SOPORTE DE SUELO
El soporte de suelo, consiste típicamente en barras de acero, cables, concreto y malla de acero, se usa para dar soporte a los túneles en una mina subterránea. La deformación inducida por la extracción después de la instalación del soporte y hasta una extensión menor y el arrastre de la masa de roca, provocan el desarrollo de cargas adicionales.
BAE simula la deformación en los elementos de soporte directamente, al modelar los elementos individuales y utilizar directamente un enfoque que incorpora curvas de suelo características (Brady and Brown, 2006).
La curvas de suelo características comparan la respuesta carga-deformación de un límite de excavación con la respuesta de carga – deformación de un sistema de soporte de suelo.
Figura 1. Simulación de una intersección, sujeta a deformación moderada, apoyada por una red de arcos TH y pernos de cable pesados
Históricamente, cuando se ha aplicado este método para aplicaciones mineras, se realizó un análisis limitado de un grupo de ubicaciones representativas en una mina, ya que el análisis puede ser engorroso y a menudo hay dificultad para calcular las curvas características.
El último adelanto para el modelamiento característico de suelo es simular cargas de soporte para el desarrollo completo de minas muy complicadas, tales como el ejemplo de una Caverna Sub-Nivel (SLC) que aparece en la Figura 2.
Este modelo consiste en más de cinco mil celdas de volumen desde particiones y operaciones booleanas en la parte de geometría, con una malla de aproximadamente 240.000 elementos (1 millón de grados de libertad).
Figura 2. Geometría para el SLC (izquierda) y volumen que contiene regiones de minería adyacentes seleccionadas en el modelo de elementos finitos (derecha).
En este ejemplo, para calcular las cargas de soporte, las curvas de carga de soporte-deformación para cada sistema de soporte se derivaron sometiendo a pruebas numéricas la rigidez del sistema de soporte completo sujeto a la ruta completa de carga-deformación en ubicaciones seleccionadas en el modelo.
A continuación, la representación del sistema de soporte fue “instalada” en el modelo a escala de mina para pronosticar los efectos de deformación inducida sobre el soporte. Esto se hace típicamente dentro de un modelo con etapas de extracción mensuales para asegurar que la ruta de esfuerzo esté simulada correctamente.
La posterior extracción induce la deformación y hace que ceda la masa de roca lo cual carga el soporte. En el ejemplo que aparece en la Figura 3, el rendimiento pronosticado y real del soporte se comparan para el nivel SLC destacado en gris oscuro en la Figura 1. Se descubrió que era necesaria la rehabilitación del suelo en el 33% de las áreas donde la carga de soporte modelado alcanzó aproximadamente 300kPa y se requirió de modo casi universal después de 600kPa. En algunas áreas 600kPa de carga de soporte acumulativo requirió pases múltiples. Se espera que la variación en la carga requerida antes de la rehabilitación sea como se espera ya que hay un número de variables que ni siquiera son registradas en las minas dejadas de lado simuladas por el modelo.
Figura 3. Interpretación de carga de soporte (derecha) y rehabilitación medida en un solo nivel en una mina de ejemplo (etapa de producción temprana).
Para manipular la variabilidad, se desarrolló medios probabilísticos cualitativos. La registrar la longitud total de galería que requiere rehabilitación en la mina y comparando esto con el resultado para el mismo periodo en cada etapa del modelo, se deduce una relación simple entre carga de soporte y los requerimientos de rehabilitación.
La relación entre los pases de soporte y la carga de soporte no es directa-lineal y esto se esperaba; a medida que aumenta la deformación la probabilidad de tener que rehabilitar aumenta de manera desproporcionada a medida que el anillo alrededor de la galería se deteriora de manera más completa y la característica de suelo se ablanda. Esto significa que en etapas avanzadas de desarrollo de carga de soporte pareciera que la demanda de rehabilitación crece muy rápido.
En este ejemplo, la coincidencia entre la rehabilitación total medida y la pronosticada a partir de la carga de soporte para la relación es muy buena, mejor que +/- 10% para los dos primeros pases de reparación de soporte. La Figura 4 muestra extensos pronósticos de rendimiento de soporte y deformación plástica a través de una sección de mina entera para una secuencia de producción seleccionada que se investigó.
Figura 4. Pronósticos modelados de carga de soporte (contornos de superficie de galería) y deformación plástica (plano de corte vertical) a través de la sección inferior de una mina profunda.
En la Figura 5, aparece un ejemplo de cálculo de carga de soporte para una declinación cerca del contrafuerte de una caverna de bloque. Hay una sección corta de la declinación con una carga de soporte muy alta. La causa de este problema es evidente en la figura que además muestra la iso-superficie que corresponde a deformación plástica “moderada”. La proximidad de la declinación al contrafuerte de caverna ha tenido como resultado el desarrollo de una zona de cizalle inducida entre las dos excavaciones.
Figura 5. Pronósticos modelados de carga de soporte (contornos de superficie de galería coloreados) y deformación plástica (nubes de gris claro)
B.H.G. Brady, E.T. Brown, "Rock Mechanics For underground mining" , Springer; 3 edition (November 30, 2004)