Clasificación de Macizos Rocosos y Métodos de Fortificación en Ingeniería Industrial

Clasificación de Macizos Rocosos y Métodos de Fortificación

Índice RMR (Rock Mass Rating)

El índice RMR considera los siguientes factores:

• Resistencia de la roca y características de las discontinuidades.
• Orientación de las juntas.

Limitaciones:

• No apto para rocas arcillosas.
• No considera los esfuerzos aplicados.
• Principalmente para excavaciones a poca profundidad.

Clasificación RMR:

• Clase 1 (Muy Buena): 81-100 (Ejemplo: Sección de 3m)
• Clase 2 (Buena): 61-80 (Adecuado para casos medios)
• Clase 3 (Aceptable): 41-60 (Ejemplo: Avance y destrozo de 1.5m)
• Clase 4 (Mala): 21-40 (Desarrollado por Bieniawski)
• Clase 5 (Muy Mala): 0-20 (Ejemplo: Sección múltiple de 0.5-1.5m)

El RMR se calcula sumando los puntajes de:

1. Resistencia a la compresión simple.
2. Índice de calidad de la roca (RDQ).
3. Espaciado de discontinuidades.
4. Características de las discontinuidades (continuidad, apertura, relleno, rugosidad, resistencia, alteración, orientación).
5. Presencia de agua.

Índice Q de Barton

El índice Q es ideal para casos extremos y considera los esfuerzos aplicados.

Limitaciones:

• No considera las orientaciones de las juntas de manera explícita.
• No es válido para profundidades muy grandes (2000-3000m) o en presencia de arcilla.

Fórmula del Índice Q:

Q = (RDQ / Jn) * (Jr / Ja) * (Jw / SRF)

• (RDQ / Jn): Representa el tamaño de los bloques.
• (Jr / Ja): Representa la resistencia al corte entre bloques.
• (Jw / SRF): Representa el estado tensional.

Componentes del Índice Q:

• RDQ (Rock Quality Designation): Calidad de la roca intacta.
• Jn: Número de familias de juntas.
• Jr: Rugosidad de la junta.
• Ja: Meteorización de las juntas.
• Jw: Coeficiente reductor por la presencia de agua.
• SRF (Stress Reduction Factor): Factor de reducción por esfuerzos.

Clasificación Q:

• 0.001 - 0.1 (Malo)
• 0.1 - 10 (Medio Malo)
• 10 - 40 (Bueno)
• 40 - 100 (Muy Bueno)

El índice Q ayuda a determinar el tipo de fortificación necesaria.

Relación RMR y Q:

RMR = 9 * ln(Q) + 44

Índice GSI (Geological Strength Index)

El GSI considera parámetros para la envolvente de Mohr-Coulomb y estima el límite de resistencia a la rotura.

• Rango de valores: 0 a 100.
• No considera directamente los campos tensionales.

Índice MRMR (Modificado Rock Mass Rating)

Se utiliza para obtener un valor de RMR modificado, ajustando la clasificación según condiciones específicas.

Puntajes para la Clasificación de Macizos Rocosos

1. Puntaje de Resistencia a la Roca Intacta (IRS):
   • Homogéneo: Sin variación significativa (UCS = IRS).
   • Heterogéneo: Selección de curva basada en la relación entre UCS mayor y menor (UCS menor / UCS mayor) * 100.
   • Roca Débil: Se calcula el porcentaje de roca débil sobre el total, se usa un gráfico para obtener un porcentaje promedio, y este se multiplica por la resistencia mayor.
2. Puntaje de Frecuencia de Fractura (P(FF, N)): Evalúa la densidad de las fracturas.
3. Puntaje de Condición de Discontinuidades (P(CD)): Evalúa las características de las juntas.

Clasificación de Hundimiento:

• Clase 1: Hundible
• Clase 5: Muy Hundible

Se describe la estabilidad: Arriba estable // Abajo hundimiento.

Campo Tensional en Macizos Rocosos

La tensión vertical aumenta con la profundidad. Generalmente, los medios son isótropos (Gv = Gh).

• Gv = Gh, k=1, 2Gh = 2Gv < Gc: No requiere sostenimiento.
• Gv = Gh, k=1, 2Gh = 2Gv > Gc: Sostenimiento en toda la galería.
• Gv > Gh, k > 1, 2Gv > Gc > 2Gh: Sostenimiento en hastiales.
• Gv < Gh, k < 1, 2Gh > Gc > 2Gv: Sostenimiento en bóvedas.

Cálculo de Tensiones:

• Gv = 0.027 * Altura (MPa)
• Gh = (ν / (1-ν)) * Gv
• Gv = Densidad * Gravedad * Altura (Pascal)
• K = Gh / Gv

Factores que modifican el campo tensional natural:

• Topografía
• Erosión
• Tensiones residuales
• Efecto de inclusiones
• Efecto de las discontinuidades
• Efecto de la tectónica
• Regla de Heim

Estallido de Roca

Ocurre bajo las siguientes condiciones:

• Alto campo tensional (50 a 60 MPa), indicando roca con alta energía acumulada.
• Alta resistencia a la compresión simple (roca muy dura).
• Baja frecuencia de fractura por metro.
• Sismicidad inducida.

Fortificación de Labores Mineras

Objetivos:

• Evitar derrumbes.
• Proteger equipos y trabajadores.

Tipos de Fortificación:

• Fortificación Temporal: Se instala inmediatamente después del disparo.
• Fortificación Definitiva: Asegura las labores a largo plazo, posterior a los avances.
• Fortificación Activa: Ejerce su efecto desde el momento de su instalación.
• Fortificación Pasiva: Actúa cuando el macizo rocoso experimenta deformación (ej. malla y shotcrete).

Métodos de Estimación de Fortificación:

• Métodos analíticos.
• Métodos numéricos.
• Clasificaciones del macizo rocoso (RMR, Q, GSI).

Sistemas de Soporte y sus Efectos

• Pernos (Anclajes): Aumentan la resistencia al desplazamiento del macizo rocoso, mejorando su cohesión.
• Efecto Cuña: Controla la estabilidad de bloques o cuñas potencialmente inestables mediante pernos.
• Efecto Viga o Columna: Evita el desplazamiento de los estratos rocosos, actuando como elementos de soporte.
• Efecto Arco: Se aprovecha en roca muy fracturada o dividida, donde la carga se distribuye a través de un arco formado por el macizo.

Fórmula General de Seguridad (simplificada):

F = (Resistencia del Soporte * Área) / Carga (Sch * Densidad * FS)

Adherencia con Resina

Se introducen cartuchos de resina y catalizador en las perforaciones. Bajo alta tensión, estos materiales se mezclan y polimerizan, proporcionando una fuerte adherencia inicial y mejorando la resistencia del anclaje.

Unidades de Presión

• 1 Pa = 1 N/m² = 1 kg/(m·s²) = 1 J/m³
• 1 bar = 10⁵ Pa
• 1 MPa = 10 bar

Alta Compresión Simple: 100 MPa.