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INDICE GEOLOGICO DE RESISTENCIA GSI

1.- Introducción: El Índice Geológico de Resistencia (G.S.I.) propuesto por Hoek (1997) y Hoek Kaiser y

Bawden (1998) proporciona un sistema practico para estimar la variación de la resistencia que presentaría un macizo rocoso con diferentes condiciones geológicas.

La resistencia de un macizo rocoso fracturado depende de las propiedades de los trozos o bloques de rocas intacta y también, de la libertad de estos para girar o deslizarse bajo distintas condiciones de esfuerzo. Esta libertad esta controlada por el perfil geométrico de los trozos o bloques de roca intacta, así como también, por la condición de la superficie que separan dichos trozos o bloques.

La historia geológica de cada área o región (procesos geomorfológicos, sedimentarios, estructurales, ígneos y metamórficos, hidrogeológicos, metalogeneticos y otros) han influido en forma determinante en las propiedades y características de los parámetros utilizados en el índice geológico de resistencia o G.S.I, por lo tanto, la evaluación geológica de un área debe ser tomada muy en cuenta para la aplicación de este índice.

2.- Tablas originales del G.S.I. según Hoek. Estas tablas incluyen la caracterización del macizo rocoso según el grado de trabazón de los

bloques o trozos de roca y la condición de las discontinuidades (lamina 1 – cuadro 1) , así como, una estimación numérica del Índice Geológico de Resistencia G.S.I. (lamina 1 – cuadro 2), en base a la descripción proporcionada por la tabla anterior.

La terminología empleada para definir la estructura del macizo rocoso es la siguiente:

Masivo o intacto (intact or massive).

Fracturado en bloques (blocky).

Fuertemente fracturado en bloques (very blocky)

Fracturado y perturbado (blocky/disturbed).

Desintegrado (desintegrated). Este primer parámetro esta en función de la disminución de la trabazón del macizo descendiendo en la tabla de arriba hacia abajo. Para la condición de las discontinuidades es usada la siguiente:

Muy buena (very good)

Buena (good)

Regular (fair)

Mala (poor)

Muy mala (very poor). Este segundo parámetro esta en función del empeoramiento de las condiciones de las discontinuidades y disminuye en la tabla de izquierda a derecha. Definido el tipo de macizo rocoso en la tabla descriptiva del G.S.I. (lamina 1 – cuadro 1), se emplea la tabla estimativa del G.S.I (lamina 1 – cuadro 2) para determinar un rango de valores asignada a esta clasificación descriptiva (En nuestro caso la clasificacion GSI corresponde ha. MF/B = 60 ± 5).

3.- Tabla G.S.I. modificada. En base a las tablas originales del Índice G.S.I. y teniendo como objetivo que puedan ser

utilizadas en forma muy practica y sencilla, sin dejar de tomar en cuenta las características principales de los macizos rocosos y su comportamiento en aberturas subterráneas, se ha asociado el parámetro de Estructura del macizo rocoso, al grado de fracturamiento medido según el R.Q.D. o la cantidad de fracturas por metro y modificando su terminología de acuerdo a estos conceptos: - Masiva (M) – Menos de 2 fracturas / mt, RQD (90 - 100). - Levemente fracturada (LF) de 2 a 6 fracturas / mt , RQD ( 70 - 90)

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- Moderadamente fracturada (F) de 6 a 12 fracturas / mt, RQD (50 a 70). - Muy fracturada (MF) de 12 a 20 fracturas / mt , RQD (25 a 50). - Intensamente fracturada (IF) con mas de 20 fracturas / mt, RQD (0 a 25). - Triturada y brechada en zonas de falla, sin RQD, incluyéndose además las condiciones de

trabazón de los bloques que se mencionan en las tablas originales. Con respecto al parámetro de condición de las Discontinuidades, se ha asociado este a la resistencia de la roca intacta, determinada en forma muy sencilla y practica con golpes de picota o su indentación o disgregación de la misma, usando la siguiente terminología:

- Muy buena (MB) Extremadamente resistente, solo se astilla con golpes de picota. - Buena (B) Muy resistente, se rompe con varios golpes de picota. - Regular (R) Resistente, se rompe con 1 o 2 golpes de picota. - Pobre (P) Pobre, moderadamente resistente, se indenta superficialmente con la picota. - Muy pobre (MP) Blanda a muy blanda, se indenta profundamente con golpes de picota o se

disgrega fácilmente, incluyéndose al igual que en el parámetro anterior las condiciones de las discontinuidades mencionadas en la tabla original.

De esta manera con el uso del flexómetro y la picota se obtendrá rápidamente una clasificación del macizo rocoso, la cual podrá ser fácilmente asimilada por el personal que labora directamente en las excavaciones y los supervisores que ven en la Mecánica de rocas o Geomecánica una Ciencia bastante áspera y compleja. Mediante estas clasificaciones y su relación con el sostenimiento a colocar, de acuerdo al tamaño de la abertura y el tiempo oportuno de colocación, se contribuirá a disminuir el índice de accidentes por desprendimiento de rocas que ocurren con frecuencia en las labores subterráneas. En nuestro caso la clasificación correspondiente a un G.S.I. (original) de FP/B (Fuertemente y Perturbada / Buena), correspondería a un macizo rocoso de 12 a 20 fracturas / ml y requiere de varios golpes de picota para romperse, lo cual es equivalente en el G.S.I (modificado) a una clasificación MF/B (Muy fracturada / Buena ) cuya valuación es de 60 ± 5.

4.- Relación del G.S.I. con los índices Q y RMR. No existe una relación exacta entre los valores numéricos de las diferentes clasificaciones

existentes, debido a los diferentes parámetros que se utilizan, sin embargo, se da a continuación las mas usadas:

RMR = 9 Ln Q +44. (1) G.S.I. = RMR (seco) –5. (2) En base a estas relaciones de condiciones hipotéticas se han elaborado los ábacos

correspondientes . Asimismo, se debe considerar que existen condiciones o parámetros que son considerados en

un sistema y no en otro, por lo cual, la relación G.S.I. con los índices Q y RMR solo se da en condiciones de tensiones moderadas (SRF = 1) secas o ligeramente húmedas (Jw = 1 o valuación por condiciones hidrogeológicas = 15) y con orientación de fracturas favorables (Corrección = 0).

De acuerdo a lo indicado en el párrafo anterior en si por ejemplo un macizo rocoso Muy fracturado / Regular (MF / R) que según los ábacos correspondería a un índice Q de 1 a 5 y un índice RMR de 45 a 55, en condiciones de pequeña cobertura (SRF = 2.5) el verdadero valor del índice Q seria de 0.4 a 2, el RMR continuaría igual ya que no se incluye como parámetro las condiciones tensionales.

Si el mismo macizo (MF / R), Q de 1 a 5 y RMR de 45 a 55 se encuentran en condiciones de humedad, con flujos entre 10 a 15 litros por minuto con diaclasas limpias, los valores de Q corregido serian de 0.66 a 3.3 y de RMR de 38 a 48.

Si se presentaran ambas condiciones en el macizo (MF / R) el Q corregido seria de 0.26 a 1.32 y el RMR de 38 a 48, correspondiendo a un G.S.I. efectivo equivalente a un IF / R o MF / P.

Con respecto a las correcciones por orientación considerados en el sistema RMR y no en los sistemas Q y G.S.I, se aplica el criterio de que debe colocarse un empernado sistemático en paredes con sistemas de fracturas subparalelas y subverticales al eje de la labor y en el techo cuando las fracturas son subhorizontales, inclusive en macizos que probablemente no lo requieran, si se presentaran lajamientos, esta misma medida se aplicara en las curvas de las rampas cuando las fracturas sean tangenciales.

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5.- Relación del G.S.I (Modificado) con los anchos de abertura autoportante y los tiempos de

colocación del soporte. Según el Índice Q la relación estimada para determinar la máxima abertura autoportante, es la

siguiente: Máxima abertura = 2 (ESR) (Q)

0.4 (3).

Donde ESR, es una constante que depende del uso de la excavación, en el caso de obras

mineras subterráneas temporales es de 3 – 5, en labores mineras subterráneas permanentes es de 1.6 y en labores verticales es de 2 – 3.

Luego en el ejemplo anterior, si en un macizo rocoso Muy fracturado / Regular (MF/R) con un Q de 1 a 5, se excava un tajeo (labor temporal), su abertura máxima autoportante seria de 6 a 11 mts y si se excavara una rampa su abertura máxima seria de 3.2 a 6.1 mts.

Para el Índice RMR, la abertura máxima se incluye en el cuadro 5 de la lamina 3, en este mismo cuadro se ha adicionado los valores del índice Q, de acuerdo a la relación existente entre este índice y el RMR, relacionándose ambos con la clasificación del G.S.I. (modificado) para obtener las aberturas autoportante de acuerdo a este ultimo índice.

Asimismo, se incluye en este cuadro, los tiempos de colocación del soporte, los cuales están relacionados con el ancho de abertura y los valores geomecánicos referidos a los índices RMR , Q y G.S.I.

6.- Determinación del soporte temporal según las relaciones del G.S.I. con los índices Q y

RMR . Se ha elaborado el cuadro preliminar 6 – lamina 3A, al cual se le ha denominado (SPM) o

Sostenimiento Practico en Minería, en base a la aplicación de los diferentes tipos de soporte en excavaciones mineras subterráneas, de acuerdo, a los métodos de clasificación geomecánica, a las experiencias del uso de sostenimiento flexible en la minería peruana y a experiencias propias.

En este cuadro, se mencionan los principales elementos de soporte utilizados en nuestras labores mineras a nivel nacional, que incluyen el uso de diferentes tipos de soporte: pernos de anclaje, concreto lanzado (shotcrete) con o sin fibra de refuerzo de diferentes espesores, malla metálica galvanizada o electrosoldada y el soporte pesado consistente en el uso de cimbras metálicas o cuadros de madera, colocados a diferente espaciamiento de acuerdo a las condiciones del macizo rocoso.

Este diseño practico de sostenimiento (SPM), será progresivamente optimizado con la participación de todos los interesados en el área de la geomecánica aplicada en la minería subterránea.

Se considera como parámetros principales de este cuadro, la calidad del macizo rocoso y la dimensión equivalente que esta representada por el ancho de la abertura dividida entre ESR (constante considerada en el índice Q para la determinación del soporte en túneles) para lo cual se considera los valores de 3 en el caso de labores temporales, 1 .6 para labores permanentes y 2.0 para labores verticales.

La aplicación del SPM permitirá la elaboración de tablas de sostenimiento adecuadas a cada unidad minera.

Para complementar la aplicación del mismo, se agrega al mencionado cuadro, una metodología de uso en la cual se indica la forma de obtener los parámetros de estructura (fracturamiento) y condición superficial (resistencia) y de acuerdo al cuadro de clasificación G.S.I. modificado definir al macizo rocoso evaluado. Posteriormente en base a la aplicación del cuadro SPM se obtiene el tipo de sostenimiento adecuado y el tiempo oportuno de su colocación.

7.- Comentarios En los yacimientos de minerales, es necesario tomar en cuenta los cambios que se han

presentado en los macizos rocosos originales por los procesos de alteración hidrotermal,

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especialmente en los de alta sulfuracion, estos reemplazamientos disminuyen la resistencia de la roca por efecto de la argilitizacion, propilitizacion y la mejoran por procesos de silicificacion, por lo tanto, es necesario la participación de los geólogos de la mina en la identificación de los tipos de alteración hidrotermal, su grado de intensidad y la amplitud de su zona de influencia para conocer el impacto de esta en la calidad del macizo rocoso de un determinado yacimiento.

La forma clara y sencilla para obtener la clasificación geomecánica preliminar del macizo rocoso que se esta excavando, según el índice GSI (modificado), permitirá una rápida caracterización del mismo y la definición del soporte adecuado a ser colocado en el momento oportuno.

Esto permitirá que se incluya en los reportes diarios de avance, que se dan en los cambios de guardia de todas las minas, la evaluación geomecánica de los frentes de avance o de explotación y sus soportes correspondientes, de tal forma que sea posible realizar el seguimiento de las condiciones de cada labor y conocer si estas se encuentran en condiciones de alto riesgo por no tener los soportes colocados, lo cual permitirá una disminución en los daños materiales y personales.

La optimización del SPM (Soporte practico en minería) requerirá del aporte de todos los involucrados en la explotación minera tanto los geomecánicos, seguridad, geólogos como los mineros de operación de acuerdo a la aplicación del mismo y al seguimiento de su resultados.

9.- Bibliografia.

- Barton, N.R. Lien, R. and Lunde, J. 1974. Engineering Clasification of rock masses for the desing of tunnel support, Rock Mech 6(4) 1889-239

- Barton, N.R., Losel, F.,Lion, R. and Lunde,J. Aplication of the Q-System in desing decisions. In Subsurface space (ed. M. Bergman) 2, 553-561.New York: Pergamon.

- Bieniaswsky 2.t. 1978. The geomechanics classifications in rock engineering applications. Proc. 4th, congr., Int.Soc. Rock Mech., Montreux 2, 41-48.

- Bieniaswsky, Z.T. 1989. Engineering rock mass classifications . New York: Wiley. - Deere, D.U. 1989. Rock quality designation (RQD) after 20 years. U.S. Army Corps Engrs

Contract Report 93-89-1. Vicksburg, MS: Waterways Experimental station. - Hoek, E., and Brown E.T. 1980. Underground excavations in rock. London: Instn, Min.

Metall. - Hoek, E., and Brown E.T. 1997, Practical estimates of rock mass strength. Int Jour. Rock

Meck , and Men.Sci. Vol 34, No 8 pp 1165-1186. - Gonzalez de Vallejo, L.I. 1998 Las clasificaciones geomecanicas para túneles. En

Ingeotuneles. Ed Lopes Jimeno, Entorno grafico. Madrid. Capitulo 1. - González de Vallejo, L.I, Ferrer,M.1999 Manual de campo para la descripción y

caracterización de macizos rocosos en afloramientos. Instituto Tecnológico Geominero de España.

- Vallejo C. 2001. Aplicación de criterios geomecánicos para el uso del sostenimiento flexible en la mina San Genaro – Castrovirreyna Compañía Minera.

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Basandose en la apariencia del afloramiento

de roca escoga la categoria que , segun su

criterio que mejor describe la condicion tipica

del macizo rocoso insitu , en condicion

no pertubada .

Note que superficies expuestas de roca que

han sido afectadas por voladura pueden dar

una impresion erronea de la calidad de la roca

subyacente, por lo tanto es necesario

considerar algun ajuste por voladura.

Es tambien importante entender que el criterio

de HOEK-BROWN , solo se debe aplicar en

macizos rocosos cuyo tamaño de bloque tipico

M/MB M/B M/R M/M M/MM

FB/MB FB/B FB/R FB/M FB/MM

FF/MB FF/B FF/R FF/M FF/MM

FP/MB FP/B FP/R FP/M FP/MM

D/MB D/B D/R D/M D/MM

es pequeño con respecto al tamaño de la

excavacion considerada.

LAMINA 1 : TABLAS GSI SEGÚN HOEK

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LAMINA 2 : TABLAS GSI MODIFICADO

LF/MB LF/B LF/R LF/P LF/MP

F/MB F/B F/R F/P F/MP

MF/MB MF/B MF/R MF/P MF/MP

IF/MB IF/B IF/R IF/P IF/MP

T/MB T/B T/R TP T/MP

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LAMINA 3A : DISEÑO PRACTICO DE SOSTENIMIENTO - SPM

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LAMINA 3B : TIEMPO DE AUTOSOPORTE

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LAMINA 4 : TABLA GSI - CEDIMIN SAC

B

F

A

C

E

D

LF/B

(A)(A) (A)

LF/R

F/B F/R

LF/P

(B)

F/MP

MF/MP

MUY FRACTURADO

MF/B

(D)

F/P

(C)

IF/MP

(D)

IF/P

(C)

METODOLOGIA DE APLICACION

MF/R

(C)

MF/P

(B)

(B)

IF/R

(C)

(12 A 20 FRACTURAS POR METRO)

(6 A 12 FRACTURAS POR METRO)

POR CUATRO O MAS SISTEMAS DE

FORMADOS POR TRES SISTEMAS

LEVEMENTE FRACTURADO

INTENSAMENTE FRACTURADO

ESPACIADAS ENTRE SI

DISCONTINUIDADES MUY

MUY BIEN TRABADA, NO

TRES O MENOS SISTEMAS DE

(2 A 6 FRACTURAS POR METRO)

(RQD 75-90)

DISTURBADA, BLOQUES CUBICOS

(RQD= 115 - 3.3 Jn.)

DE DISCONTINUIDADES ORTOGONALES

MODERADAMENTE TRABADA,

(RQD 50 - 75)

ESPACIADOS A 0.8 m.

CUADROS DE MADERA

SUPERFICIE DE LAS DISCONTINUIDADES MUY RUGOSAS

PARCIALMENTE DISTURBADA,BLOQUES ANGULOSOS FORMADOS

DISCONTINUIDADES (RQD 25-50)

PLEGAMIENTO Y FALLAMIENTO

MUY POBRE (BLANDA, MUY ALTERADA)

ESPACIADOS A 0.5 m.

CON MUCHAS DISCONTINUIDADESINTERCEPTADAS FORMANDO

(MAS DE 20 FRACTURAS POR METRO)

BLOQUES ANGULOSOS O IRREGULARES(RQD 0 - 25)

(Rc 5 A 25 Mpa) - (SE INDENTA MAS DE 5 mm.)

DISCONTINUIDADES RUGOSAS, LEVEMENTE ALTERADO,MANCHAS

LIGERAMENTE ABIERTAS, (Rc 25 A 50 Mpa)

MODERADAMENTE FRACTURADO

CEDIMIN SAC

SIN SOPORTE - PUNTAL OCASIONAL

PUNTAL DE MADERA CADA 1.0m

TABLA Nº 1-A

ESPACIADOS A 1.0 m.

CUADROS DE MADERA

TIEMPO DE COLOCACION: 15 DIAS

El desprendimiento de roca se evita colocando el soporte eficiente en el momento exacto

Aplicación sin factores influyentes Para la aplicación de esta tabla se determina in situ una vez lavadas las paredes(de preferencia) y el techo

de la labor a mapear, la cantidad de fracturas por metro lineal utilizando un flexómetro (parámetros de estructuras) y la resistencia de la roca definida por la cantidad de golpes de picota con las que se rompe o se

indenta la roca, o la condición de las fracturas (abertura, relleno y alteración) (parámetros de condiciones).Cada recuadro de calidad de roca presenta algunas subdivisiones aplicándose el sostenimiento designado en el recuadro superior cuando no se presentan factores influyentes, los mismos que son descritos en el

párrafo siguiente.

Correcciones por factores influyentesLa presencia de agua, orientaciones desfavorables de las discontinuidades, ocurrencia de esfuerzos

(encampane mayor de 800m, labores cercanas o presencia y cercanía a fallas) y demoras en la colocación de soporte que afecten a un determinado tipo de roca en una labor, originara que el soporte asignado por su

condición al momento de la excavación requiera ser reforzado, para lo cual se deberá colocar el siguiente

soporte, tanto en elementos de soporte como en tiempos de colocación, debiendo considerarse una sola

corrección.

Ejemplo.- Tajeo 1.5m muy fracturada regular (MF/R), el soporte sin factores influyentes correspondería

puntal ocasional (soporte tipo A) y el tiempo de colocación a 1 año. Con presencia de agua, orientación

desfavorable de discontinuidades, aberturas cercanas o influencia de esfuerzos se deberá colocar soporte tipo

B y su tiempo de colocación será de 1 mes.

Medidas preventivas y de control

- La primera medida preventiva es el uso de "voladura controlada" en especial en las bóvedas, para lo cual,

se deberá disminuir el espaciamiento de taladros a 0.5m y distribuir mejor su carga, así mismo, evitar concentraciones de vibraciones que originen micro fracturas en paredes, techo y frente de la labor. - Ejecución de mapeo geomecánico de inmediato y colocación del soporte de acuerdo al tipo y tiempo

recomendado en la tabla. - Revisar y cumplir en forma estricta con el manual de procedimientos de colocación de los diferentes

elementos de soporte que se apliquen - Efectuar periódicamente ensayos de arranque en los pernos colocados, limpieza y reparación de mallas

rellenadas con fragmentos, reemplazar los pernos mal colocados o sueltos y los tramos con shotcrete deteriorado.- Capacitación permanente del personal de operaciones (Jefes de Guardia, inspectores, Capataces,

perforistas y ayudantes) en la aplicación de la tabla y colocación de sostenimiento. - Compromiso de la Gerencia General y la Superintendencia General con la aplicación correcta y oportuna

de esta actividad.

Formas de colocación terminantemente prohibidas- Iniciar la colocación de soporte sin haber cumplido las 5 normas bàsicas y/o asegurado el techo.

- Colocar sostenimiento fuera de estandares establecidos.

- Colocar puntales en las fracturas, muy inclinados o en zonas en que la picota se hunde profundamente.

CUADROS DE MADERA

ESTRUCTURA

BUENA (MUY RESISTENTE, FRESCA)

(SE ROMPE CON VARIOS GOLPES DE PICOTA)

REGULAR (RESISTENTE, LEVEMENTE ALTERADO)

E INALTERADAS, CERRADAS. (Rc 100 A 250 MPa)

POBRE (MODER.RESIST.,LEVE A MODER.ALTER.)

DE OXIDACION, LIGERAMENTE ABIERTA. (Rc 50 a 100 Mpa)

(SE ROMPE CON UNO O DOS GOLPES DE PICOTA)

(C)

TABLA Nº 1

(A)

DISCONTINUIDADES LISAS, MODERADAMENTE ALTERADA,

(SE INDENTA SUPERFICIALMENTE CON GOLPES DE PICOTA)

RELLENO COMPACTO O CON FRAGMENTOS DE ROCA

SUPERFICIE PULIDA O CON ESTRIACIONES, MUY ALTERADA

TIEMPO DE COLOCACION: 1 AÑO

CONDICIONES

(A)

TIEMPO DE COLOCACION: 3 DIAS

TIEMPO DE COLOCACION: 1 MES

TIEMPO DE COLOCACION: 1 DIA

(A) (A) (A)

TIEMPO DE COLOCACION: INMEDIATO

SOSTENIMIENTO SEGUN G.S.I.(modificado)

LABORES DE EXPLOTACION(TAJEOS) <2.5mts

MINAS SHILA Y PAULA

(E)

PUNTAL DE MADERA CADA 0.7m

(F)

(B)

(B)