Los métodos de explotación que involucran cámaras y pilares se basan en lograr que los campos de desplazamientos inducidos por las excavaciones tanto en el campo cercano como lejano, estén restringidos a órdenes de magnitud elásticos. La energía elástica de deformación se almacena en forma de concentración de tensiones en los pilares y en el macizo rocoso que conforma el campo cercano.
Tipos de Pilares y sus Funciones
Las motivaciones de uso de los pilares son variadas, así como su denominación. Podemos encontrar:
- Pilares Aislados: Son estructuras remanentes después de procesos de explotación desde su perímetro, por lo cual definen unidades independientes.
- Pilares de Corona: Son usados para la protección de vías principales, conocidos coloquialmente en Colombia como “machones” o “pilares corridos” (chain pillar); son estructuras con la dimensión en el rumbo de la veta mucho mayor que las otras dos dimensiones, se establecen con el fin de definir y proteger vías de preparación excavadas en las vetas de valor.
- Pilares Barrera: Son estructuras con la función de disminuir la transferencia de cargas de forma a proteger las vías principales o la infraestructura de importancia, delimitando paneles o bloques, estos pilares ayudan a que cada sector se desarrolle de forma independiente, están en condición de carga biaxial y su dimensión en la dirección del buzamiento de la veta es mayor que las otras dos dimensiones.
Métodos de Evaluación de la Estabilidad
Para evaluar la estabilidad de las aperturas mineras, se utilizan diversos métodos:
- Métodos Analíticos: Utilizan los análisis de esfuerzos y deformaciones alrededor de las aperturas; incluyen técnicas como las soluciones de forma cerrada y las simulaciones con métodos numéricos.
- Métodos Empíricos: Evalúan la estabilidad de las aperturas mineras por el uso de sistemas de clasificación ingenieriles del macizo rocoso, los cuales proporcionan predicciones simples y económicas de la seguridad de techos, hastiales y demás requerimientos de soportes; entre éstos, los métodos de clasificaciones de macizos rocosos más usados son NGI-Q y RMR.
- Métodos Geológicos: Básicamente buscan identificar las estructuras geológicas y otros rasgos que afectan la estabilidad.
- Métodos de Observación: Se fundamentan en el monitoreo actual o retrospectivo del movimiento del subsuelo durante la excavación para detectar la inestabilidad que pueda ser medida, y en el de la interacción subsuelo-estructura de soporte; este método incluye el Método Austriaco de Túneles (NATM) y el método de Convergencia-Confinamiento.
Adicionalmente, la experiencia minera en distintas áreas contribuye al desarrollo de técnicas de aplicación de base experimental que suelen cumplir los objetivos bases de estabilidad y seguridad.
Teoría del Área Tributaria
El método tradicional de cuantificar la carga sobre el pilar es conocido como Teoría del Área Tributaria; sin embargo, métodos rigurosos de diseño deberían provenir de la medición de los esfuerzos in situ.
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Este método supone que el esfuerzo sobre el pilar es determinado por el peso de la columna de roca situada sobre dicho pilar, adicionado de la columna situada sobre las excavaciones de forma proporcional a sus tamaños.
Si considerada una definición de resistencia como la capacidad de carga última por unidad de área, el desempeño mecánico de los macizos rocosos con función portante está determinado inicialmente por sus dimensiones y por el campo de esfuerzos actuantes, el cual es modificado por las excavaciones y volúmenes cercanos. De todas formas, es usual en el diseño de pilares utilizar el concepto de Factor de Seguridad (FS), que es el cociente entre la resistencia última del pilar y un determinado esfuerzo actuante.
Según [7] la resistencia de los pilares depende de las dimensiones del pilar, de la relación ancho/altura del pilar (W/H) y del ancho de la cámara excavada. En [8] también se expone que la resistencia de los pilares depende de: a) el tamaño o efecto volumen del pilar, b) efecto de la geometría del pilar, y c) las propiedades del material del pilar.
Sin embargo, es claro que el desempeño del pilar como elemento portante depende también de otros aspectos, para citar algunos: la resistencia mecánica y orientación de las discontinuidades existentes en el macizo que compone el pilar. El método de excavación, pues las voladuras afectan el macizo remanente en mayor grado que los métodos mecánicos o manuales. La interacción techo-pilar-piso, especialmente las diferencias de rigidez. La influencia de los procesos de debilitamiento de la roca, tales como alteraciones físico-químicas, y procesos esfuerzo-deformación dependiente del tiempo como el creep o fluencia y la relajación.
La bibliografía sobre el tema indica que las pruebas de laboratorio e investigaciones in-situ han sido realizadas con el objetivo de estimar la resistencia de pilares de minas produciendo formulaciones que se han centrado principalmente en describir el efecto sobre la resistencia de la forma, el tamaño y la esbeltez del pilar.
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Las ecuaciones de tipo Salamon-Munro son de la forma: donde Rp es la resistencia del pilar, K, α, β son constantes empíricas, W es el ancho del pilar y H es la altura del pilar.
donde A y B son valores dependientes de la roca del pilar, W es el ancho del pilar, y H es la altura del pilar.
El Factor de Seguridad de un pilar bajo compresión es definido por el cociente entre la resistencia del pilar Rp y el esfuerzo medio que el pilar recibe Pp.
Una comprobación interesante basada en el hecho de que los pilares más proclives a fallar son los más esbeltos (bajo ratio anchura / altura) y en una amplia experiencia de explotaciones subterráneas en roca en Estados Unidos [10], es la comprobación de que dicha relación se encuentre por encima de 0.8, al mismo tiempo que el FS esté por encima de 1.8.
A partir de la experiencia de los autores en Colombia y España [11], se recomienda utilizar para el diseño de nuevas explotaciones FS mayor a 2 para asegurar un cálculo conservador y económico de las reservas. Una vez la mina comience la explotación, se puede ajustar el FS a 1.75 o 1.8 de forma que se pueda aumentar algo la recuperación y observar si se produce algún tipo de inestabilidad incipiente. Si tras varios años de explotación utilizando el FS anterior, se constata que los pilares no han mostrado síntomas de inestabilidad, el FS puede bajarse hasta 1.6 o 1.5 para zonas nuevas [12].
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Etapas de Diseño de Pilares
Con base en lo observado en la pequeña y mediana minería subterránea de vetas en algunos casos de Colombia, se proponen las etapas de diseño de pilares presentadas en la Fig.
Consideraciones Geotécnicas y Modos de Falla
Aspecto fundamental en el dimensionamiento de pilares es la capacidad de utilizar la experiencia de forma metódica y aplicada al caso específico de cada yacimiento mineral. Esto implica la necesidad de observar, analizar y sintetizar sobre el comportamiento mecánico del terreno desde un enfoque geotécnico, en el cual es necesario considerar el material de veta constituyente del pilar y de los respaldos como un macizo rocoso.
En este sentido es útil la experiencia recopilada en [2] donde se expone que hay tres modos de falla de pilares en rocas duras como las que nos ocupan: 1) falla controlada por estructuras, 2) falla por esfuerzos inducidos progresivos y 3) explosión de pilares (pillar bursts). Estos modos de falla hacen parte de un proceso sucesivo que se esquematiza en la Fig.
Los mecanismos citados provienen de ambientes geológicos diferentes, por lo cual es necesario constatar si son verificados en cada yacimiento. Se deben observar las variaciones composicionales y de orientación espacial de las vetas en explotación y de las estructuras asociadas que constituyan planos débiles, tales como cizallas, salbanda, contactos litológicos, fracturas, diaclasas, etc con la intención de dimensionar la variación de sus propiedades en diferentes puntos de las labores mineras.
Se deben medir, potencias, espaciados, persistencias, rugosidad, rellenos y en general composición, dimensiones y orientación espacial de las estructuras. Con este fin son muy útiles los pilares aislados debido a que es posible ver las evidencias en tres dimensiones, para así identificar el mecanismo de ruptura.
Generalmente la identificación de los planos débiles conduce a centrar la atención en la roca cizallada, fracturas y salbanda contenidas en la estructura vetiforme principal y en los respaldos de techo y piso.
A modo de ilustración de la observación de los modos de falla se presentan vetas situadas en el Batolito de Segovia, donde las mineralizaciones están formadas por filones auríferos de cuarzo con sulfuros de plomo, zinc, cobre y hierro. Oro y plata se encuentran libres y diseminados en los sulfuros. La roca de respaldos consiste de rocas dioríticas y gabros. La observación condujo a resaltar la importancia de las discontinuidades paralelas y contenidas en las vetas que se indica en las fotografías siguientes, produciendo modo de falla de pilares claramente de causa estructural.
Los silicatos y sulfuros son proclives a la alteración y por lo tanto también debilitan mecánicamente los pilares, especialmente en ambientes de alta humedad.
Teniendo en vista los modos de falla y procesos ilustrados, la metodología de diseño propuesta se fundamenta en la descripción de los pilares ya existente con el fin de identificar los mecanismos de ruptura evidentes.
Pilar mostrando falla por control estructural, grietas axiales por esfuerzo cortante, desplazamiento de bloques, eyección y meteorización. estructuras débiles naturales preexistentes que pueden inducir deslizamientodebido al desconfinamiento y a superación de laresistencia al cortante de las discontinuidades. En la estructura del pilar no se evidencian fracturas verticales o diagonales que pudieran indicar falla por compresión o por cortante a través del cuerpo de roca. El grado de oxidación de los minerales es incipiente. La posibilidad de reemplazo de pilarescon otros materiales es una opción por evaluar.
Pilar que muestra fracturas axiales y laterales inclusive en el núcleo del pilar (deterioromecánico) y oxidación (deterioro químico), la inestabilidad se observa continuar a través de las fracturas paralelas, en rumbo y buzamiento, a la veta cuarzosa principal. El proceso se manifiesta en desprendimientos de bloques e indicios de spalling o lajamiento a media altura, proceso que es típico de un estado medio o avanzado de falla.
Vía de preparación por el buzamiento de la veta tipo “tambor”. Los macizos de veta, piso y techo son de buena calidad, los contactos son cerrados lo cual se manifiesta en estabilidad aún en inclinaciones de veta casi verticales. Se marcan las estructuras que eventualmente pudieran definir la inestabilidad en un proceso de deterioro futuro, especialmente por efecto del agua y desconfinamiento de base; un método de explotación de corte y relleno ascendente puede manejar esta situación de forma satisfactoria.
Salbanda en la base del pilar; dependiendo del tipo y espesor de este material blando, puede ser importante para la estabilidad, siendo necesaria su caracterización de resistencia y deformación según los métodode la mecánica de suelos.
Consideraciones para Pilares en Estructuras Inclinadas
Los pilares en estructuras inclinadas como vetas están sometidos a esfuerzos de compresión y cortante, por lo que se requiere un criterio de ruptura que considere los dos procesos. El criterio Mohr-Coulomb sirve para este fin, pero el uso de esfuerzos medios conduce a una representación no-convencional del círculo de Mohr que puede ser generalizado para el caso donde los esfuerzos de corte actúan sobre los planos inferior y superior del pilar, pero no sobre las paredes laterales. Este círculo de Mohr no está centrado en el eje de esfuerzos normales.
Esta situación no ocurre en capas horizontales donde el esfuerzo cortante no existe, ver la Fig. 3. Si se considera que la base del prisma del pilar está inclinada, los esfuerzos antes de la excavación en la base y techo del pilar son en compresión perpendicular al buzamiento y tangenciales paralelos al buzamiento, para el cálculo se considera el esquema de fuerzas de la Fig.
Esfuerzos en un pilar en veta con buzamiento, Sn, Sp, Ts, Tp, A, Ap, son respectivamente el esfuerzo normal antes de explotación, esfuerzo medio después de explotación, esfuerzo cortante antes del minado, esfuerzo cortante medio después del minado, área tributaria y área del pilar.
Como Sp y Tp son esfuerzos medios actuando sobre un área finita Ap, ellos no siguen las ecuaciones usuales de transformación de esfuerzos bajo rotación de los ejes de referencia, esto debido a que no existen esfuerzos de corte en los lados del pilar. Deben ser satisfechos equilibrios de fuerzas y momentos, y los esfuerzos normales se compensan. Si no hay esfuerzos cortantes no se requiere la compensación, el vuelco del pilar no es una preocupación. α es el ángulo entre la dirección de Sp y la normal a la superficie inclinada considerada.
Influencia de las Discontinuidades en la Resistencia
Las propiedades de resistencia y deformación del macizo están influenciadas por las propiedades tanto de la roca intacta como de las discontinuidades existentes. Sin embargo, si se diera el proceso de ruptura del pilar, este debe incluir las estructuras débiles con preponderancia sobra la roca sana. Es necesario entonces observar la estructura de veta y los contactos con los respaldos.
Las estructuras débiles que producen inestabilidad son las fracturas abiertas naturalmente o por las voladuras, las zonas de venas con rellenos minerales blandos y las capas de salbanda, principalmente. En algunos casos se presentan franjas de roca cizallada. Algunas veces las discontinuidades geológicas fallan, pero no el pilar como un todo, esto puede suceder con diaclasas, planos de contacto y otras estructuras frágiles o débiles.
Para el diseño de pilar necesitan ser examinados los mecanismos de falla por las diaclasas y por el pilar. Donde el sufijo j se refiere a las discontinuidades, con propiedades consideradas conocidas.
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