INGENIERÍA DE ROCAS I

APLICACIONES PRÁCTICAS
La mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada del comportamiento mecánico de
la roca. Por lo general, es poco rentable llevar a cabo pruebas complicadas y costosas in-
situ para la determinación de los parámetros de propiedades mecánicas de la roca a
menos que sea unos proyectos de gran tamaño.

Una solución, es combinar las pruebas de laboratorio con el simple pero eficaz equipo
de prueba de campo.

El conocimiento de las tensiones y deformaciones que puede llegar a soportar el

material rocoso ante unas determinadas condiciones permite evaluar su
comportamiento mecánico y abordar el diseño de estructuras y obras de ingeniería.

La relación entre ambos parámetros describe el comportamiento de los diferentes tipos

de rocas y macizos rocosos, que dependen de las propiedades físicas y mecánicas de los
materiales y de las condiciones a que están sometidos en la naturaleza.

Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica de rocas se agrupan en:

❖ Cuando el material rocoso constituye la estructura (excavaciones de túneles,

galerías, taludes, etc.)
❖ Cuando la roca es el soporte de otras estructuras (cimentaciones de edificios,
presas, etc.)
❖ Cuando las rocas son empleadas como material de construcción (escolleras,
pedraplenes, rellenos, etc.)

Cuando se excava un macizo rocoso o se construyen estructuras sobre las rocas se

modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios
deformándose y/o rompiéndose.

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➢ Factores Geológicos que dominan el Comportamiento y las

Propiedades Mecánicas de los Macizos Rocosos

La Litología y propiedades de la matriz rocosa.

La estructura geológica y las discontinuidades.

El estado de esfuerzos a que está sometido el material.

El grado de alteración o meteorización.

Las condiciones Hidrogeológicas.

LA MECÁNICA DE ROCAS EN LA INGENIERÍA DE MINAS

Complejidades Inherentes en la Mecánica de Rocas

Se ha observado que la mecánica de rocas representa un juego de principios, un cuerpo

de conocimiento y varios procedimientos analíticos relacionados al campo general de la
mecánica aplicada. La pregunta que surge es – que problemas mecánicos se presentan
en los medios geológicos, suficientes para justificar la formulación o el reconocimiento
de una disciplina coherente, dedicada de la ingeniería? Los cinco temas que se discutirán
a continuación determinan la naturaleza y el contenido de la disciplina e ilustra la
necesidad de esforzarse en investigar y para desarrollar funciones y metodologías
especificas en la ingeniería de minas.

Fracturas en la roca.

La fractura en los materiales convencionales de ingeniería ocurren en un campo de

tensión, algunas teorías sofisticadas han postulado la explicación
del comportamiento antes de la falla y después de la falla del material.

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La respuesta de la roca a cargas impuestas muestra un efecto pronunciado en el tamaño

o escala de la carga. Este efecto es relacionado en parte a la naturaleza discontinua de
los macizos rocosos.

Las uniones y otras fracturas de origen geológico están presentes en los cuerpos
rocosos, y de esta manera la resistencia y las propiedades de deformación de los macizos
rocosos están influenciadas tanto por las propiedades del material rocoso (por ejemplo,
la continuidad del macizo rocoso) y la variación en las características estructurales. Estos
efectos se pueden apreciar considerando varias escalas de carga como a los que los
macizos rocosos se encuentran sometidos en la práctica de la minería.

PROCESO DE BARRENACIÓN

El proceso de la barrenación generalmente refleja las propiedades de la resistencia de

la roca intacta, puesto que el proceso funciona induciendo fracturas al material rocoso
debajo de la herramienta de perforación. Minando un cuele en roca con uniones puede
reflejar las propiedades del sistema de uniones. En este caso, la sección final de la
abertura estará definida por el comportamiento de las uniones. El comportamiento de
la roca en la periferia de la obra puede reflejar la presencia de pequeños bloques de
roca, en los cuales la estabilidad está definida por la fricción y por otras fuerzas actuando
sobre su superficie.

En una escala más grade, por ejemplo un pilar, las uniones del macizo pueden demostrar
las propiedades de pseudo continuidad. Los efectos de escala se pueden ver de una
manera esquemática en la figura 1.1.

Estas consideraciones sugieren que las especificaciones de las propiedades mecánicas

de un macizo rocoso no tienen simple importancia. En particular, la inverosímil
posibilidad de hacer pruebas en especímenes de rocas con uniones, a una escala
suficiente para representar la continuidad equivalente satisfactoriamente, indica la
necesidad de postular y verificar métodos de sintetizar las propiedades del macizo
rocoso para sus elementos constitutivos.

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Figura 1.1 El efecto de la escala en la respuesta de la roca debida a cargas impuestas:

a) Falla de un material rocoso debido a la barrenación.

b) Las discontinuidades controlan la forma final de la excavación.

c) Un pilar de mina opera de una forma seudo continua.

Resistencia a la tensión

Las rocas se distinguen de todos los demás materiales comunes de ingeniería, a

excepción del concreto, por su baja resistencia a la tensión. Los especímenes de roca
probados en pruebas de tensión uniaxial han fallado a esfuerzos muy bajos en
comparación a los valores obtenidos en las pruebas a la compresión simple (UCS).
Debido a que las uniones y otras fracturas ofrecen poca o nula resistencia a la tensión,
la resistencia a la tensión en un macizo rocoso puede asumirse como nula. La implicación
de esta propiedad en diseños de excavaciones en roca es que ninguna zona identificada

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por el análisis será sujeta a esfuerzos de tensión, en la práctica, destensionarla, y causar

re distribución de esfuerzos locales. La destensión puede dar como resultado una
inestabilidad en la roca, lo cual se verá reflejado en desprendimiento espontáneo o
progresivo de la roca.

Efectos del agua subterránea

El agua subterránea puede afectar el comportamiento mecánico de las rocas en dos

sentidos. El más obvio es el que ocurre en la operación de la ley del esfuerzo efectivo. El
agua bajo presión en las uniones que definen bloques reduce el esfuerzo normal
efectivo entre las superficies de las rocas y por lo tanto reduce la potencial resistencia
al corte. En las rocas porosas, como la arenisca, la ley del esfuerzo efectivo tiene un
comportamiento igual que al de suelos granulares. El efecto de fisuras o poros de agua
bajo presión reducen el esfuerzo ultimo del macizo, en comparación con las condiciones
que se presentan cuando se colocan drenes.

Un efecto más sutil del agua subterránea sobre las propiedades mecánicas de las rocas
puede surgir de la acción nociva del agua en determinadas rocas y minerales. Por
ejemplo, la arcilla se muestra suave en presencia de agua, reduciendo el esfuerzo y
aumentando la deformabilidad del macizo rocoso. Las rocas argilizadas, como las
pizarras y las areniscas argilizadas, también demuestran una marcada reducción en la
resistencia de los materiales seguida de infusión en el agua (infusión.-acción de
introducir en agua caliente ciertas sustancias orgánicas para extraer de ellas las partes
solubles).

La implicación de los efectos del agua subterránea en la resistencia del macizo rocoso
son muy considerables para las prácticas de minería. Puesto que el comportamiento de
la roca se pude determinar por su ambiente geohidrológico, puede ser esencial en
algunos casos mantener un control de las condiciones del agua subterránea en el área
de la mina. Además, puesto que las operaciones de relleno son importantes en algunas
operaciones de explotación de minas, se debe considerar cuidadosamente desde el
punto de vista de las características de los esfuerzos bajo las condiciones variables del
agua subterránea.

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Intemperismo

El intemperismo se puede definir como la alteración física o química de la superficie de

la roca debido a las reacciones con los gases atmosféricos y soluciones acuosas. El
proceso es análogo a los efectos de la corrosión en materiales convencionales.
El interés ingenieril del intemperismo se genera debido a su influencia en las
propiedades mecánicas del material intacto, así como la potencialidad del efecto
significativo del coeficiente de fricción en la superficie de la roca. Parece que mientras
el intemperismo causa una reducción constante en las propiedades de la roca, el
coeficiente de fricción de una superficie puede sufrir una reducción (Boyd, 1975).

A pesar de que los procesos físicos como el ciclo termal y la insolación pueden ser
importantes en la minería a tajo abierto, el proceso del intemperismo subterráneo es en
su mayor parte de origen químico. Esto incluye disolución y el fenómeno de cambio de
iones, oxidación e hidratación. Algunos efectos del intemperismo son fácilmente
apreciables, como la disolución de calizas en un ambiente de alteración debido al agua
subterránea. En otros casos, como en la oxidación de la pirrotita, la susceptibilidad de
algunas formas de minerales a un rápido ataque químico no esta totalmente
comprendido. Otro problema de alteración se presenta en rocas básicas que contienen
minerales como el olivino y piroxenos. La hidrólisis produce montmorilonita, la cual es
una arcilla expansiva con un comportamiento mecánico especialmente intratable.

Esta discusión no identifica todos los términos a considerar. Sin embargo, es claro que
este tema (el intemperismo) trasciende el dominio de la mecánica aplicada tradicional y
necesita incluir un número de temas que no tienen que ver con ninguna
otra disciplina de la ingeniería.

MINERÍA SUBTERRÁNEA
La extracción de minerales mediante minería subterránea envuelve la generación de
diferentes tipos de aberturas, con un considerable rango de funciones. En una mina
convencional se puede tener: tiros, niveles de acarreo, contra frentes, cruceros de
extracción, cámaras de bombeo, tiros de ventilación y entradas de aire que constituyen
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desde accesos a la mina hasta excavaciones para servicios. Su vida útil es comparable o
en ocasiones excede la vida del depósito por ser minado y normalmente este tipo de
obras se lleva a cabo en las tablas del depósito (roca estéril). Las obras de servicio y las
de operaciones directamente asociadas con la recuperación del mineral que consisten
en cruceros de extracción, frentes, contra pozos de acceso y metaleras, desde donde o
en los cuales se lleva a cabo varias operaciones de producción. Estas obras se llevan a
cabo en la zona mineralizada o en zonas estériles cercanas al depósito mineral y su vida
útil esta limitada a la duración de la actividad del minado en su vecindad inmediata.
Muchas obras van siendo eliminadas conforme se va minando. El tercer tipo de obras
subterráneas son las que se encuentran en el depósito mineral. Puede ser un rebaje, con
unas tablas bien definidas formando los limites geométricos del hueco minado, el cual
aumenta de tamaño conforme se va minando. Alterno a esto puede ser que el rebaje tal
vez tenga relleno de fragmentos con unos límites pobremente definidos, que
normalmente coinciden con los límites del depósito. Las zonas fragmentadas son
generadas por disgregación inducida. La vida útil de cualquier tipo de estas obras
(rebajes) está definido por la duración de la actividad de la extracción del mineral.

Figura 1.2 Obras Mineras

Independientemente del sistema de minado subterráneo que se adopte para la

extracción de mineral, es posible especificar cuatro objetivos comunes de
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la mecánica de rocas para una buena ejecución de la estructura del minado, y para los
tres tipos de obras subterráneas que se describieron anteriormente. Estos cuatro puntos
son:

• Asegurar la estabilidad total de la estructura completa de la mina, definida por los

rebajes y los huecos minados, mineral por minar y la roca estéril adyacente;

• Proteger las obras principales de servicio de principio a fin según la vida útil con la cual
se diseño.

• Proveer de accesos seguros a lugares de trabajo seguros, tanto en las zonas

de producción y como en sus alrededores.

• Preservar las condiciones de minado para las reservas sin minar.

Es instructivo definir las diferencias significativas en operaciones referentes a

excavaciones subterráneas diseñadas para propósitos de ingeniería civil y aquellas
excavaciones envueltas en la práctica de la ingeniería de minas sujetas a la entrada
del personal de la mina. En el último caso, el uso de cualquier obra está enteramente en
bajo control de los operadores de la mina. Y durante su uso activo la superficie de la
excavación está sujeta a la virtual inspección continua del personal de la mina. Los
trabajos de mantenimiento o de restauración de las condiciones de seguridad alrededor
de las obras subterráneas, tienen rangos que van desde amazice hasta métodos de
soporte y refuerzo, que se pueden realizar en cualquier momento, bajo la dirección del
departamento de operación o de planeación de la mina. Estas operaciones raramente
se ven en las obras enfocadas a la ingeniería civil. Otra gran diferencia es que la mayoría
de las excavaciones con propósitos mineros tienen una vida útil significativamente
menor que aquellas excavaciones usadas para propósitos de ingeniería civil. No es de
sorprender, por lo tanto, que el diseño de una excavación minera refleje el grado de
control inmediato sobre la utilización de la excavación, mediante inspecciones,
mantenimiento y el soporte que pueda ofrecer la operación de mina.

Además de los diferentes límites de operación para las excavaciones mineras y civiles,
hay una marcada diferencia en la naturaleza de las estructuras generadas y esto afecta
directamente la filosofía del diseño. La principal diferencia es que una estructura de roca

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de la ingeniería civil es reparable, considerando que una estructura minera continúa

su desarrollo desde el inicio hasta el fin de la mina. En el último caso, la secuencia de los
rebajes o del minado por bloques asume gran importancia. Las dediciones hechas en los
primeros años de la vida de la mina pueden limitar las opciones y el éxito de la mina,
cuando se está buscando establecer una estrategia ordenada y efectiva para la
extracción o la recuperación del mineral remanente.

Estabilidad de taludes como una rama de la ingeniería

Debido a la naturaleza discontinua de la roca, el diseño de taludes estables es en mucho

tanto arte como ingeniería aplicada. La experiencia es importante así como un
apropiado uso de las teorías de mecánica de rocas y mecánica de
suelos, geología estructural e hidrología.

Actualmente existen muchos software disponibles para diseño de taludes, pero es

importante que los ingenieros que manejen estos softwares comprendan la teoría
básica de la estabilidad de taludes en roca (o inestabilidad) antes de que intenten utilizar
algún método computarizado, especialmente antes de que intenten interpretar y
aplicar los resultados.

ESTABILIDAD DE TALUDES EN LA INGENIERÍA DE MINAS

El campo de la ingeniería de minas, en el otro lado de la estabilidad de taludes, utiliza
fundamentalmente principios de la mecánica de rocas para analizar la estabilidad de
taludes en cortes rocosos. La mecánica de rocas es más complicada que la mecánica de
suelos por las siguientes razones (Brawner y Milligan 1971):

• Los materiales rocosos son heterogéneo y normalmente anisótropos.

• Los parámetros de resistencia relacionados a los macizos rocosos son infinitamente

variables y difíciles, si no es que imposibles de determinar precisamente.

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• Los modelos y teorías generalizadas del comportamiento de las rocas son muy
complejos, así como las matemáticas que lo envuelven.

• Las condiciones de campo son extremadamente difíciles y a menudo imposibles de

duplicar en un laboratorio.

• El muestreo en campo es por lo general complicado y

el consumo de tiempo y dinero son altos.

La ingeniería de la estabilidad de taludes en roca es la aplicación de los principios de la

mecánica de rocas y los principios de la geología estructural. Esto incluye no solo los
análisis cinéticos (kinetics) (posibles modos de falla) y análisis cinemático (estabilidad de
los modos de falla) (kinematics) sino que también incluye análisis probabilísticos,
métodos de estabilizar los taludes, análisis de aguas subterráneas, recolección de
datos geológicos, métodos de monitoreo de taludes, etc.

Los tres componentes principales del diseño de taludes para un tajo abierto son los
siguientes (Figura 1.4). Primero, el ángulo de reposo (ángulo total) del talud del tajo
desde la cresta hasta el pie, incluyendo todas las rampas y bancos. Este puede ser un
talud mixto, con un talud poco pronunciado en materiales superficiales y débiles, y con
un talud más pronunciado en una roca más competente en las zonas más profundas.
Aunado a esto, el ángulo del talud puede variar alrededor del tajo para acomodar tanto
a la geología y la disposición de las rampas. Segundo, el ángulo de la rampa interna es el
talud o taludes que se encuentran entre cada rampa que dependerá del número de
rampas y de sus respectivos espesores. Tercero, el ángulo de la cara de
cada banco depende del espaciamiento vertical entre bancos, o bancos múltiples
combinados, y el ancho de los bancos requiere contener caídas menores de roca.
Algunos factores que influyen en el diseño de los taludes, es la altura, la geología, la
resistencia de la roca, la presión del agua subterránea y el daño provocado por los
explosivos a la cara del talud. Por ejemplo, por cada avance hacia atrás (push-back?), la
profundidad del tajo se incrementara y puede que se requiera un disminución
correspondiente al ángulo total del talud. También, para taludes por donde pasa una
rampa, el ángulo del talud deberá tener menos pendiente para disminuir los riesgos de
fallas que dejen inhabilitada la rampa, a diferencia de los taludes que no tienen rampas

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y donde se pueden tolerar algunos tipos de inestabilidad. Donde exista una presión de
agua significante en alguno de los taludes, esta se debe de tomar en cuenta para
instalar sistemas de drenes, si estos pueden ayudar a disminuir la presión del agua que
permitan que el ángulo del talud se incremente. Para tajos profundos donde el
incremento del ángulo del talud en uno o dos grados ayude a recuperar varios millones
de metros cúbicos de excavación en roca, tal vez se pueda justificar un vasto sistema de
drenaje. Como los sistemas de drenaje que incluyen abanicos de barrenos con
longitudes de cientos de metros barrenados desde la cara del talud, o un socavón de
drenaje con barrenos dentro de la roca del túnel. Con respecto al ángulo de la cara de
los bancos, estas pueden estar dominadas por la orientación de la familia de uniones
predominante si es que hay uniones que salgan de la cara con un ángulo más inclinado.
Si esta situación no existe, entonces el ángulo del banco estará relacionado a
la geometría general. Un factor que puede afectar la máxima altura de un banco
individual, es el alcance vertical de los equipos de excavación, para limitar
los accidentes debido al colapso de caras de taludes.

Figura 1.4 Geometría típica del talud de un tajo abierto mostrando la relación entre
ángulo total del talud, ángulo de la rampa interna, geometría de los bancos.

Con la finalidad de proveer guía en relación a los ángulos de taludes estables se han
llevado a cabo un número de estudios mostrando la relación entre el ángulo del talud,
altura del talud y la geología; los resultados muestran si el talud es estable o inestable
(Figura 1.5). Estos estudios se llevaron a cabo para los dos tipos de taludes tanto en tajos
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abiertos (Sjöberg, 1999), como para taludes naturales y artificiales en China (Chen,
1995). Como es de esperarse, si los taludes no fueran escogidos de acuerdo a la geología,
habría una pequeña relación entre la altura y el ángulo para los taludes estables. Sin
embargo, la clasificación de los datos de acuerdo al tipo de roca y a la resistencia de la
roca muestra una razonable correlación entre la altura del talud y el ángulo para cada
clasificación.

Figura 1.5 Relación entre altura y ángulo de los taludes para tajos abiertos, taludes
naturales y taludes ingenieriles: a) taludes de tajos y hundimientos de minas (Sjöberg,
1999); y b) taludes naturales e ingenieriles en China (Chen, 1995).

Bibliografía:

1. Rock Mechanics for underground mining, Tercera Edicion, B.H.G. Brady and E.T.
Brown, Ed. Springer, 2006, Holanda.

2. Rock Slope Stability, Charles A. Kliche, SME, 1999, EUA.

3. Rock Slope Engineering Civil and Mining, Duncan Wyllie y Christopher Mah,
Cuarta Edición, Spon Press, 2004, EUA

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