Material De Estudio Parte 2.pdf

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PROPIEDADES DE LAS ROCAS σ

Deformación elástica b

=E

.

ε

Deformación plástica

σ

Le y

de

Ho o

ke

a

Microfracturación d c Punto de ruptura (fracturación catastrófica)

Deformación permanente

ε 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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INDICE  Definición y tipos de rocas.  Propiedades de las rocas.  Clasificación de macizos rocosos: • Clasificación de Terzagui (1946). • Clasificación de Lauffer (1958). • Clasificación de Protodyakonov (1962). • Clasificación de Louis (1974). • Clasificación de Deere (RQD, 1964). • Clasificación RSR (1972). • Clasificación RMR de Bieniawski (1973). • Clasificación Q de Barton (1974).

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 Conocer el comportamiento del macizo rocoso.  Se pensaron originalmente para túneles (tradicional).  Se basan en propiedades mecánicas.

 Necesita datos de campo representativos.  Sirven para escoger el método de extracción.  Sirven para escoger el método de sostenimiento. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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MACIZO ROCOSO

MACIZO CON VARIAS ESTRUCTURAS ROCA CON UNA UNICA ESTRUCTURA

ROCA “INTACTA”

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CLASIFICACIONES GEOMECANICAS Las clasificaciones geomecánicas más importantes son las siguientes: 1. Clasificación Terzaghi (en desuso desde la década de los años ochenta) 2. Clasificación de Lauffer (en desuso). 3. Clasificación de Protodyakonov (Europa del este). 4. Clasificación de Louis (poco utilizada). 5. Clasificación de Deere (RQD es parte de otras). 6. Clasificación RSR (rock structure rating). 7. Clasificación RMR de Bieniawski (rock mass ratio). 8. Clasificación Q de Barton (nuevo método noruego). 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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CLASIFICACION DE TERZAGHI  Se basa en el tipo del terreno y su estado de fracturación.  Es poco fiable para diámetros superiores a 9 m.  Es poco fiable para terrenos plásticos o expansivos.  Clasifica al terreno en función del estado de fracturación.

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CLASIFICACION DE TERZAGHI Condiciones de la roca

RDQ

Notas

Carga de la roca (HP )

1. Dura e intacta

95 - 100

Cero

2. Estratificada dura o esquistricosa

90 - 99

0 - 0.5 B

“

“

“

3. Masiva, no duramente diaclasada

85 - 95

0 - 0.25 B

“

“

“

4. Moderadamente en bloques y plegada

75 - 85

0.25 - B-0.20 (B + H 2)

5. Muy en bloques y plegada

30 - 75

0.20 - 0.60 (B + H 2)

6.

Completamente triturada químicamente intacta

3 - 30

(0.60 - 1.10 ) (B + H2 )

6a.

Arena y grava

Según Terzaghi (1946)

Tipos 4, 5 y 6 reducidos un 50% de los valores Terzaghi

0 - 30

(1.10 - 1.40) (B + H2 )

7. Roca fluyente, profundidad moderada

NA*

(1.10 - 2.10) (B + H2 )

8. Roca fluyente, gran profundidad

NA*

(2.10 - 4.50) (B + H 2)

“

“

“

9. Roca expansiva

NA*

Hasta 75m. independ. de (B + H 2)

“

“

“

* No aplicable

Según Terzaghi (1946)

Modificado por Deere y Rose en 1982

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CLASIFICACION DE LAUFFER  Se basa en longitud de vano libre y tiempo de estabilidad. Es la precursora del “nuevo método austriaco” de túneles.

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CLASIFICACION DE LAUFFER CLASE

TIPO DE ROCA

A

Roca sana

Muy bueno

B

Roca sana, compacta pero fracturada

Bueno

C

Roca bastante fracturada o algo alterada

Medio

D

Roca muy fracturada o bastante alterada o blanda

Mediocre

E

Roca triturada o muy alterada, conjunto rellenos de milonito. Roca muy blanda. Terrenos arcillosos con fuertes empujes.

Malo

F G

Características análogas a los suelos

CALIDAD DEL TERRENO

Muy difícil, requiere métodos especiales

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CLASIFICACION DE LAUFFER 1

20

59

10

59

1

min

min

10

hoc

1

h

10

10

3

10

1

C

E

2

F

0

10

1 0,8 0,6

B

G

0,4

C

D

E

0,2

F

-1

10

-4

10

-3

10

10-2

20 10 8 6 4

10

D

100

10 -1

0,1m 10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

10 5

10 4 TIEMPO EN HORAS

TIEMPO DE ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION

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CLASIFICACION DE PROTODYAKONOV  Anchura del túnel y parámetro f (coeficiente de resistencia). • Rocas: f = RCS/10. • Suelos: f = tg φ + c/RCS: φ: ángulo de rozamiento interno. c: cohesión. RCS: resistencia a la compresión simple.

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CLASIFICACION DE PROTODYAKONOV CATEGORIA

Cuarcita, basalto y rocas de resistencia excepcional.

Excepcional Alta resistencia

20 15-20 8-6 5 4 3

Granito, areniscas silíceas y calizas muy competentes. Calizas, granito algo alterado y areniscas. Areniscas medias y pizarras. Lutitas, areniscas flojas y conglomerados friables. Lutitas, esquistos y margas compactas.

Resistencia media

Calizas, lutitas blandas, margas, areniscas friables. Gravas, bolos cementados. Lutitas fisuradas y rotas, gravas compactas y arcillas. Preconsolidas.

Resistencia baja

Resistencia baja

“f”

DESCRIPCION

2 1.5

Arcillas y gravas arcillosas. Suelos vegetales, turbas y arenas húmedas. Arenas y gravas finas. Limos y loess.

muy

1.0 0.6 0.5 0.3

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CLASIFICACION DE LOUIS  RCS y tamaño de los bloques.  En la clasificación, A es la roca de mejor calidad.

A B C D E F

G 0.1

1

10

100

RESISTENCIA A LA COMPRESION (Mpa)

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CLASIFICACION DE DEERE (RQD)  Se basa en el RQD (rock quality designation).

25 cm.

RQD =

12 cm.

14 cm.

5 cm. 9 cm.

Σ testigos ≥ 10 cm. x 100% longitud del taladro

12 cm.

RQD =

25 cm.

8 cm.

RQD

Clasificación

<25%

muy pobre

25-50%

pobre

50-75%

normal

75-90%

bueno

90-100%

muy bueno

25+12+14+12+25 = 80% 110

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CLASIFICACION DE DEERE (RQD) Inconvenientes  Depende de la pericia del sondista y la máquina.  Falla en rocas estratificadas.  Depende de la dirección del sondeo.

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CLASIFICACION RSR  Suma de tres factores RSR = A + B + C : A: geología. B: influencia del diaclasado. C: efecto del agua.  Tiene un valor comprendido entre 25 y 100.  Cuanto mejor sea la calidad de la roca y más favorable la disposición de las juntas respecto a la excavación, mayor será el valor resultante.

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CLASIFICACION RSR Parámetros A: Geología de la zona Estructura

Tipo de Terreno

Ligeramente Moderadamente Intensamente plagada o pletada o plegada o fallada fallada fallada

Masiva

Igneo ...................

30

26

15

10

Sedimentario .......

24 27

20 22

12 14

8 9

Metamórfico .......

Parámetros B: Influencia del diaclasado Dirección:

Separación media entre diaclasas (m)

Dirección: // al eje Sentido de Ambas Según buzam avance Contra buzam. Ambas Buzamiento de las diaclasas principales* 1 1 2 2 3 3 2 3 14 24 32 40 45

< 0,15 0,15 - 0,30 0,30 - 0,60 0,60 - 1,20 > 1.20 1 = 20º

1 al eje

2 = 20º - 50º

17 26 34 42 48

20 30 38 44 50

16 20 27 36 42

18 24 30 39 45

14 24 32 40 45

15 12 30 25 37 30 42 36

3 = 50º - 90º

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CLASIFICACION RSR Parámetro C: Efecto del agua Afluencia de agua prevista l/min/m

Nula..................................... Ligera (<2,5 1/min/m).......... Media (2,5 - 12,5 1/min/m)... Alta (>12,5 1/min/m).........

Suma A + B 46 - 80

20 - 45

1

2

18 17 12 8

15 12 9 6

Estado de las diaclasas*

3

1

2

3

10 7 6 5

20 19 18 14

18 15 12 10

14 10 8 6

1 = cerradas o cementadas 2 = ligeramente alteradas 3 = abiertas o muy alteradas

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Suma de parámetros puntuados: 1. RCS (resistencia compresión simple). 2. RQD (rock quality designation). 3. Separación entre las diaclasas. 4. Estado de las discontinuidades.

5. Agua freática. 6. Corrección por orientación de discontinuidades. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Resistencia a la compresión simple Ensayo de resistencia aproximado

Calificación de la resistencia a compresión simple(1)

Valor estimado q u (MPa)

Especialmente débil

Se puede rayar con la uña Se rompe con golpes de martillo moderados

<1

Muy baja

de 1 a 5

Baja

de 5 a 25

No puede rayarse con la navaja Se puede romper con un golpe de martillo

Media

de 25 a 50

Se requieren varios golpes de martillo para romperla

Alta

de 50 a 100

Muy alta

de 100 a 250

Se puede rayar con la navaja Se raya difícilmente con la navaja

Difícil de romper con el martillo de geólogo Con el martillo de geólogo solo se pueden producir algunas esquirlas

Extremadamente alta

> 250

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Separación entre las diaclasas Mide la separación entre juntas de la familia principal de diaclasas de la roca (en metros). Da una idea del tamaño de los bloques que pueden originarse. Espaciamiento de las discontinuidades Calificativo

Espaciamiento (cm)

Especialmente pequeño Muy pequeño Pequeño Moderado Amplio Muy amplio Especialmente amplio

<2 2a6 6 a 20 20 a 60 60 a 200 200 a 600 > 600

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Estado de las discontinuidades (el más influyente), con cinco parámetros a analizar: 1. Persistencia, longitud o continuidad de la discontinuidad. 2. Apertura entre paredes de la discontinuidad (no hay relleno).

3. Si hay relleno, se mide resistencia y espesor del relleno. 4. Estado de alteración de la zona de la diaclasa. 5. La rugosidad de la pared de la discontinuidad.

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Relleno de las discontinuidades Clase 1: seco y de baja permeabilidad. Clase 2: húmedo sin presencia de agua libre. Clase 3: muy húmedo con aporte de agua libre. Clase 4: lavado con flujo continuo de agua. Clase 5: socavado con importantes vías de agua.

Persistencia de las discontinuidades Muy pequeña <1m Escasa de 1 a 3 m Media de 3 a 10 m Alta de 10 a 20 m Muy alta > 20 m

Apertura de las discontinuidades Calificativo General

Apertura

De detalle

Juntas cerradas

Muy cerradas Cerradas Parcialmente abiertas

< 0.1 mm 0,1 a 0,25 mm 0,25 a 0,50 mm

Macizo rocoso agrietado

Abiertas Bastante abiertas Apertura amplia

0,50 a 2,5 mm 2,5 a 10 mm > 1 cm

Juntas abiertas

Apertura muy amplia Apertura especialmente amplia Estructura hueca

Alteración • Inalterada. • Ligeramente alterada. • Moderadamente alterada. • Muy alterada. • Descompuesta.

1 a 10 cm 10 a 100 cm >1m

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Rugosidad: aumenta la resistencia al corte del macizo. Descripción

Perfil

Rugosa Lisa Pulida Escalonada Rugosa Lisa Pulida Ondulada Rugosa Lisa Pulida Plana

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Agua freática Difícil de medir si únicamente se tienen datos de sondeos, puesto que se suele perforar con agua y lodos. Presencia de agua en las discontinuidades.  Clase 1: No hay posibilidad de flujos de agua.  Clase 2: No hay signos de agua.  Clase 3: signos de haber flujos de agua (manchas de óxidos).  Clase 4: Humectaciones.  Clase 5: Filtraciones.  Clase 6: Flujo continuo de agua. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Orientación de las discontinuidades Plano de discontinuidad

δ = dirección

δ

N

α

del plano

β = buzamiento α = dirección de buzamieno

β

Plano de discontinuidad

RUMBO PERPENDICULAR AL EJE Dirección según Buzamiento Buzamiento 45º - 90º Muy Favorable

Dirección contra Buzamiento

Buzamiento Buzamiento 45º - 90º 20 - 45º Favorable

Regular

RUMBO PARALELO AL EJE DEL TUNEL

Buzamiento 20 - 45º

Buzamiento 45º - 90º

Buzamiento 20 - 45º

Desfavorable

Muy Desfavorable

Regular

BUZAMIENTO 0 - 20º (Independiente del Rumbo)

Desfavorable

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Clasificación geomecánica RMR (Bieniawski. 1989) Resistencia de la matriz rocoza (MPa)

1

3

4

Ensayo de carga puntual

> 10

Comprensión simple

> 250

Puntuación

10 - 1

2-1

Compresión simple (MPa)

50 - 25

25 - 5 5 - 1 < 1

4-2 100 - 50

250 - 100

15

12

7

4

RQD

90% 100%

75% - 90%

50% - 75%

25% - 50%

< 25%

Puntuación

20

17

13

6

3

Separación entre diaclasas

>2m

0.6 - 2 m

0.2 - 0.6 m

0.06 - 0.2 m

< 0.06 m

Puntuación

20

15

10

8

5

Longitud de la discontinuidad

<1m

1-3m

3 - 10 m

10 -20 m

> 20 m

2

Estado de las discontinuidades

Puntuaciones y clasificación RMR.

Parámetros de clasificación

Puntuación

6

4

Abertura

Nada

< 0.1 mm

Puntuación

6

5

1

0

1

0

1 - 5mm

> 5 mm

3

1

0 Suave

0.1 - 1.0 mm

Rugosidad

Muy rugosa

Rugosa

Ligeramente rugosa

Ondulada

Puntuación

6

5

3

1

0

Relleno

Ninguno

Relleno duro < 5 mm

Relleno duro < 5 mm

Relleno blando < 5 mm

Relleno blando < 5 mm

Puntuación

6

4

2

2

0

Alteración

Inalterada

Ligeramente alterada

Moderadamente alterada

Muy alterada

Descompuesta

Puntuación

6

5

1

0

Nulo

< 10 litros / min

10/25 litros/min

25/125 litros/min

> 125 litros/min

0

0 - 0.1

0.1 - 0.2

0.2 - 0.5

> 0.5

Seco

Ligeramente húmedo

Húmedo

Goteando

Agua fluyendo

10

7

4

Caudal por 10 m de túnel

Agua freática

5

2

2

Relación: Presión de agua/ Tensión principal mayor Estado general

Puntuación

15

3

Valor de puntuación: media sugerida.

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Corrección por la orientación de las discontinuidades

Puntuaciones y clasificación RMR.

Dirección y buzamiento

Puntuación

Medias

Muy favorables

Favorables

Túneles

0

-2

-5

-10

-12

Cimentaciones

0

-2

-7

-15

-25

Taludes

0

-5

-25

-50

-60

Desfavorables Muy desafavorables

Clasificación Clase

I

II

III

IV

Calidad

Muy buena

Buena

Media

Mala

Puntuación

100 - 81

80 - 61

60 - 41

40 - 21

Clase

I

Tiempo de mantenimiento y longitud

II 6 meses con 8 m de vano

10 años con 15 m de vano > 4 Kp/cm2

Cohesión Ángulo de rozamiento

> 45º

III 1 semana con 5 m de vano

V Muy mala < 20

V

IV 10 horas con 2,5 m de vano

30 minutos con 1 m de vano

3-4 Kp/cm2

2-3 Kp/cm2

1-2 Kp/cm2

<1 Kp/cm2

35º-45º

25º-35º

15º-25º

<15º

Orientación de las discontinuidades en el túnel DIRECCION PERPENDICULAR AL EJE DEL TUNEL Dirección paralela al eje del túnel Excavación con buzamiento

Excavación contra buzamiento

Buz. 45-90

Buz. 20-45

Buz. 45-90

Buz. 20-45

Buz. 45-90

Buz. 20-45

Muy favorable

Favorable

Media

Desfavorable

Muy Desfavorable

Media

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Buzamiento 0º-20º Cualquier dirección

Desfavorable

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Aplicación para excavación y sostenimiento.

CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Clase RMR

Excavación

I 100-81

Sección completa. Avances de 3 m

II 80-61

Sección completa. Avances de 1 - 1,5 m

III 60-41

IV 40-21

V <21

Sostenimiento Gunita

Bulones

Avance y destroza Avances de 1,5 a 3 m. Completar sostenimiento a 20 m del frente

No

Innecesarlo, salvo algún bulón ocasional. Bulonado local en clave, con longitudes de 2-3 m y separación de 2-2,5 m, eventualmente con mallazo.

5 cm en clave para impermeabilización

Bulonado sistemático de 3-4 m con separciones de 1,5 a 2 m en clave y hastiales. Mallazo en clave.

Avance y destroza Avances de 1,5 m. Bulonado sistemático Sostenimiento inmediato de 4-5 m con separaciones del frente. de 1-1,5 m en clave Completar sostenimiento y hastiales con mallazo. a menos de 10 m del frente.

Fases múltiples. Avances de 0.5 -1 m Gunitar inmediatamente el frente después de cada avance.

Bulonado sistemático de 5-6 m, con separaciones de 1,1,5 m en clave y hastiales con mallazo. Bulonado en solera.

Cerchas No

5 a 10 cm en clave y 3 cm en hastiales.

No

No

Cerchas ligeras 10 a15 cm en clave espaciadas1,5 m cuando y 10 cm en hastiales. se requieran. Aplicación según avanza la excavación.

15 a 20 cm en clave 15 cm en hastiales y 5 cm en el frente. Aplicación inmediata después de cada avance.

Cerchas ligeras separadas 0,75 m con blindaje de chapas y cerradas en solera.

Túneles de sección en herradura, máxima anchura 10 m, máxima tensión vertical 250 kp/cm2

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Macizos de Clase I (RMR = 81 – 100) y Clase II (RMR = 61 – 80).

Dolomías cretácicas. Calidad muy buena. Dos familias de discontinuidades principales.

Granito. Calidad buena. Varias familias de discontinuidades alteradas.

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Macizos de Clase III (RMR = 81 – 60).

Pizarras ordovícicas. Calidad media. Grado de facturación alto. Grado de meorización: III.

Cuarcitas ordovícicas. Calidad media. Grado de fracturación alto. Matriz rocosa muy resistente.

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Macizos de Clase IV (RMR = 21 – 49) y Clase V (RMR <20).

Cuarcitas ordovícicas. Calidad mala. Macizo alterado y brechificado.

Pizarras paleozoicas. Calidad muy mala. Fracturación muy intensa. Grado de meteorización V.

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CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Limitaciones  No es apropiado a macizos de muy baja calidad.  Los parámetros geomecánicos deducidos tienen una gran incertidumbre.

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CLASIFICACION Q DE BARTON Se basa en un índice de calidad Q, que se obtiene a partir de la siguiente fórmula: Q=

RQD . Jr . Jw Jn Ja SRF

Donde, además del RQD, se introducen los parámetros siguientes: Jn Jr Ja Jw SRF

parámetro para describir el número de familias de discontinuidad parámetro para describir la rugosidad de las juntas parámetro para describir la alteración de las juntas factor asociado al agua en juntas factor asociado al estado tensional (zonas de corte, fluencia, expansividad, tensiones in situ)

Correlación con RMR de Bieniawski: RMR = 9 log Q + 44 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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CLASIFICACION Q DE BARTON La asociación de factores permite dar un sentido físico a cada uno de ellos. RQD Jn

Representa el tamaño del bloque medio.

Jr Ja

Reúne términos de rugosidad, fricción y relleno de las juntas y representa la resistencia al corte entre bloques.

Jw SRF

Combina condiciones de agua y tensión y, por tanto, puede representar una tensión activa o eficaz.

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CLASIFICACION Q DE BARTON Indice de Diaclasado Jn Roca Masiva Una familia de diaclasas Idem con otras diaclasas ocasionales Dos familias de diaclasas Idem con otras diaclasas ocasionales Tres familias de diaclasas Idem con otras diaclasas ocasionales Cuatro o mas familias, roca muy fracturada Roca triturada Indice de Rugosidad Diaclasas rellenas

Jr Diaclasas limpias:

Discontinuas Onduladas rugosas Onduladas lisas Planas rugosas Planas lisas Ondulados Planos

Lisos o espejos de falla

Valor 0,5 - 1 2 3 4 6 9 12 15 20 Valor 1 4 3 2 1,5 1 1.5 0.5

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CLASIFICACION Q DE BARTON Valor 0,75 - 1

Indice de Alteración Ja Diaclasas de pares sanas Ligera alteración Alteraciones arcillosas Con detritos arenosos Con detritos arcillosos preconsolidados Idem poco consolidados Idem expansivos Milonitos (productos de trituración) de roca y arcilla Milonitos de arcilla limosa Milonitos arcillosos gruesos

Coeficiente reductor por la presencia de agua

2 4 4 6 8 8 - 12 6 - 12 5 10 - 20

Jw

Excavaciones secas a con < 5 O/min localmente Afluencia media con lavado de algunas diaclasas Afluencia importante por diaclasas limpias Idem con lavado de diaclasas Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo Idem mantenida

Presión de agua [kg/cm2] <1 1 -2,5 2,5 - 10 2,5 - 10 > 10 > 10

Valor 1 0,66 0,5 0,33 0,2 - 0,1 0,1 - 0,05

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CLASIFICACION Q DE BARTON Condicionantes tensionales SRF (stress reduction factor): Valor

Parámetro SRF Zonas débiles

Multitud de zonas débiles Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura < 50m ) Idem con cobertura < 50m. Abundantes zonas débiles en roca competente Zonas débiles aisladas en roca competente (cobertura < 50 m) Idem con cobertura > 50m Terreno en bloques muy fracturados Roca competente ( c / 1 >200) Pequeña cobertura (200 > c/ 1 >10) Cobertura media Gran cobertura (10 > c/ 1 >5) Terreno fluyente Con bajas presiones Con altas presiones Terreno expansivo Con presión de hinchamiento moderada Con presión de hinchamiento alta

10 5 2,5 7,5 5 2,5 5 2,5 1 0,5 - 2,0 5 - 10 10 - 20 5 - 10 10 - 15

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CLASIFICACION Q DE BARTON Una vez analizados todos los valores y resuelta la ecuación se obtiene un valor dentro de la siguiente clasificación: Valor Q

Tipo de roca

0,001-0,01

Excepcionalmente mala.

0,01-0,1

Extremadamente mala.

0,1-1

Muy mala.

1-4

Mala.

4-10

Media.

10-40

Buena.

40-100

Muy buena.

100-400

Extremadamente buena.

400-1000

Excepcionalmente buena.

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CLASIFICACION Q DE BARTON Para correlacionar el valor del índice Q con la estabilidad y los requisitos de sostenimiento de túneles, Barton definió un parámetro adicional: dimensión equivalente de la excavación. De = ancho de la excavación, diámetro o altura (m) / ESR: Tipo de excavación

ESR 2-5

A

Labores mineras de carácter temporal, etc.

B

Galerías mineras permanentes, túneles de centrales hidroeléctricas (excluyendo las galerías de alta presión), túneles piloto, galerías de avance en grandes excavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica.

1,6 - 2,0

C

Cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, túneles de carreteras secundarias y de ferrocarril, túneles de acceso.

1,2 - 1,3

D E

0,9 - 1,1 Centrales nucleares subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones públicas y deportivas, fábricas, túneles para tuberías principales de gas.

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0,5 - 0,8

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CLASIFICACION Q DE BARTON CLASE DE ROCA G

100

De (m)

F

Excepcionalmente Extremadamente mala mala

D Mala

1,0 m

20

(9)

1,7 m 2,1 m 1,5 m

1,3 m

1,2 m (8)

(7)

B

C

(6)

A

Media Buena

Espaciado de los pernos en zonas gunitadas

50

10

E Muy mala

2,3 m 2,5 m

(5)

(4)

(3)

(2)

250 mm 150 mm 120 mm mm 90 mm Espesor del gunitado

5

50 mm

2 1,0 m 0,001

0,004 0,01

0,04 0,1

0,4

Muy Extr. Exc. buena buena buena

4,0 m

10 Longitud de los pernos, en m, 7 para ESR = 1 5

(1)

3

3,0 m

40 mm2,0 m

20

2.4 1,5 m Espaciado de los pernos en zonas no gunitadas 1.5

1,3 m 1

4

10

40

100

400

1000

Indice de calidad del macizo rocoso, Q

CATEGORÍAS DEL REFUERZO 1) Sin sostenimiento 2) Pernos aislados, sb 3) Pernos sistemáticos, B 4) Pernos sistemáticos y gunita de espesor 40-50 mm, 5) Gunita de 50-90 mm de espesor reforzada B(+s) con fibra y pernos, sfr+B 6) Gunita de 90-120 mm de espesor reforzada con fibra y pernos sfr+B

7) Gunita de 120 : 150 mm de espesor reforzada con fibra y pernos sfr+B 8) Gunita de espesor >150 mm; reforzada con fibra y cerchas de acero reforzadas con gunita y pernos sfr+RRS+B 9) Hormigón en masa CCA

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COMPARACION 1

0.7

0.5

2

4

3

5 6 7 8

10

20

30

Very weak

Low strength

Low strength

Very low strength Very soft rock

Soil

Hard rock

Strong

700

Coates 1964

High strength

Very high strength

Deere and Miller 1966

Very strong

Extremely strong

Geological Society 1970

Low strength

1

2

3

4

5 6 7 8

10

20

Extremely high strength

Very high strength

Very hard rock

Very low strength

Very low

0.7

Medium strength

300 400

Very strong

Strong

High strength

Medium strength

Soft rock

Soil

0.5

200

Rock

Soil Extremely low strength

Moderality strong

Moderality weak

Weak

100

70

Weak

Very low strength

Very weak

40 50

Extremely hard rock

Jennings 1973

Bieniawski 1973

Low strength

Medium strength

High strength

Very high strength

Moderate

Medium

High

Very hugh

30

40 50

70

100

Broch and Franklin 1972

200

300 400

ISRM 1979

700

Uniaxial compressiver strenght. MPa

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INDICE  Definición de suelo.  Propiedades y tipos de suelos: • Composición mineralógica y tamaño de grano. • Porosidad. • Peso específico. • Permeabilidad. • Durabilidad. • Resistencia. • Velocidad de las ondas sísmicas. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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DEFINICION DE SUELO (Ing.) Material natural; mezcla de materiales sólidos (minerales u orgánicos), líquidos (agua) y gaseosos (aire) para cuya disgregación no es necesario aplicar una cantidad importante de energía. Es una parte no consolidada y superficial de la corteza terrestre, que tiende a desarrollarse por los procesos de degradación de las rocas (meteorización, erosión, transporte y sedimentación).

(Geol.) Interfase entre la geósfera, la biósfera y la atmósfera.

Fase líquida

Fase sólida

Fase gaseosa

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PROPIEDADES DE LOS SUELOS Relación de volúmenes y pesos en suelos: PESOS

VOLUMENES Va

AIRE

Vw

AGUA

Ww

Vs

SOLIDOS

Ws

Vv Vm Vs Vm Vv Va Vw Vs

: volumen de la muestra: Vm = Vv + Vs : volumen de vacíos. Vv = Va + Vw : volumen del aire. : volumen del agua. : volumen de sólidos.

0.0 Wm

Wm : peso del agua. Ws : peso de sólidos. Wm : peso de la muestra.

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PROPIEDADES DE LOS SUELOS Volumen de poros

Porosidad (n) =

e=

Volumen total

Índice de poros (e) =

n

1-n

n=

e

1+e

Volumen de poros Volumen de sólidos

Tipo de suelo

e máx.

e mín.

Arena

0,9

0,2

Limo

1,1

0,4

Arcilla blanda

2,3

0,6

Turba

2,5

2,0

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PROPIEDADES DE LOS SUELOS Grado de saturación (Sr) =

Volumen de agua

x 100

Volumen de poros

Grado Saturación

Denominación

0

Seco.

1-25

Ligeramente húmedo.

26-50

Húmedo.

51-75

Muy húmedo.

76-99

Mojado.

100

Saturado.

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PROPIEDADES DE LOS SUELOS emáx. – e emáx. – emín.

Compacidad (Dr) =

Compacidad (%)

Denominación

0-15

Muy suelta.

15-35

Suelta.

35-65

Media.

65-85

Compacta.

85-100

Muy compacta.

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PROPIEDADES DE LOS SUELOS Densidad (r) = masa / volumen (kg/m3).

Volúmenes V0 Aire

Peso seco (gd) = Ws / V

Agua e=

Peso saturado (gsat) = gd (1 + wsat)

Vw

n

Mw

n=

1-n

Vs

Densidad de las partículas.

e

Ww

1+e Ms

Ws

Partículas sólidas

Humedad relativa (w) = Ww / Ws

Masas

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Pesos

Peso específico (g) = peso / volumen (kN/m3).

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PROPIEDADES DE LOS SUELOS n

e

Arena uniforme, suelta

0.46

0.85

32

1.43

1.89

2)

Arena uniforme, compacta

0.34

0.51

19

1.75

2.09

3)

Mezclas de arena, sueltas

0.40

0.67

25

1.59

1.99

4)

Mezclas de arena, compactas

0.30

0.43

16

1.86

2.16

5)

Limo cólico (Loes)

0.50

0.99

21

1.36

1.86

6)

Morrena, granos muy mezclados

0.20

0.25

9

2.12

2.32

7)

Arcilla glacial blanda

0.55

1.20

45

1.22

1.77

8)

Arcilla glacial dura

0.37

0.60

22

1.70

2.07

9)

Arcilla blanda con poca materia orgánica

0.66

1.90

70

0.93

1.58

10)

Arcilla blanda con mucha matería orgánica

0.75

3.0

110

0.68

1.43

0.84

3.2

194

0.43

1.27

SUELO

1)

11)

3 ) d(ton/m)

3 ) sat(ton/m)

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TIPOS DE SUELOS Se clasifican según distintos puntos de vista:  Geología.  Química.  Climática.  Genético.  Ingenieril. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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TIPOS DE SUELOS Geológica  Fallou: Historia, geografía, conjunto de constituyentes, estructura y funcionamiento. Química  Gedroitz: Grado de saturación del complejo adsorbente.  Von Sigmond: Catión dominante del complejo adsorbente.  Pallman: Intensidad, dirección y elementos del lavado. Climática  Suelos zonales: dependen del clima.  Suelos intrazonales: independientes del clima.  Suelos azonales: poco evolucionados. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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TIPOS DE SUELOS

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TIPOS DE SUELOS

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TIPOS DE SUELOS

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TIPOS DE SUELOS Materia orgánica

Fragmentos minerales y materia orgánica

Materia orgánica

Humus

Horizonte A

Horizonte A

Horizonte B

Roca en desintegración

Roca madre

Lecho rocoso

Lecho rocoso

I

El lecho rocoso empieza a desintegrarse.

II

La materia orgánica facilita la desintegración.

Roca madre

Roca madre

Horizonte C

Horizonte C

Lecho rocoso

Lecho rocoso

III

Se forman los horizontes.

IV

El suelo desarrollado sustenta una vegetación densa.

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TIPOS DE SUELOS Histosoles Gelisoles

Aridisoles Alfisoles

Entisoles

Ultisoles

Oxisoles

Inceptisoles Vertisoles

Molisoles

Espodosoles

Andisoles

Grado de meteorización 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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TIPOS DE SUELOS

Entisol

Vertisol

Oxisol

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril. Tiene en cuenta los siguientes aspectos: 1. Textura. 2. Estructura. 3. Consistencia. 4. Densidad. 5. Aireación. 6. Temperatura. 7. Color. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril

1. Textura: proporción de tamaño de partículas. Cuatro tipos fundamentales:    

Gravas. Arenas. Limos. Arcillas.

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TIPOS DE SUELOS Suelos gruesos Grava

20

6

2

0,6

0,2

0,06

0,02

0,006

0,002

LF LM LG AF AM AG GF GM GG C

B 600

Arena

200

Limo

Arcilla

Suelos muy gruesos

60

Suelos finos

Ø mm

Grain Size (mm)

Arena

10

100

1

0.01

0.1

0.001

0.0001

Classification System Unified AASHTO

Lima

Gravel 75

USDA

100 μ

2 Gravel

MIT

Arcilla

.075 Sand

75

.05

2

.06

.002 Clay .002 Silt

Sand 2

Clay

Silt .075

Gravel 75

.002 Silt

Sand 4.75

Clay

Silt

Sand

Gravel

ASTM

Fines (silt and clay)

Sand 4.75

Gravel

.05

Clay .002

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TIPOS DE SUELOS INTERNATIONAL ISO 566 (TBL 2): 1983 Nominal opening mm 25 19 9,5 4,75 2,36 1,18 0,600 0,300 0,075

AMERICAN ASTM E 11-87 Alt. US Std. inch/sieve 1” 3/4" 3/8" #4 8 16 30 50 200

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TIPOS DE SUELOS Cu =

Resultados: La curva granulométrica

D 60

Uniforme

D10

Poco uniforme Bien graduada Continua Discontinua Uniforme:CU < 5 Poco uniforme:20 > CU > 5 Bien graduado:C U > 20

Estos parámetros ayudan a determinar el origen geológico de los sedimentos

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TIPOS DE SUELOS Clasificación I.T.M.

Limo

Arena Gruesa

Media

Fina

Media

Gruesa

Arcilla Fina

Gruesa

Media

Fina

100

D60 = 0,40 mm D10 = 0,04 mm

90

Porcentaje de tamaño inferior, en peso

80 70

D60/D10 = 10

60

Arena limosa bien graduada

50 40 30 20 10 0 10

Por mallas o tamices

+ +

+ Por hidrómetros

1.0

D60=0.42

0.1

+

++

+

D10=0.04

+ +

++ + 0.01

++

0.001

0.0001

Diámetro (mm)

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TIPOS DE SUELOS Grava. Es fácil aislar un clasto (guijarro), proyectil. Arena. Cuesta un poco seleccionar un grano con dos dedos. Arena gruesa: es muy rugosa. Arena media: resulta áspera al tacto. Arena fina: resulta agradable al tacto. Limo. No se ven granos a simple vista, pero se notan al tacto y al masticar. Arcilla. No se ven granos, al masticar no se notan granos, tacto suave. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril 2. Estructura: forma en la que las partículas del suelo se reúnen para formar agregados. A. Prismática. B. Blocosa o columnar. C,D. Esferoidal (redondez). E. Laminar. F. Granular. A B C E

F

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D

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril 3. Consistencia, resistencia a la deformación o ruptura: suelto, suave, duro, muy duro (labranza).

Formas de consistencia

Seco

Humedo

Duro y rígido

Blando Friable

Resistente Plástico Pegajoso

Viscoso Pegajoso

Terrones

Optimas Condiciones

Enlodamiento

Fluido

Mojado

Aumenta el contenido de humedad

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril 3. Consistencia: plasticidad (límites de Atterberg), resistencia a la penetración. Agua higroscópica

Agua infiltrada Agua capilar

Nivel freático

Agua absorbida

Agua capilar

Agua freática

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TIPOS DE SUELOS 12 mm, 25 golpes Mezcla fluida de agua y suelo

8mm

Estado Líquido líquido plástico

Ranurador

Límite líquido W1

Ensayo del límite líquido

Estado plástico plástico friable

Humedad creciente

13mm

Límite Plástico Wp

Estado semisólido friable seco

Límite de retracción Ws o contracción

Estado Sólido

Suelo Seco

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Índice de plasticidad Facilidad de manejo del suelo, contenido y tipo de arcilla presente en el suelo. IP = LL – LP < 10 no plástico. IP = LL – LP > 10 plástico. IP = LL – LP ~ 20 muy plástico. Tipo de suelo

Arena

Limo

Arcilla

Límite líquido.

15-20

30-40

40-150

Límite plástico.

-

20-25

25-50

12-18

14-15

8-35

Limite de retracción.

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TIPOS DE SUELOS Resistencia a la penetración 440 400

Presión aplicada (Ib/pulg 2 )

360

Índice integrado de compactación, de humedad, de textura y de tipo arcilla.

4

320 280

3

240

2

200 1

160

Profundidad (pulg)

120 80 40 0 0

2

4

Humedad (%) 1

2

3

0-3

33.3

27.6

17.9

3-6

30.4

26.5

6 - 12

26.0

24.8

20.4 20.1 22.9 18.5

6

8

10

4 23.6

Es un índice de resistencia del suelo. SPT (rechazo: 50).

12

Profundidad de penetración (pulg)

Efecto de la humedad del suelo en las lecturas del penetrómetro. (Shaw y col. 1942. citado por Baver y Col., 1973)

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril 4. Densidad: peso por volumen del suelo. Muy poroso  menos denso. Poco poroso  más denso. Más materia orgánica  más poroso  menos denso.

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TIPOS DE SUELOS

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril 5. Aireación: contenido de aire del suelo. 6. Temperatura: importante para la labranza.

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TIPOS DE SUELOS Ingenieril 7. Color: depende de los componentes y varía con la humedad.

 Rojo: contenido de óxidos de fierro y manganeso.  Amarillo: óxidos de hierro hidratado.  Blanco y gris: presencia de cuarzo, yeso y caolín.  Negro y marrón: materia orgánica. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (SUCS) ASTM D 2487 Criterios para la asignación de símbolos de grupo y nombre de grupo con el uso de ensayes de laboratorio

Gravas limpias Menos del 5% pasa la malla N.º 200 Gravas Más del 50% de la fracción gruesa es retenida en la malla N.º 4

Gravas con finos Más del 12% pasa la malla N.º 200

Gravas limpias y con finos Entre el 5 y 12% pasa malla N.º 200

Suelos de partículas gruesas más del 50% es retenido en la malla N.º 200

Arenas limpias Menos del 5% pasa la malla N.º 200 Arenas El 50% o más de la fracción gruesa pasa la malla N.º 4

Arenas con finos Más del 12% pasa la malla N.º 200

Arenas limpias y con finos entre el 5 y 12% pasa malla N.º 200

Inorgánicos Limos y arcillas Límite Líquido menor que 50 Orgánicos

Suelos de partículas finas El 50% o más pasa la malla N.º 200

Inorgánicos Limos y arcillas Límite líquido mayor que 50 Orgánicos

Suelos altamente orgánicos

Símbolo de grupo

Cu > 4 y 1 < Cc < 3

Clasificación de suelos Nombre del grupo

GW

Grava bien graduada Grava mal graduada

Cu < 4 y 1 > Cc > 3

GP

IP<4 o debajo de la línea “A” en la carta de plasticidad

GM

Grava limosa

IP<7 o arriba de la línea “A” en la carta de plasticidad

GC

Grava arcillosa

Cumple los criterios para GW y GM

GW-GM

Cumple los criterios para GW y GC Cumple los criterios para GP y GM Cumple los criterios para GP y GC

GW-GC

Grava bien graduada con limo Grava bien graduada con arcilla Grava mal graduada con limo Grava mal graduada con arcilla

Cu > 6 y 1 < Cc < 3

Arena bien graduada

Cu < 6 y 1 > Cc > 3

Arena mal graduada

IP<4 o debajo de la línea “A” en la carta de plasticidad IP<7 o arriba de la línea “A” en la carta de plasticidad Cumple los criterios para SW y SM Cumple los criterios para SW y SC Cumple los criterios para SP y SM Cumple los criterios para SP y SC IP<7 y se grafica en la carta de plasticidad arriba de la línea “A” IP<4 y se grafica en la carta de plasticidad abajo de la línea “A” Límite líquido-secado al horno Límite líquido-no secado

Arena limosa Arena arcillosa Arena bien graduada con limo Arena bien graduada con arcilla Arena mal graduada con limo Arena mal graduada con arcilla Arcilla de baja plasticidad Limo de baja plasticidad Arcilla orgánica

<0.75 Limo orgánico

IP<7 y se grafica en la carta de plasticidad arriba de la línea “A”

Arcilla de alta plasticidad

IP<4 y se grafica en la carta de plasticidad abajo de la línea “A”

Limo de alta plasticidad

Límite líquido-secado al horno <0.75 Límite líquido-no secado

Principalmente materia orgánica de color oscuro

Arcilla orgánica Limo orgánica Turba

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Arena media con cantos SP.

Gravas y arenas GP-GM.

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REPASO  Clasificación de los sondeos: • Sondeos según su aplicación (de investigación, de explotación, de tecnológico). • Sondeos según sus características geométricas (longitud, diámetro, inclinación). • Sondeos según el método de perforación (percusión, rotación, rotopercusión). • Según el método de recuperación de los detritos (mecánico con apoyo de fluidos).  Clasificación de rocas • Ígneas (plutónicas/volcánicas). • Sedimentarias (detríticas/orgánicas/biogénicas/químicas). • Metamórficas (térmico, dinámico, regional).  Clasificación de suelos • Sistema unificado de clasificación de suelos.

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Propiedades de identificación y clasificación.

REPASO Composición Fábrica y textura Tamaño de grano Color Porosidad Peso específico Humedad Permeabilidad Durabilidad Alterabilidad

Descripción visual Microscopía (óptica y electrónica) Difracción de rayos X Técnicas de laboratorio Ensayo de permeabilidad

Ensayo de alterabilidad

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Propiedades mecánicas.

REPASO Resistencia a compresión simple.

E. compresión uniaxial. E. de carga puntual. Martillo de Schmidt.

Resistencia a tracción.

E. de tracción directa. E. de tracción indirecta.

Velocidad de ondas sísmicas.

Técnicas de laboratorio Geofísica.

Resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento interno, c, phi).

E. de compresión triaxial.

Deformabilidad (módulos de deformación estáticos o dinámicos).

E. compresión uniaxial. E. de velocidad sónica.

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REPASO  Clasificaciones geomecánicas • Clasificación de Deere (RQD, 1964); tramos de más de 10 cm. • Clasificación RSR (1972); geología, diaclasado, agua. • Clasificación RMR de Bieniawski (1973); RCS, RQD, separación día, estado de la fracturacion y correccion por buzamiento. • Clasificación Q de Barton (1974); tamaño bloque, resistencia, corte, agua. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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INDICE 1. Clasificación de los sondeos y métodos de perforación. 2. Propiedades de las rocas y de los suelos. 3. Factores que afectan su perforabilidad. 4. Perforaciones: equipos, muestras, velocidad y costo. 5. Mediciones y control de sondeos. 6. Testificación de sondeos. 7. Medidas de seguridad durante la realización de sondeos. 8. Aplicaciones informáticas en sondeos. 9. Sondeos de investigación minera. 10. Sondeos para la extracción de minerales. 11. Otras aplicaciones. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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INDICE  Factores que afectan a la perforabilidad de las rocas.

• Factores dependientes (podemos modificarlos). • Factores independientes (no se pueden modificar).

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PARAMETROS DEPENDIENTES  Factores operaciones.

 Factor útil.  Factores de servicio.  Factor geométrico.

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PARAMETROS DEPENDIENTES Factores de operacionales:  Se deben al material utilizado, especialmente se distinguen de la siguiente manera: •Perforadora: tipo de máquina, capacidad trabajo. •Barras: peso, forma y tipo. Corona o broca:

Su importancia es vital. Diámetro, forma, composición.

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PARAMETROS DEPENDIENTES Factores de servicio  Se refiere especialmente a la mano de obra. Entre los factores más importantes cabe destacar los siguientes: • • • • •

Habilidad. Experiencia. Actitud en el trabajo. Relación empresa trabajador. Motivación.

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PARAMETROS DEPENDIENTES Factores geométricos  Se pueden distinguir esencialmente dos: •Diámetro de perforación

V1 = D22 V2 D12

• Profundidad de la perforación: se pierde efectividad con la profundidad.

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PARAMETROS INDEPENDIENTES

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PARAMETROS DEPENDIENTES  Perforabilidad.  Peso específico y densidad.  Porosidad y permeabilidad.  Resistencia.  Dureza.  Abrasividad de las rocas.  Elasticidad.  Plasticidad. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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PARAMETROS DEPENDIENTES Factores de perforabilidad:

 Se deben a estructuras presentes en la roca (fallas, estratificaciones).  Las zonas de brechas complican la perforación.  Suelen ser zonas de cambio de propiedades de materiales (cambios de un tipo de material a otro).

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PESO ESPECIFICO Y DENSIDAD PE: peso de la roca vs. volumen total  Densidad del fluido.  Interrelación con la estructura y textura de la roca.

D.: masa de la roca vs. su volumen:  Condicionada por la porosidad.  Menor densidad, más fácil perforar. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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POROSIDAD Y PERMEABILIDAD La porosidad indica la cantidad de huecos. Puede ser de la siguiente manera:  Primaria: inherente a los granos.  Secundaria: producida tras su cristalización o compactación.  Determinación en laboratorio, porosidad eficaz (interconexión) y rendimiento específico. La permeabilidad es la facilidad con la que el agua circula por la roca. La permeabilidad está íntimamente ligada con la porosidad y los planos de debilidad. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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POROSIDAD Y PERMEABILIDAD

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POROSIDAD Y PERMEABILIDAD Permeabilidad de la matriz rocosa sana (m/s)

10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 Arsenica Caliza y dolomía Granito Lutita Pizarra Esquisto Rocas metamórficas Rocas volcánicas Sal

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RESISTENCIA  Depende de su mineralogía.  Relación de la resistencia compresión y con la tracción.

con

la

 Dependencia de la existencia de planos de debilidad (estratificaciones, foliaciones).

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RESISTENCIA Clasificación de las rocas a partir de su resistencia a comprensión simple Resistencia a la comprensión simple(MPa)

ISRM (1981)

Geological Society of London (19710)

Muy blanda

5-12,5 12,5-25

Blanda

25-50

Moderadamente dura

50-100

Dura

100-200

Muy dura

> 200 > 250

Ejemplos

Suelos

<1 1-5

Bienia wski (1973)

Extremadamente dura

Blanda > 1,25 Moderadamente blanda

Muy baja

Moderadamente dura

Baja

Dura

Media

Muy dura

Alta

Extremadamente dura

Muy Alta

Sal, lutita, limolita, marga, toba, carbón.

Esquisto, pizarra. Rocas metamórficas esquistosas, mármol, granito, gneiss, arenisca, caliza porosa.

Cuarcita, gabro, basalto.

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DUREZA Es la resistencia de su capa superficial, a la penetración por otro cuerpo más duro (rayado). Depende de su mineralogía, porosidad, humedad. La dureza de los minerales mediante la escala de Mohs. No confundir con fragilidad, se define más propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación.

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DUREZA Dureza

Mineral

1

Talco

2

Yeso

3

Calcita

4

Fluorita

5

Apatito

6

Ortoclasa

7

Cuarzo

8

Topacio

9

Corindón

10

Diamante

Instrumento Uña (2-2,5) Moneda de cobre Cuchillo de acero Lima de acero Rayador tungsteno

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ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS Es la capacidad de las rocas para desgastar la superficie de contacto de otro cuerpo más duro al rozamiento. Depende de lo siguiente:  Dureza de los granos de roca.

 Solidez de uniones entre granos.  Forma de los granos. 2

 Tamaño de los granos. 13

 Porosidad de la roca.

13

14

 Homogeneidad de la roca.

14

 Humedad y saturación.

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ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS Clasificación

Índice Cerchar

Extremadamente abrasiva.

> 4,50

Tipo de roca Gneis, pegmatita, granito

Altamente abrasiva.

4,25 - 4,50

Anfibolita, granito

Abrasiva.

4,00 - 4,25

Granito, gneis, esquisto, piroxenita

Moderadamente abrasiva.

3,50 - 4,00

Arenisca

Abrasividad media.

2,50 - 3,50

Gneis, granito, dolerita

Poco abrasiva.

1,20 - 2,50

Arenisca portland

Muy poco abrasiva.

< 1,20

Caliza

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ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS Calidad

Tipo de roca

Abrasiva

Intermedia

Ejemplo

Ígneas volcánicas.

Riolita, obsidiana.

Ígneas plutónicas.

Granito, pegmatita, aplita, pórfido, granodiorita.

Metamórficas.

Cuarcita, corneanas, gneises.

Sedimentarias.

Sílex, conglomerados silíceos.

Ígneas volcánicas.

Basalto, andesita, traquita, piroclastos.

Ígneas plutónicas.

Sienita, diorita, gabro, diabasa.

Sedimentarias.

Arenisca, arcosas, calcarenitas.

Ígneas y metamórficas meteorizadas. Poco abrasivas

Sedimentarias.

Calizas, margas.

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ELASTICIDAD Las rocas se comportan según la ley de Hooke.

 Elástico-frágil.

 Plástico-frágil.  Altamente plástica.

RESISTENCIA A LA COMPRENSION (MPa)

Su comportamiento puede ser de la siguiente manera: 300 1 ROCA ELASTICO FRAGIL

260 200

2

ROCA PLASTICO FRAGIL

180 100

3

ROCA MUY PLASTICA

60 0

0

10

20

30

40

50

60

DEFORMACION (mm - 10 6)

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PLASTICIDAD Las rocas se deforman consolidándose al mismo tiempo. Su comportamiento depende de lo siguiente:  Composición mineral.  Presencia de agua.  Temperatura.

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ROCAS IGNEAS

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ROCAS METAMORFICAS

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ROCAS SEDIMENTARIAS

FACTORES DE ORIGEN GEOLOGICO

CONSOLIDADAS

NO CONSOLIDADAS

ROCAS DURAS SILICEAS

ROCAS ANTIGUAS (PREHERCINICAS)

FACTORES DE EDAD GEOLOGICA

FACTORES DE FRACTURACION O METEORIZACION

MASIVO SIN ALTERAR

CON CUARZO

FRACTURADO SIN ALTERAR

PERFORABILIDAD

BAJA

BAJA

METODOS DE PERFORACION ADECUADOS

ROTOPERCUSION DIAMANTE

ROTOPERCUSION DIAMANTE ROT. PESADA

BAJA MEDIA ROTOPERCUSION ROT. PESADA CABLE

MEDIA

DIAMANTE ROTACION CABLE

ALTO EN CUARZO

BAJO EN CUARZO

MEDIA ALTA

ALTA

DIAMANTE ROT.TRICONO CABLE

ALTA

DIAMANTES ROT. ALETAS CABLE

GRAVAS Y BLOQUES

ARENAS Y ARCILLAS

ROT. ALETAS CABLE

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SEDIMENTOS CUATERNARIOS

DESCOMPUESTO

METEORIZADO

POCO O SIN CUARZO

SEDIMENTOS MESOZOICOS Y TERCIARIOS

ROCAS MODERNAS (POSTHERCINICAS)

BAJA

ROTACION PESADA CABLE ESPECIALES

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INDICE 1. Clasificación de los sondeos y métodos de perforación.

2. Propiedades de las rocas y de los suelos. 3. Factores que afectan su perforabilidad. 4. Perforaciones: equipos, muestras, velocidad y costo. 5. Mediciones y control de sondeos. 6. Testificación de sondeos. 7. Medidas de seguridad durante la realización de sondeos. 8. Aplicaciones informáticas en sondeos. 9. Sondeos de investigación minera. 10. Sondeos para la extracción de minerales. 11. Otras aplicaciones.

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INDICE Perforabilidad de las rocas: • Perforación rotopercutiva. • Perforación rotativa. • Factores que afectan a la velocidad de perforación. Tipos de perforación: • Perforación a percusión con cable. • Perforación a rotopercusión. • Perforación a rotación con recuperación de testigo. • Perforación con circulación inversa. • Perforación a gran profundidad. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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PERFORABILIDAD DE LAS ROCAS

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INTRODUCCION La perforabilidad se determina con el régimen óptimo de perforación. Expresión  Penetración media (m/h).  Tiempo consumido por metro (en minutos). Depende de lo siguiente:  Propiedades mecánicas y abrasivas de la roca.  Técnica y tecnología utilizadas.

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA Índice de perforabilidad (DRI) Se realiza con 15-20 kg de muestra.  Ensayo friabilidad.

 Ensayo de perforación.

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ENSAYO FRIABILIDAD jaw crusher

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA Ensayo de perforación. 8.5mm

110º

weight 20kg

rock sample

chuck

guide

tungsten carbide drill bit

guide

175 - 200 RPM

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA Índice de perforabilidad (DRI) Se determina a partir de los valores S20 y SJ del ábaco siguiente: Extremely high

60

60 Very high

S20 = 51.8

70

70

SJ = 70.4 60

High

Drilling Rate Index. DRI

50

150 130

90

100 50

80

20 10 5

70

2 1

60

60

DRI

50

40

30

50

S20 = 28.0 Low Very low

0.7 0.5

50

Medium

Sievers-J. Value.SJ

230 200

100 50

40

SJ = 30.8

40

S20 = 42.5 30

SJ = 0.6

20

20 Extremely low

10

10

0

0

Quartzite

30 20 10

Limestone

Basalt

10

20

30

40

50

70 60 80 Brittleness Value. S 20

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA Índice de perforabilidad (DRI) Según los resultados, se deduce el método de perforación óptimo. VELOCIDAD DE PENETRACION (cm/min)

METODO DE PERFORACION 160 MARTILLO EN CABEZA HIDRAULICO

140

120

100

MARTILLO EN CABEZA NEUMATICO

80

MARTILLO EN FONDO ALTA PRESION (25 DRI)

60

ROTATIVA

40

MARTILLO EN FONDO CONVENCIONAL (DIR)

20

20

30

40

50

60

70

INDICE DE PERFOORABILIDAD (DRI)

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA

Correlación DRI-BWI B.W.L (Bir Wear Index)

D.R.I (Drilling Rate Index) Extremadamente bajo Muy bajo Bajo Medio Alto Muy alto Extremadamente alto

21 28 37 49 65 86 114

Extremadamente bajo Muy bajo Bajo Medio Alto Muy alto Extremadamente alto

63 53 43 33 23 13 3

30

80

70 40

60 50

50

40

60

30

70 80

20

90

INDICE DE PERFORABILIDAD(D.R.I)

INDICE DE DESGASTE (B.W.I)

Índice BWI (bit wear index) Índice DRI+ abrasividad en unidades AVS para estimar útiles de perforación.

10

1

2

3

5

10

20 30

50

100

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA Método CRS: impactos sobre 15 probetas. Índice CRS: números de impactos / volumen del material inferior a 0,5 mm. Relación CRS con resistencia a compresión simple.

TIPO DE ROCA Resistente Media Frágil

C.R.S 0,65 . 10-4RC 0,40 . 10 -4RC 0,23 . 10-4RC

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA La velocidad de penetración es 6.75

Ev: potencia de la perforadora.

TACONITA A

ARENISCA KASOTA ARENISCA MANKATO

GRANITO ROCKVILLE

6

CUARCITA JASPER

5.0 TACONITA B

4

BASALTO DRESSER GRANITO CHARCOAL 2.5

GRANITO RAINDOW 2

0

0.4

0.6

0.8

1.0

2.0

COEFICIENTE DE RESISTENCIA DE LA ROCA

ENERGIA ESPECIFICA (K.g cm/cm 3)

ENERGIA ESPECIFICA (10 3 pies Ib./pulg 3 )

8

.

Tr: % de transmisión de energía del pistón a la roca, normalmente se supone igual a 0,7. Er: energía específica perforación (del gráfico abajo).

0 4.0

PERFORADORA B PERFORADORA A, OPERANDO A UNA PRESION DE 100 psi.

Relación entre C.R.S. y la Energía Específica (Paone, Madsone y Bruce, 1969)

D: diámetro perforación.

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de de

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA Ecuación Rabia y Brook:  VP: velocidad de penetración (m/h).  P: presión de operación (MPa).  RIHN: número dureza al impacto de las rocas (modificación del ensayo de fragmentación).  D.Sh: dureza Shore.  a, b y c: constantes. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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PERFORACION ROTOPERCUTIVA

VELOCIDAD DE PENETRACION (M/H)

Aplicación con martillo de fondo MARTILLO EN FONDO (RD 237)

GRANITO BUDDON WOOD GRANITO BARDON HILL GRANITO CROFT CALIZA SWIDEN CRACOE BASALTO LESSINES

100

200

300 400 500 PRESION 0.87/(RIHNx D.Sh)0.753

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PERFORACION ROTATIVA

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PERFORACION ROTATIVA Ensayo Microbit Perforación de una probeta con una broca. Se mide el desgaste de la broca tras calibrarla. Malos valores en rocas duras.

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PERFORACION ROTATIVA 1000 900 800 700 600 500

A-

MARMOL ARENISCA CALIZA YESO

B-

DOLOMITA PIZARRA DURA

400

20 0

C - GRANITO CUARCITA 10 0 90 80 70 60 50 40

A

30

B 0 3.

5 2.

0 2.

0.8 0 .6

04

0. 0 .1 2

0.00.06 4 0.0 2

03

0.4

20 09 08 07 06 05

YO BI T A SA O OR EN I CR /H .0 M IES 4 5 P 3.

1.5

20

1 .0

VELOCIDAD PENETRACION(Pies/horas)

300

02

0.1 10

2

3

4

5

6 7 89

100

2

3

4

5

6 7 89 1000

2

3

4

5

6 7 89 10 000

EMPUJE (Libras x 1.000 / pulgada de diametro)

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PERFORACION ROTATIVA Ensayo Indenter test: diente de carburo de tungsteno. El empuje que necesario es aplicar en el tricono es el siguiente: E=e·I E: empuje. e: esfuerzo umbral. L: número insertos tricono. Velocidad de penetración VP = N · p VP: velocidad penetración. N: revoluciones por minuto. p: avance tricono por cada revolución.

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PERFORACION ROTATIVA Ensayo Indenter test: diente de carburo de tungsteno El avance del tricono es proporcional al del ensayo. P = k · p’ K: constante que engloba todo aquello que no se puede reflejar en el ensayo (energía, impacto, distancia, tamaño insertos). p’: obtenida en el ensayo.

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PERFORACION ROTATIVA Ensayo Indenter test: diente de carburo de tungsteno Velocidad de penetración:

N: velocidad rotación. p'/e: índice de perforabilidad obtenido en el ensayo. E: empuje sobre el tricono. C: número inserto del tricono. k’: un valor determinado a partir de la experiencia en campo. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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PERFORACION ROTATIVA

Fórmula de Bauer:

VP: velocidad penetración (pies/hora). N: velocidad rotación. RC: resistencia a la compresión simple. E/D: empuje (miles de libras por pulgada de diámetro).

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PERFORACION ROTATIVA Fórmula de Bauer: Buenos resultados en RC entre 15 000 y 50 000 libras. VELOCIDAD DE PENETRACION (Pies/h)

70

CUARCITA, GRANITO 60

MAGNETITA

14" 12"

16"

TACONITA

50

10" 8"

40

6" 30

CALIZA

20

1

2

3

4

5

6

7

8

10

2

3

4

5

6

RESISTENCIA A COMPRENSION (103 Ib/pulg 2 )

7

Estimación de la Velocidad de Penetración a partir de la Resistencia a Comprensión (Bauer y Calder).

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PERFORACION ROTATIVA

Fórmula de Praillet:

VP: velocidad penetración (pies/hora). N: velocidad rotación. RC: resistencia a la compresión simple. E: empuje. D: diámetro tricono.

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PERFORACION ROTATIVA Fórmula de Praillet: Buena fiabilidad. Los fabricantes de triconos proponen lo siguiente: 200

100

6 AR EN IS YE CA SO 25 00 53 00 PS PS I I MA RM OL 76 DO 0 L AR 0P OM EN SI IA IS 31 BA CA 00 SA 21 0P CU LT 00 SI AR O 0P C IT 45 SI 00 A3 0P GR 10 AN SI 00 ITO PS I 68 00 0P SI

VELOCIDAD DE PENETRACION (Pies/hora) a 60 r.p.m

8

4

2

10 8 6 4

RESISTENCIA A COMPRENSION

2

100

2

4

6

8

1000

2

4

6

8 10 000

EMPUJE POR UNIDA DE DIAMETRO (Libra/pulgada)

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FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE PERFORACION DE LAS FORMACIONES ROCOSAS

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Los factores que influyen en el rendimiento de perforación de una roca son los siguientes:  Propiedades geomecánicas de la roca.

 Útil de perforación.  Mecánica de la perforación.  Hidráulica.  Propiedades del fluido de perforación.  Otros factores. 11 Años Capacitando a la Comunidad Minera Global

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Propiedades de las rocas

Tenacidad Factores mecánicos

Factores hidráulicos

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Dureza Abrasividad Perforabilidad Fragilidad Propiedades físicas Resistencia a la comprensión y tracción

Empuje Rotación Estado del útil Diámetro Tipo de útil

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Permeabilidad Permeabilidad Porosidad Contenido líquido Presión de poro del flujo Presión de cierre Presión en el sondeo Temperatura de la roca Tipo de destrucción de la roca: trituración, cizallamiento o combinado Dirección y tamaño de los canales Modificación del ángulo de corte en caso de rotura del útil

Caudal, presión y velocidad Pérdidas de carga, presiones durante la circulación. Presión diferencial en el fondo Eficiencia del personal

Eficiencia del equipo de perforación

Gases de corrosivos Pérdidas de lodo Clima

Responsabilidad Factores psicológicos Experiencia Condiciones del equipo Tamaño del equipo Manejo Herramental Problemas de perforación de formaciones estratificadas. Atranques-Erupciones-Profunidad Lugar de la perforación -Traficabilidad Propiedades del agua de perforación

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