Estabilidad de paredes de taludes en minería

La mina Broadmeadow de BHP Coal es una de las pocas minas de con método longwall de Australia. Este método hace uso de tiras de minas de cielo abierto abandonadas e impulsa gateroads directamente en el manto en la base del Talud, sin necesidad de entradas principales. El longwall luego se retira hacia el rajo y se recupera justo antes de la pared, dejando un pilar de seguridad.

Broadmeadow ha extraído 11 paneles de longwall por este método, a partir de dos tiras adyacentes de cielo abierto. El movimiento significativo del Talud se relacionó con el efecto de hundimiento cuando los longwall se acercan a su posición final cerca de la pared del rajo. La operación quería comprender el mecanismo que causa el movimiento y, potencialmente, poder predecir la inestabilidad.

La extracción a través  de longwall debajo o adyacentes a grandes vacíos, como valles, acantilados o quebradas, se asocia comúnmente con áreas empinadas o con mucha vegetación, donde el acceso al levantamiento es limitado y la interpretación de los datos de movimiento de la superficie es complicada.

El diseño del longwall proporciona un acceso para implementar la tecnología de escaneo por radar y láser. Un talud del rajo sin eliminar y excavado uniformemente crea una configuración perfecta para estudiar el efecto de hundimiento del longwall en una superficie de inmersión pronunciada.

Antecedentes

El monitoreo del inclinómetro adyacente al panel Broadmeadow Mine LW11 durante el inicio del bloque confirmó que, la dirección del movimiento de corte es hacia el centro del vacío creado por el panel de longwall.

Los datos de las estacas de reconocimiento indicaron un movimiento horizontal típico, con puntos dibujados hacia el goaf (roca colapsada sobre el vacío) a medida que el longwall se acerca y luego se mueve en la dirección opuesta a medida que el longwall pasa por debajo y la superficie se asienta.

Esta comprensión tradicional llevó a los diseñadores de pilares a creer que el hundimiento del longwall tiraría del Talud hacia el goaf y en una posición aún más estable.

Sin embargo, en Broadmeadow, el movimiento observado del Talud y la deformación del terreno asociada no se ajustaron a los perfiles típicos de hundimiento del longwall ni al movimiento del talud. Los valores superaron con creces los límites de estabilidad utilizados en las minas de corte abierto adyacentes, lo que indica el inicio de la falla.

Este movimiento hacia afuera, sin afectar la estabilidad global del Talud, desestabilizó las áreas locales alrededor de los defectos existentes y las estructuras geológicas.

Monitoreo

El sistema Maptek Sentry se probó junto con un sistema de radar en LW10 y se utilizó exclusivamente para LW11. Ambos sistemas permitieron un monitoreo submilimétrico casi continuo, en tiempo real, de una pared de 100 m de alto por 500 m de ancho.

El sistema láser de Maptek puede escanear toda la pared del talud en seis minutos, dependiendo del tamaño del bloque que se va a monitorear.

Una ventaja de la tecnología láser es que está referenciada espacialmente, lo que permite el monitoreo itinerante. El escáner se puede cambiar a una nueva ubicación y mantener una correlación en los datos antes y después de moverlos.

Las técnicas de láser y radar permitieron la visualización gráfica en tiempo real del desplazamiento total y la velocidad de movimiento de la pared. El software de soporte proporcionó activadores o advertencias en tiempo real de la creciente velocidad de movimiento, y se pudieron crear videos de desplazamiento en el tiempo.

Se generó información precisa y de alta calidad, y se midió un desplazamiento del Talud a gran escala de hasta 1000mm desde 300m.

Predecir la inestabilidad

En Broadmeadow, una magnitud y velocidad de movimiento sin precedentes fueron causadas por el efecto del longwall (1000 mm en total, con una velocidad de hasta 1,5 mm / h durante +6 semanas), y la velocidad se controló mediante la retirada del longwall en lugar de la falla del suelo.

La interpretación de los datos requiere el juicio de un ingeniero geotécnico para equilibrar el aumento de la velocidad de movimiento con el aumento de la tasa de retroceso del longwall. La capacidad de monitorear y colorear todo el Talud permitió la identificación de áreas de movimiento anómalas localizadas para activar medidas de protección adicionales.

Medidas de protección

La extracción de mineral a través del sistema longwall aumenta el riesgo de inundación de la mina debido a la baja elevación y la amplia área de captación. Se construyen grandes diques para proteger el rajo abierto de las inundaciones de los ríos adyacentes. Los sumideros construidos contra el talud entre los portales de la compuerta y el portón trasero controlan la lluvia y los peligros de las rocas en la cuenca del pozo. Los sumideros protegen el área de trabajo de los peligros de caída de rocas entre la puerta principal y la puerta trasera, pero las áreas del portal permanecen expuestas.

El acceso del personal y los materiales a través de las entradas del portal requiere más estabilización en esta parte del muro. El Talud se rehabilita con pernos de anclajes y se cubre con una malla de desprendimiento de rocas. Se instalaron portales de concreto reforzados a 15 m del Talud para permitir el acceso cubierto. Una zona de exclusión de 10 m se aplica adyacente a los portales, y un haz de roca de 2 m de altura crea un desagüe para los desprendimientos de rocas locales. Esto es estándar para todos los accesos a los portales de trincheras y es independiente de los resultados del estudio.

Consideraciones de diseño

El movimiento hacia adelante del Talud se asume que es causado principalmente producto de la subsidencia; Cuando los estratos se encuentran detrás del longwall, se produce un empuje masivo hacia adelante. Esto normalmente se limita a cientos de metros de tierra sólida, pero cuando está adyacente a un vacío de corte abierto o un valle, el longwall empuja el suelo empedrado hacia adelante como una baraja de cartas apiladas. El movimiento máximo es cerca de la superficie y disminuye hacia abajo debido al apalancamiento y la resistencia de fricción del peso de la sobrecarga y la proximidad al canal de hundimiento.

Los ingenieros de planificación subterránea buscan optimizar los anchos de los pilares de la barrera, pero los métodos de diseño tradicionales pueden no tener en cuenta la alta estabilidad del muro. Si bien la estabilidad global del talud (pared del rajo) se mantuvo en Broadmeadow, las fallas localizadas que se movilizan a lo largo de las uniones o las fallas se pueden desencadenar alrededor de estructuras geológicas preexistentes, adherencias o agrietamiento por tronadura.

Se sugieren varios controles si la minería se encuentra a 300mts de un pozo a cielo abierto:

• Escanee y mapee los Taludes (pared del rajo) antes de planificar las ubicaciones de los portales y de las paradas de los longwall para identificar todas las estructuras potenciales que podrían verse afectadas y establecer controles específicos.
• Deje espacio en los bancos de captura (bermas de seguridad) y en las plataformas de portal para un agrupamiento adecuado contra las base del talud para manejar las fallas de la pendiente del pit.
• La ubicación de la infraestructura en bancos y plataformas de Talud (Pared) debe permitir el movimiento potencial del terreno, con entradas de portal de concreto ubicadas más lejos de la pared.
• Servicios de acceso y acceso restringido a bermas de seguridad.
• Los drenajes deben ser accesibles y limpiarse regularmente para mantener la capacidad.

El diseño de la pared de perforación del longwall y la tecnología de monitoreo de estabilidad de talud de cielo abierto brindan un escenario casi perfecto para monitorear el efecto del movimiento del Talud (pared del rajo) debido a un longwall que se aproxima, donde la subsidencia empujará el terreno hacia adelante cuando esté adyacente a un vacío.

Los tamaños de los pilares de la barrera en los muros de perforación se pueden minimizar con una comprensión del mecanismo, diseño apropiado y controles deliberados. Los controles adicionales pueden ser muy efectivos para trabajar cerca de una pared de rajoo vacío.

Agradecimientos a BHP Coal Broadmeadow Mine

Extracto de papel editado por
Matt Martin, Dan Payne, Bob Coutts y Dan Lynch
Presentado en el ICGCM 2018