Para verificar la estabilidad de las dimensiones propuestas.
3. Modelado Numérico (RS2 - Roescience)
- Método: Elementos finitos, comportamiento elastoplástico.
- Parámetros de entrada: Propiedades geomecánicas de las unidades, familias de discontinuidades, estado tensional gravitatorio (K=1.52), cargas sísmicas (NEC 2015).
- Análisis de sensibilidad: Comparación de modelos con y sin discontinuidades.
- Variables evaluadas: Factor de seguridad, desplazamientos, esfuerzos (Sigma 1), zona plástica.
4. Diseño Geotécnico y de Sostenimiento
- Método de explotación: Almacenamiento Provisional (por la competencia de la roca y el mineral).
- Diseño de pilares: Aplicando la metodología de Lunder & Pakalnis (1997) para calcular la resistencia de pilares en roca dura.
- Diseño de sostenimiento: Pernos de anclaje y hormigón proyectado, siguiendo recomendaciones de Bieniawski (1989) y Hoek et al. (2000). Cálculo de longitud y espaciamiento de pernos, y volumen de shotcrete.
Resultados Principales
1. Caracterización Geomecánica y Dimensiones del Caserón
Calidad del Macizo Rocoso: La roca se clasificó como "regular" a "buena" según RMR, y "buena" según el índice Q. El GSI indicó rangos de intacto/masivo a bueno/regular.
Dimensiones Máximas Estables del Caserón: Mediante el Método de Mathews se determinó que el caserón puede tener dimensiones seguras de:
| Dimensión | Valor | Superficie con Mayor RH | Superficie con Menor RH |
|---|---|---|---|
| Altura | 54.00 m | Caja techo y piso (RH=16.04 m) | Paredes norte/sur (RH=0.85 m) |
| Ancho (potencia de veta) | 1.75 m | ||
| Longitud | 79.00 m |
Número de Estabilidad (N'): Los valores calculados (máx. 138.19, mín. 11.34) ubicaron a todas las superficies del caserón en la zona estable del gráfico de Mathews.
2. Resultados del Modelado Numérico y Efecto de Discontinuidades
Comparación Modelos Con/Sin Discontinuidades:
| Parámetro | Sin Discontinuidades | Con Discontinuidades | Implicación |
|---|---|---|---|
| Esfuerzo Prom. Sigma 1 en Pilares 2-11 | ~20.00 MPa | ~13.75 MPa | Las juntas reducen las tensiones y deterioran la resistencia del macizo. |
| Desplazamientos Máximos | Menores | Mayores (especialmente en caja piso) | Las discontinuidades aumentan las deformaciones. |
| Factor de Seguridad en Pilares | >1.5 | >1.5 | Los pilares diseñados son estables en ambos escenarios. |
| Factor de Seguridad en Galerías | <1.5 | <1.5 | Se requiere sostenimiento en las galerías de acceso. |
Desplazamiento Máximo: 3.89E-003 m, ubicado en el centro de la caja piso del caserón. No se observó influencia de la profundidad del rebaje en la magnitud del desplazamiento.
3. Diseño de Sostenimiento y Su Efectividad
Se diseñó un sistema de sostenimiento específico para cada galería, considerando la zona plástica calculada:
- Galería Nivel 1 (cota 785 msnm):
- Zona plástica antes de soporte: 2.28 m
- FS antes/después: 0.32 → 1.58
- Sostenimiento: Pernos de 2.50 m @ 1.00 m + Shotcrete de 0.20 m.
- Reducción de desplazamiento: 1.52E-003 m → 1.05E-003 m.
- Galería Nivel 2 (cota 835 msnm):
- Zona plástica antes de soporte: 0.91 m
- FS antes/después: 0.61 → 1.70
- Sostenimiento: Pernos de 1.50 m @ 1.60 m + Shotcrete de 0.10 m.
- Reducción de desplazamiento: 2.57E-003 m → 1.61E-003 m.
El diseño logró reducir la zona plástica y aumentar significativamente el factor de seguridad por encima de 1.5 en ambas galerías.
Discusión e Interpretación
Validación y Comparación con Literatura
- Control de tensiones por discontinuidades: Coincide con Puentes et al. (2018), quienes también observaron que las discontinuidades redistribuyen y reducen los esfuerzos en pilares.
- Estabilidad vs. Profundidad: Los resultados concuerdan con Abdellah et al. (2020), confirmando que la estabilidad del caserón disminuye al aumentar la profundidad, debido al incremento de las tensiones in situ.
- Ubicación del desplazamiento máximo: Difiere de Hefni et al. (2020), quienes lo ubicaron en la caja techo. En este estudio se localizó en la caja piso, posiblemente por diferencias en la geometría del yacimiento o propiedades de la roca.
- Metodología de Mathews: Los resultados validan la utilidad del método empírico, mostrando que a mayor RH y N', mayores dimensiones estables posibles, en línea con Belizario et al. (2020).
Implicaciones para la Minería en Vetas Angostas
- Importancia de las discontinuidades: Su inclusión en el modelado numérico es crítica para una evaluación realista de la estabilidad, ya que controlan la redistribución de esfuerzos y aumentan las deformaciones.
- Diseño adaptativo: El método propuesto permite optimizar la geometría del caserón y el sistema de sostenimiento según la calidad local del macizo y la secuencia de minado.
- Sostenimiento eficaz: La combinación de pernos y hormigón proyectado demostró ser altamente efectiva para estabilizar excavaciones en roca de calidad regular a buena, incluso bajo condiciones sísmicas consideradas.
- Aporte local: El estudio proporciona un referente metodológico y resultados específicos para el diseño geotécnico en yacimientos de vetas angostas de Ecuador, donde escasean registros históricos detallados.
Conclusiones Principales
- Se elaboró exitosamente un diseño geotécnico integral para la explotación subterránea de un caserón en veta angosta, integrando caracterización geomecánica, análisis de estabilidad empírico (Mathews), modelado numérico (RS2) y diseño de sostenimiento.
- Las dimensiones máximas estables para el caserón son 54 m (alto) × 1.75 m (ancho) × 79 m (largo), validadas tanto por el método de Mathews (N' estable) como por el modelado numérico (FS > 1.5 en pilares).
- Las discontinuidades tienen un efecto determinante: controlan la distribución de tensiones, reduciendo su valor promedio en los pilares diseñados (~20 MPa a ~13.75 MPa), y aumentan los desplazamientos, deteriorando la resistencia global del macizo rocoso.
- La estabilidad del caserón disminuye con la profundidad. En las cotas inferiores se observan factores de seguridad más bajos (ej., Galería Nivel 1: FS=0.32 sin soporte) y un mayor espesor de la zona plástica (2.28 m vs. 0.91 m en la cota superior).
- El sistema de sostenimiento diseñado (pernos de anclaje + hormigón proyectado) fue altamente efectivo, logrando incrementar el factor de seguridad por encima de 1.5 (a 1.58 y 1.70) y reducir significativamente los desplazamientos y la zona plástica en las galerías de acceso.
- El desplazamiento máximo (3.89E-003 m) se ubicó en el centro de la caja piso y, contrariamente a otros factores, no mostró dependencia con la profundidad del rebaje, posiblemente por estar más influenciado por la relación de esfuerzos horizontal/vertical.
Palabras claves: Caserón, macizo rocoso, discontinuidades, caja techo, caja piso, veta angosta, diseño geotécnico, método de Mathews, modelado numérico, RS2, sostenimiento, pilares, pernos de anclaje, hormigón proyectado, factor de seguridad, zona plástica.
Referencia Completa
Ramos Armijos, N. J., Calderón Celis, J. M., & Ramos Armijos, D. G. (2024). Diseño geotécnico para la explotación subterránea de caserones en vetas angostas. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas, 27(53), e26037. https://doi.org/10.15381/iigeo.v27i53.26037
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