Propiedades mecánicas de rocas con vetillas sometidas a altas tasas de deformación

Abstract

Los estallidos de rocas corresponden a eventos complejos, caracterizados por la liberación espontánea de energía en los límites de las excavaciones subterráneas en roca en zonas de tensión de confinamiento. En minería subterránea, tanto la seguridad de los trabajadores como de los equipos se ve mermada por estos eventos ya que implica un riesgo para las operaciones mineras: lesiones a los trabajadores o víctimas mortales, daños a la infraestructura y al equipo de la mina, una rehabilitación que requiere mucho tiempo y, por lo tanto, pérdidas de producción y su evaluación representa un gran desafío. En este estudio, reportamos una serie de pruebas de compresión uniaxial mediante el uso de una barra de presión Hopkinson dividida (SHPB), una barra triaxial tipo Hopkinson (THB), y una cámara de alta velocidad de hasta 200.000fps, para comprender el papel de las cargas dinámicas y las altas tasas de deformación (10 a 102 s-1) en el comportamiento mecánico y en los patrones de fractura de rocas con vetillas. Las muestras corresponden a cilindros (SHPB) y cubos (THB) elaborados a partir de rocas de los principales distritos de gran minería subterráneos de Chile: Chuquicamata (CHQ), Andina (RB) y El Teniente (CMET). Así, se representan tres estados de tensión subterránea: Desconfinado (SHPB), confinamiento uniaxial (THB), y confinamiento biaxial (THB). Los resultados obtenidos a través de la SHPB muestran un claro aumento de la resistencia a la carga uniaxial en relación con los resultados de técnicas con tasas de carga cuasi-estática. El aumento fue de hasta 2,2 veces en CMET, 1,8 en RB y 2,6 en CHQ. Además, el factor de aumento dinámico (DIF) indica una fuerte dependencia de la tasa de deformación de las muestras de CHQ. Este efecto en las muestras de RB y CMET es menos evidente. Los datos obtenidos con las pruebas de compresión dinámica indican que tanto el aumento de la rigidez como la resistencia a la compresión dinámica dependen en gran medida de la tasa de deformación de la roca. Además, informamos una relación directa entre los patrones de fractura y la presencia de vetillas. Los resultados obtenidos a través de THB no son concluyentes con respecto al aumento de la resistencia a la carga uniaxial, al compararlo con respecto al estado desconfinado. Sin embargo, se observa un aumento del módulo elástico al aumentar σ2. Dos tipos de curvas post-peak, I y II, son reportadas en la curva de carga-deformación: La curva post-peak tipo I está asociada a fracturas singulares por la cual la muestra no pierde su capacidad de carga en un estado de confinamiento biaxial. La curva post-peak tipo II está asociada a una fragmentación del espécimen ensayado, y a la expulsión de fragmentos desde las caras libres. En ambos casos, la propagación de la fractura está controlada por las vetillas que están orientadas de manera favorable con respecto a la carga dinámica. Se reproducen dos fenómenos asociados al strainburst en los ensayos biaxiales, el Slab bluckling o pandeamiento, y la expulsión de fragmentos a altas velocidades luego de la fragmentación de la muestra durante su fase post-peak. De acuerdo con los resultados, sugerimos que la propagación de la fractura en rocas con vetillas que fallan a altas tasas de deformación ocurre través de la matriz y las vetillas cuando las propiedades mecánicas instantáneas de este tipo de roca muestran una fuerte dependencia de la tasa de deformación, mientras que se restringen sólo a las vetillas cuando esta dependencia es menos evidente. Frente a un pulso dinámico que generen tasas de deformación entre 10 a 102 s-1 , aumenta la rigidez instantánea, y por lo tanto la disipación de energía también. La propensión a la formación de bloques es mayor en rocas con vetillas. Estas son condiciones que favorecen la ocurrencia estallidos de rocas, y podrían incrementar la severidad de este fenómeno en las excavaciones subterráneas de los distritos mineros estudiados.