CAMPO DE APLICACION

Como ia minería progresa hacia mayores profundidades, muchas de las obras subterráneas se están desarrollando en ambientes de elevados campos de esfuerzos, por lo tanto, están expuestas a la ocurrencia de severas explosiones de roca.

TECNICA ANTERIOR

Distensionamiento.- "El distensionamiento fue concebido como una técnica de fracturamiento con explosivos para relevar el estrés en zonas con potencial explosión de rocas. Fue inicialmente desarrollada y ampliamente usada en la explotación de guías de oro en Witwatersrand en África del Sur en los 1950s (Roux, et al., 1957). El concepto de distensionamiento resulto a partir de la observación que la zona de roca altamente fracturada inmediatamente alrededor de profundas aberturas subterráneas, parecía ofrecer alguna protección a ambos: la ocurrencia de y al daño por la explosión de rocas. Entonces se postuló que si esta zona naturalmente fracturada podría ser extendida por fracturamiento por tronadura delante de la frente, ambos: la ocurrencia y los efectos de la explosión de rocas podría reducirse" (Blake W.).

Distensionamiento de desarrollos.- "La aplicación de distensionamiento más exitosa y ampliamente aceptada ha sido con respecto a excavaciones lineales: túneles, chimeneas y piques. En zonas de alto estrés y roca quebradiza la excavación de estas aberturas es comúnmente acompañada por repentinos mini desprendimientos de placas de roca (popping) y la separación de delgadas capas de roca desde la masa rocosa (spalling), ocasionalmente ruidos y pequeños estallidos y usualmente excesivo desprendimiento de rocas. El problema es la alta concentración de estrés resultante de los agudos vértices geométricos en la frente de la excavación. La perforación y tronadura de tiros largos, delante de la frente casi siempre controlan este problema." (Blake W.).

Distensionamiento de pilares.- Las vetas con fuerte manteo son explotadas por realce en tajadas horizontales y relleno, de lo cual resulta la creación de pilares propensos a la explosión de rocas. En los 1970s, fue exitosamente desarrollado, el distensionamiento de pilares en vetas, mediante la técnica de fracturamiento con explosivos.

Pre - acondicionamiento.- "El distensionamiento en avance de la explotación o el pre - acondicionamiento, en la explotación de cuerpos tabulares sub verticales por avance ascendente o descendente ("Stope"), es el último desarrollo (1979) con respecto a distensionamiento. El concepto es pre fracturar o pre acondicionar un Stope o zona de roca sólida previo a su explotación de modo que los altos estreses que usualmente resultan de la explotación son relevados por la elasticidad de la zona pre acondicionada." (Blake W.).

El 2001 , Codelco dio inicio, en la mina Rio Blanco, a un programa pionero en hundimiento de bloques de roca primaria, pre acondicionando los bloques in situ, para degradarlos con la técnica de tronadura de tiros largos, con el propósito de incrementar su fragmentación y hundibilidad.

Fortificación.- "El diseño de los sistemas de soporte es uno de los problemas más difíciles en la ingeniería de rocas. Las dificultades están centradas en la incapacidad para cuantificar las condiciones de carga, incluso en los casos más elementales. Además el sistema de soporte estructural de la roca, es a menudo estáticamente indeterminado. En el caso de la explosión de rocas, el problema es agravado por las fuerzas dinámicas que deben ser acomodadas por la estructura de soporte." (Wagner, H.).

Nuevo Nivel Mina de El Teniente.- El año 2015, en uno de los túneles de acceso al futuro Nivel de Producción, se registró un violento rock-burst. Expertos internacionales llegaron a la conclusión de que el túnel está cerca de una quebrada, por lo que la carga vertical genera allí una componente horizontal, que induce una carga inclinada desbalanceada, la que no detectó el modelo inicial. Esto ha obligado a Codelco a reformular el proyecto para responder de mejor forma a las condiciones geo-mecánicas a las que se enfrenta. El proyecto suma ya cuatro años de retraso.

Búsqueda de nuevas soluciones.- En el caso del Nuevo Nivel Mina se ha llegado a la conclusión de que esta roca, estando al límite, no soportaría continuar la excavación, por lo que se tendrá que enfrentar el elevado estrés inducido con una fortificación distinta a la actual, cuya aplicación sería robotizada, por lo cual aumentará su costo y el tiempo de ejecución. DESVENTAJAS DEL ESTADO DE LA TÉCNICA:

La fortificación es la principal técnica empleada hoy en día para contener el reordenamiento de esfuerzos inducido por las excavaciones subterráneas.

La fortificación requerida, para tratar de neutralizar la explosión de rocas, es excepcionalmente robusta y de muy alto costo. Su aplicación es muy lenta por cuanto, debido a su alta densidad y robustez, el avance de las excavaciones progresa en pequeños incrementos.

Con el actual estado de la técnica, mientras mayor es la sección de la excavación, mayor es su inestabilidad y más lento es su avance.

REVELACION DE LA INVENCION

El ámbito de aplicación de la técnica de fracturamiento con explosivos para aliviar el estrés en zonas de explosión de rocas, hasta ahora ha sido aplicada, exclusivamente, - al interior - de aquellos cuerpos que se requiere degradar, para proporcionar alguna protección a la explosión de rocas { en pilares de piso y vetas) y en el frente inmediato que rodea labores subterráneas tales como el desarrollo de excavaciones lineales (galerías, chimeneas y piques) o aumentar la hundibilidad como en los métodos de hundimiento por bloques o paneles

La invención consiste en extender la aplicabilidad de la técnica de fracturamiento con explosivos en nuevas labores subterráneas; creando - externamente - a ellas y previo a su desarrollo un escudo protector perforando en su entorno una cortina de tiros largos y mediante la tronadura de esos tiros largos, impedir la ocurrencia de explosión de rocas para salvaguardar la integridad de esas costosas y vitales obras subterráneas y para que perduren indemnes, hasta completar su vida útil.

El explosivo a usar en la tronadura, será emulsión de gran potencia y de alta velocidad de detonación (VOD), idealmente, con tacos de agua en cartuchos.

En cada tiro largo, la detonación se iniciará con detonadores electrónicos y según lo sugiere la experiencia de pre acondicionamiento, ellos deben ser iniciados con retardos mínimos de 100 milis segundos. BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

90 Cavernas

La Fig. 1 muestra una hipotética infraestructura 1 que se requiere proteger, por ejemplo, una caverna. En ambos costados se sitúan las Galerías de Perforación 2 las cuales, en este caso particular serán: horizontales y paralelas entre sí, perpendiculares a σ y además coplanarias con el centro geométrico de la futura caverna y con σ \. Están allí también los conjuntos de tiros 95 largos 3 perforados desde cada galería de perforación; cada conjunto consta de dos hileras; los conjuntos de tiros largos enmarcan a la futura caverna 1. Se muestran también las zonas de traslape 4 de los conjuntos de tiros largos.

La Fig.2 muestra el espesor (a) zona fracturada por la detonación de una fila de tiros largos 3 (línea de segmentos) y muestra también el significativo espesor (b) de la zona degradada, justo 100 en la dirección de σ i. Aun cuando a sea pequeño, b siempre será importante.

Construcción de obras subterráneas verticales.

La Fig. 3 muestra la técnica de fracturamiento con explosivos aplicable a: tolvas de mineral o piques 5. En estos casos deberá perforarse, desde las Galerías de Perforación 7, una cortina de tiros largos verticales 8 dispuestos en dos filas. Se aprecia también, la disposición 105 hexagonal de las Galerías de Perforación, lo que facilitará su excavación.

Túneles.

Cortina de Tiros Largos subhorizontales.- La Fig. 4 muestra, esquemáticamente, la planta de un túnel en excavación, su actual frente 9, afectado por un elevado campo subhorizontal de esfuerzos σ sub-perpendicular al túnel. El método propuesto para aplicar la técnica de lio fracturamiento con explosivos, requiere excavar, desde la vecindad de la frente, las estocadas

10, desde las cuales se perforaran los nuevos tiros largos 11 , los que serán paralelos al túnel. Se visualizan también los tiros largos 12 y 13, perforados desde estocadas anteriores 14, los cuales ya fueron tronados. Se muestra también la progresión a futuro del túnel, representada por las estocadas 15 y la frente 16.

115 En la misma Fig. 4, la sección A - A es una vista esquemática lateral del túnel y de la frente actual 9. Allí están las estocadas nuevas 10, antiguas 14 y futuras 15, así como los tiros largos: nuevos 11 ; antiguos 12 y 13 y la futura frente 16.

Paraguas con Tiros Largos periféricos.- La Fig. 5, muestra, esquemáticamente, la planta de un túnel en excavación 17, emplazado en un elevado campo subhorizontal o subvertical de 120 esfuerzos con σ ι sub-paralelo al eje del túnel. En la periferia de su actual frente, se han perforado los tiros largos 18 de conformando una especie de paragua, los que una vez tronados permitirán seguir avanzando protegidos con ese escudo protector externo. Se muestra allí también futuros frentes 19. Se visualizan también una serie de tiros largos correspondientes a los paraguas que posibilitaron su avance 20.

125 La sección vertical A - A, muestra, esquemáticamente, los mismos elementos de la vista en planta y adicionalmente los futuros paraguas 21.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Se requiere desarrollar nuevas tácticas y estrategias, para construir y proteger las costosas y vitales obras subterráneas, - cavernas, túneles y piques - de los destructivos efectos de las 130 explosiones de rocas, desde el inicio de su construcción hasta que completen su vida útil y de no menor importancia, reducir el periodo de construcción. La novedad de esta invención, es la creación de un escudo protector externo, para aquellas excavaciones de infraestructura expuestas a elevados campos de esfuerzos.

El escudo consiste en crear, previamente, alrededor de la futura obra subterránea una zona 135 degradada, creando en su entorno - con tiros largos -, una cortina protectora a través de la aplicación de la técnica de fracturamiento con explosivos de los tiros largos, de modo tal que los elevados esfuerzos existentes en los yacimientos profundos son relevados por la flexibilidad de la zona pre acondicionada.

"Para ser realmente exitosa, la tronadura de alivio no solo fracturará, suficientemente, la roca 140 en la zona propensa de potencial explosión de rocas, para reducir la capacidad de transmitir esfuerzos de la zona; pero también debe trasmitir o desplazar los esfuerzos a la roca solida adyacente de manera tal que no se traduzca en la creación de un problema similar. "(Blake W.)

Según que se trate de Túneles principales o excavaciones mayores como Cavernas u obras verticales (chimeneas, piques u otros), se plantean las siguientes soluciones - y sus variantes - 145 para conformar el escudo externo:

1.- Túneles.

1.1.- Cortinas laterales con tiros largos.

Se aplicará, cuando el componente de esfuerzos predominante sea subhorizontal y sub perpendicular al eje del túnel.

150 Consistirá en la perforación y su posterior tronadura, de una cortina vertical de tiros largos, perforados desde estocadas excavadas en ambas paredes del nuevo túnel y paralelas a ellas.

Las nuevas estocadas de perforación se emplazaran, como máximo, a unos 10 m detrás de la frente. La distancia entre las estocadas, será función de la longitud y precisión que razonablemente podrán alcanzar los tiros largos.

155 La distancia entre cada hilera de tiros largos y la pared del túnel principal, será del orden de los 10 m o menos.

Los tiros largos serán, en su mayoría, subhorizontales; las cortinas estarán orientadas en la dirección del avance y paralelas - o ligeramente divergentes - del eje del túnel.

Desde cada estocada se perforaran, a lo menos, cinco (5) tiros largos. La cantidad apropiada, 160 dependerá de la altura del túnel.

Los tiros largos tendrán un diámetro de entre 100 y 150 mm y su longitud será de unos 40 m.

Por razones de precisión, en la perforación de tiros largos se recomienda, que su longitud no exceda de los 40 metros. Es por ello, que se deberá prestar especial atención a la mantención de la linealidad de las perforaciones, para evitar que por efecto del pandeo desciendan muy por 165 debajo del piso del túnel o que se acerquen demasiado al túnel que se quiere proteger.

La distancia mínima entre la frente del túnel y el fondo de los tiros ya detonados, será como mínimo de 5 metros. Avanzar, sin detonar la siguiente cortina de tiros largos, conllevará el riesgo de inestabilidad. 170 1.2.- Paraguas con tiros largos.

Este esquema se puede aplicar en todas las circunstancias y principalmente, cuando σ \ presenta un rumbo paralelo al eje del túnel (sub horizontal o sub vertical).

El escudo protector, consistirá en la perforación de un conjunto de paraguas, los que en forma progresiva irán formando sucesivos escudos of blast-fractured rock delante del frente del túnel.

175 Cada paraguas se compone de varios tiros largos, los que están dispuestos en forma de tronco de pirámide alrededor del túnel y cuya base menor será el perímetro de la frente del túnel y su posterior tronadura, configurará una zona degradada inmediatamente delante de la frente actual, la que reducirá la capacidad de trasmitir esfuerzos.

Los tiros largos tendrán una longitud mínima de 10 m. El diámetro mínimo de las perforaciones, 180 será del orden de 75 mm. Todos los tiros del paragua formaran un ángulo divergente de entre 20° y 30° con respecto al eje longitudinal del túnel

Al igual que en 1.1.- Cortinas laterales con tiros largos., la distancia mínima entre la frente del túnel y el fondo de los tiros ya detonados, será como mínimo de 5 metros. Avanzar, sin detonar el siguiente paraguas de tiros largos, conllevará el riesgo de inestabilidad.

185 1.3.- Variante: Cortinas y paraguas con tiros largos.

En ambientes extremos con stress muy elevado, se podrá recurrir a una combinación de los dos métodos previos, esto es: Cortinas de tiros Largos perforados desde estocadas y paraguas de tiros largos.

2.- Cavernas de gran tamaño.

190 Para proteger aquellas obras mayores, que demandan un gran volumen excavado - cavernas, por ejemplo -, se procederá a circundar la obra con cortinas de tiros largos, perforados desde Galerías de Perforación paralelas entre sí, perpendiculares a σ-ι y situadas en el exterior de la obra, los que serán tronados para conformar el escudo protector de la futura obra.

En instalaciones, tales como: talleres, bodegas, oficinas o una sala de chancado; el escudo 195 externo se configurará desde dos o desde cuatro galerías de perforación - según sea el tamaño de la obra - las que circundaran la futura excavación. Todas ellas, serán paralelas entre sí y perpendiculares a σι.

A lo menos dos galerías, serán siempre coplanarias con σ-ι y con el centro geométrico de la caverna y estarán situadas en lados opuestos de la caverna.

200 Desde cada galería se perfora dos conjuntos de tiros largos, de dos hileras cada uno; un conjunto orientado hacia la parte superior de la caverna y el otro conjunto hacia la parte inferior de ella. Idealmente, cada conjunto de tiros largos, de cada galería, deberán traslaparse 4 encima y debajo de la infraestructura a proteger, enmarcando a la futura cavernal .

La Fig. 2 gráfica la importancia de que ambos conjuntos de tiros largos, de cada galería de 205 perforación formen el ángulo vertical φ con σ i. Se observa allí también que entre cada par de tiros de una hilera, se creará un colchón de roca fragmentada por tronadura de espesor (a) y que, mientras menor sea el ángulo φ, aumenta significativamente el espesor (b) de esa zona degradada. Ello, justo en el sentido del componente máximo de esfuerzos σ\, con lo cual se incrementará la capacidad de protección de ambos: la ocurrencia y del daño que provocaría la 210 explosión de rocas en futuras obras.

El diámetro de las perforaciones será del orden de 100 a 150 mm.

Una vez efectuada la tronadura de degradación, la zona tronada de los conjuntos de tiros largos, se constituirá en un efectivo escudo, reduciendo la capacidad de trasmisión de esfuerzos a la infraestructura.

215 3.- Obras sub verticales

El mayor riesgo al que están expuestas estas obras, lo representa la componente del esfuerzo máximo σ i, cualquiera que sea su orientación.

En aquellas obras verticales (piques de traspaso, tolvas, etc.), el escudo de protección consistirá en perforar, a su alrededor, pozos descendentes (o ascendentes), desde Galerías de 220 Perforación dispuestas en forma de hexágono u otra figura geométrica. La obra a proteger, se sitúa en el centro del hexágono.

Por razones de precisión en la perforación de tiros largos, es recomendable, que su longitud no exceda de los 40 metros.

VENTAJAS

225 A diferencia de otras técnicas de distensionamiento - fracturamiento hidráulico, por ej. - las técnicas propuestas permitirán avanzar en la excavación de las infraestructuras ya mencionadas, en forma muy rápida, con escasas interrupciones y de un modo seguro.

Una importante ventaja de esta técnica, es que el escudo de protección, permanecerá vigente durante toda la vida útil de las instalaciones.

230 En cambio, la contención del campo de esfuerzos, solo mediante una laboriosa, densa, robusta, lenta y costosa fortificación, etc., mantiene siempre latente la posibilidad de una explosión de rocas, el que puede ser gatillado por terremotos o por el reordenamiento del campo de esfuerzos que induce la misma explotación minera.

Adoptando las debidas precauciones, una gran parte de las obras principales de la futura 235 infraestructura, tales como las Plantas de Chancado, se pueden ejecutar en paralelo con el proceso de la técnica de fracturamiento por tronaduras. Por ejemplo, para ganar tiempo, se pueden excavar, en paralelo con las Galerías de Perforación y la perforación de los tiros largos, los accesos a los distintos niveles de la obra, así como la excavación de galerías pilotos en los distintos niveles, dentro de la nave.

240 245 REFERENCES AND BIBLIOGRAPHY

Blake W., 1982. "Destressing To Control Rock Bursting," Underground Mining Methods Handbook.

Blake W. 1984, "Rock Preconditioning as a Seismic Control Measure in Mines," Proceedings of the International Congress on Rock burst and Seismicity in Mines, Johannesburg.

250 Wagner H. 1984. "Support requirements for rock burst conditions." Proceedings of the International Congress on Rock bursts and Seismicity in Mines. Johannesburg.

U. S. DEPARTMENT OF THE INTERIOR, 1947. Bulletin 95. "A glossary of the mining and mineral industry"