Tesis:
Estudio de la estabilidad de los taludes en una mina operativa excavada en suelo duro/roca blanda
- Autor: COOPER, Stephen
- Título: Estudio de la estabilidad de los taludes en una mina operativa excavada en suelo duro/roca blanda
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. DE MINAS Y ENERGÍA
- Departamentos: INGENIERIA GEOLOGICA Y MINERA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/54789/
- Director/a 1º: ESPI RODRIGUEZ, Jose Antonio
- Director/a 2º: GALERA FERNANDEZ, Jose Miguel
- Resumen: A medida que los precios de los metales bajan en los mercados y las leyes minerales también comienzan a disminuir, existe la necesidad de que las compañías mineras optimicen sus operaciones y los diseños de las cortas, reduciendo las ratios de desmonte mediante aumentos en los ángulos de los taludes. El requisito de estabilidad en estos taludes se puede acometer utilizando diferentes filosofías. En la mina de Las Cruces en el sur de España, el enfoque general para garantizar la estabilidad de taludes de la corta, sigue una política de cero daños. Como una mina española moderna, Las Cruces está comprometida con el uso de las mejores tecnologías y prácticas disponibles a la fecha, con el objetivo de garantizar la producción de mineral en un ambiente seguro. Desde una perspectiva práctica, esto implica un afinado diseño de la corta un mapeo geotécnico continuo de los taludes excavados para garantizar su conformidad con el diseño, y el uso de unas tecnologías de vanguardia de auscultación geotécnica para complementar la vigilancia continua. El propósito de esta tesis es planificar e identificar cuáles han sido, a lo largo de estos años, los procesos implementados para garantizar la estabilidad geotécnica y la seguridad en la mina de Las Cruces, desde las primeras actividades de la excavación del pre-stripping, así como las mejoras introducidas para la estabilidad de taludes de la corta a cielo abierto, destacando los siguientes elementos cruciales: 1. Caracterización geomecánica de los materiales: los parámetros resistentes y deformacionales utilizados en el análisis son fundamentales para cualquier diseño. Esta tesis investiga la investigación práctica de las características de los materiales a lo largo de la vida de la mina, desde su fase de proyecto hasta la fecha, haciendo hincapié en los métodos utilizados para la actualización periódica de esta información. Los métodos para determinar estas características fueron predominantemente: - Trabajos de investigación, durante la fase de los diseños de ingeniería, a partir fundamentalmente de sondeos geotécnicos específicos. - Ensayos de laboratorio sobre las muestras obtenidas en los sondeos y, sobre muestras talladas in situ directamente de los taludes de la corta durante el desarrollo de la excavación. - Observaciones visuales y las determinaciones de la competencia de las rocas directamente realizadas durante la cartografía geotécnica de los bancos de los taludes. - Correlaciones de varias litologías con tipos de rocas similares conocidos en otras minas y más específicamente en minas de la Faja Pirítica Ibérica. 2. Diseño optimizado de la corta: a lo largo del desarrollo de la excavación de la corta minera, se realizaron mejoras en el diseño inicial de los taludes de la mina, utilizando para ello los datos geomecánicos de investigaciones complementarias de campo, basada en sondeos y ensayos de laboratorio e in-situ. Se utilizaron las configuraciones finales de la corta para proporcionar unas geometrías que han sido analizadas, mediante: Análisis de estado límite 2D, con el programa SLIDE de Rocscience: El trabajo consistió en la optimización del diseño de la corta original y una revisión de ese diseño incorporando: - Planos de estratificación mapeados y de otras estructuras geológicas. - Segregación de las margas, en dos niveles, superior e inferior, en términos de parámetros de resistencia. - Parámetros de resistencia mejorados a partir de muestras talladas in situ, menos disturbadas que las muestras de sondeo, obtenidas directamente de los taludes y del fondo de la corta. - Variaciones en el paleozoico, incluidas las pizarras problemáticas del muro en el lado sur de la mineralización. Análisis mediante diferencias finitas con el programa FLAC3D, de Itasca: En este análisis la corta minera se dividió en dos mitades. Una del lado sur y ora del lado norte, al objeto de reducir los requisitos y por lo tanto los plazos de procesamiento informático de los datos, y con ello el tiempo de cálculo. Con respecto a las margas, se utilizó un modelo constitutivo de strain-softening con acoplamiento hidromecánico, capaz de modelar con eficacia las disipaciones de presión de poro como resultado de la descompresión y de la rotación de esfuerzos principales en la cara de los taludes, tras la excavación, con una reducción general de las tensiones desestabilizantes. Análisis mediante diferencias finitas con el programa FLAC2D, de Itasca: Se analizó la geometría de la corta más desfavorable que se ubica en lado norte de la corta. Este cálculo se efectuó, al igual que en el caso anterior, también con acoplamiento hidro-mecánico. Sin embargo, la restricción a dos dimensiones en el análisis, posibilitó un refinamiento de la malla de cálculo desde los 5 m x 5 m, empleados en los dos análisis 3D, hasta 0.5 m x 0.5 m. Esto permitió una mejor modelización de los elementos con respeto a la hidrología de la sección analizada, y sobre todo, la consideración de planos de estratificación reconocidos en los inclinómetros, con comportamiento residual. La sección de cálculo bidimensional, también permitió incorporar en el modelo, la escombrera norte en su configuración final para verificar tanto su estabilidad, como su efecto sobre los taludes de la corta. Análisis mediante elementos finitos con el programa Phase2 de Rocscience: En este caso, el análisis se efectuó como un método para verificar el análisis de FLAC 2D anterior, como chequeo adicional, formando parte de un análisis QAQC. Para ello se utilizó el programa de elementos finitos Phase2 para resolver el análisis tenso-deformacional. En este caso no se consideró el acoplamiento hidromecánico, al objeto de cuantificar la importancia de este factor como reducción de la presión de poros, para la optimización de los taludes de cortas a cielo abierto a gran escala excavadas en medios impermeables. 3. Optimización geotécnica de las voladuras Se llevó a cabo una optimización de las voladuras en la corta. Este enfoque fue distinto al que habitualmente realiza un ingeniero especialista de voladuras, centrando la atención en las características geotécnicas del terreno a partir de los datos procedentes del mapeo de los taludes y de los ensayos de laboratorio, para caracterizar los litotipos. A partir de estos datos de campo y laboratorio, se desarrolló una metodología para derivar los parámetros de resistencia y elasticidad dinámica del macizo rocoso. A partir de estos parámetros, se determinaron las características de la propagación de ondas de voladura y se compararon con los datos recogidos de pruebas de onda semilla de las voladuras de campo, con resultados favorables. Las estimaciones de la profundidad del daño inducido por la vibración de la voladura en el macizo rocoso se realizaron utilizando los parámetros de propagación y la resistencia a la roca. Finalmente, se propuso un mayor desarrollo del uso del factor de daño de D del criterio de rotura de Hoek-Brown, y se realizó un análisis posterior en los taludes, previamente excavados para simular los modos de falla observados. La comparación con observaciones in situ fue favorable y la metodología se utilizó posteriormente para analizar y mejorar la voladura para la excavación de los taludes en las zonas más profundas de la mina, con resultados altamente efectivos y demostrables. La reconciliación de la observación de los efectos de las voladuras se llevó a cabo mediante la incorporación de la metodología de reconciliación de Stacey en el mapeo geotécnico de taludes excavados. 4. Monitoreo de la corta - Sistemas de mapeo y vigilancia. El monitoreo intensivo de los taludes se lleva a cabo desde las primeras etapas de la excavación de la corta utilizando, para ello, inclinómetros, piezómetros y una estación topográfica total robotizada. En esta tesis, el autor ha enfatizado la diferencia entre disponer de: - Un diseño apropiado inicial y su correcta implementación que garantiza una alta probabilidad de estabilidad de los taludes durante los trabajos de excavación. - Un sistema de monitoreo continuo de los taludes mediante instrumentación geotécnica, generalmente realizado por un ingeniero geotécnico in situ que asegura que cualquier inestabilidad potencial sea detectada, rastreada y comunicada al equipo operacional, de forma que se pueda mantener en todo momento las adecuadas condiciones de seguridad. Esta diferenciación entre la estabilidad de los taludes (que constituye la primera defensa para garantizar operaciones mineras seguras) y el monitoreo de los taludes (que es la última defensa en la seguridad de la mina) se considera fundamental para un buen rendimiento geotécnico en cualquier operación minera. Esta tesis explora estos aspectos, implementando nuevas técnicas innovadoras en lugar de las técnicas estándar utilizadas en la minería histórica, proporcionando notables mejoras que podrían implementarse fácilmente en otras operaciones mineras en el futuro para garantizar que se implementen las mejores prácticas disponibles. ----------ABSTRACT---------- As metal prices drop in the commodity markets and mineral grades also begin to lessen, there is a need for mining companies to attempt to optimise their pit operations and designs, reducing stripping ratios via increases in pit slope angles. The requirement for stability in these pit slopes can be accomplished using different philosophies. At Las Cruces mine in Southern Spain a zero harm policy defines and defends the general approach to slope stability. As a modern Spanish mine, Las Cruces is committed to the use of best available technology and practices with the aim of guaranteeing the production of ore in a safe environment. From a practical perspective, this involves high quality pit design, on-going geotechnical mapping of exposed slopes to ensure conformity with design, and use of leading geotechnical surveillance technology to complement on-going monitoring. The purpose of this thesis is to map out and identify the process of ensuring stability and geotechnical safety, at Las Cruces, since first stripping activities of open pit slope stability maintenance and improvements, highlighting the following crucial elements: 1. Material Characterisations – Fundamental to any design are the parameters utilised in analysis. This thesis investigates the practical investigation of material characteristics over the mine life to date and the methods utilised for the periodic update of this information. The methods of determining these characteristics were predominately: - Intrusive investigation work comprising bespoke geotechnical drillholes. - Laboratory testing on samples obtained from drillholes and bulk samples obtained from the pit slopes during excavation development. - Visual observations and direct rock competence determinations undertaken during slope cartography. - Correlations of various rock lithologies with known similar rock types in other mines and more specifically in mines of the pyritic belt. 2. Optimised Pit Design – Using the geo-mechanical data from the site investigation based on boreholes and laboratory and in-situ testing, improvements were made to the initial design of the slopes undertaken for the mine, Final pit shell configurations were utilised to provide a geometry for: 2D limit-state analysis, with Rocscience commercial programme SLIDE. This consisted of the optimisation of the original pit design and a review of that design incorporating: - Known bedding planes and other geological structures. - Segregation of the upper and lower marls in terms of resistance parameters. - Improved resistance parameters from less disturbed bulk samples obtained directly from the pit slopes and floor. - Variations in the Palaeozoic, including the challenging footwall shales adjacent to the south side of mineral ore body. FLAC3D finite difference three-dimensional phased analysis. The analysis was divided into a south side and a north side to reduce processing requirements and time frames. With respect to the marls, an important hydro-mechanical coupling process was fully incorporated which was able to effectively model pore pressure dissipations as a result of principle stress rotation near the excavation slopes and an overall reduction in stress. FLAC2D finite difference two-dimensional phased analysis. A specific worst case geometry was analysed on the north side of the pit, again taking into account a coupling of the hydrological and mechanical elements. However the two dimensional nature of the analysis enabled a refinement of the mesh from 5m x 5m down to 0.5m x 0.5m. This allowed an improved modelling of the hydrological elements of the analysed section. The section also enabled the modelling of the mines adjacent north dump in its final configuration to check both its local stability state and also the effect on the pit. Phase 2D finite element two-dimensional phased analyses. This was undertaken as a method of checking the FLAC2D analysis for QAQC purposes. As such a completely unrelated stress-strain deformation analysis programme was utilised, PHASE2D. In addition the hydro-mechanical coupling method was not implemented to provide emphasis on the importance of coupling these interdependent factors for mining pit slope optimisation in large open pits. 3. Geotechnical Blast Optimisation – Optimisation of the blast activities was undertaken. This approach was distinct to that of the mine blast engineer with attention being focused upon laboratory data and in pit geotechnical mapping in order to better determine the characteristics of each lithotype present in the mining pit. A methodology was developed to derive, from this laboratory and field data, rock mass dynamic elasticity and strengths parameters. From these parameters, corresponding blast propagation parameters were also determined and cross-checked against in field blast signature testing, with favourable results. Estimations of the blast induced damage depth into the rock mass were made utilising the propagation and rock resistance parameters. Finally further development of the use of the Hoek-Brown damage factor was proposed and a back analysis was undertaken on previously blasted slopes in order to emulate observed failure modes. A comparison with onsite observations was favourable and the methodology was subsequently utilised to analyse and improve blasting for slope construction in the deeper areas of the mine, with highly effective demonstrable results. Observation reconciliation of the effects of this blasting was undertaken via the incorporation of the Stacey blast reconciliation methodology in geotechnical mapping of formed slopes. 4. Pit monitoring – Mapping and vigilance systems. Intensive monitoring of the slopes is conducted from the very first stages of pre-stripping using inclinometers, piezometers and a robotic topographical total station. In the mine, the author has emphasised the difference between: - An appropriate on-paper design and its correct implementation which provides a high probability of slope stability during excavation works. - On-going slope and instrumentation monitoring, usually undertaken by an onsite geotechnical engineer which ensures that any potential instabilities are tracked and highlighted to the operational team such that safety can be maintained. This distinction between slope stability (the first defence for safe mining operations) and slope monitoring (the last defence) is considered fundamental for good mining geotechnical performance. This thesis explores these aspects, implementing innovating new techniques over those used in historic mine practices and provides improvements that could with ease be implemented in other mining operations in the future to ensure that best available practices are in place.