Influencia de la presencia de discontinuidades en la generación estallidos de roca mediante el modelamiento numérico

Abstract

Los estallidos de roca corresponden a un fenómeno que ocurre cuando la energía almacenada en una masa rocosa supera su límite, donde la energía se libera bruscamente y la masa rocosa es expulsada de las paredes de una excavación subterránea, siendo todo esto de carácter instantáneo. Estos fenómenos presentan un riesgo importante para las excavaciones, y es necesario poder evaluarlos. Los principales métodos de evaluación para los estallidos de rocas corresponden a métodos empíricos, modelos matemáticos y modelación numérica, siendo esta última la más utilizada en la actualidad. Aunque se han estudiado los estallidos de rocas de forma amplia tomando en cuenta diversos parámetros, no es todavía clara la influencia que poseen las discontinuidades litológicas sobre la intensidad y probabilidad de ocurrencia de estos fenómenos geológicos. Para responder a esto, se propone estudiar el efecto que tiene la presencia de una discontinuidad en una galería subterránea sobre el potencial de los estallidos de rocas. El estudio está enfocado en la ocurrencia de los estallidos de roca denominados “estallidos por deformación” que son un tipo de estallidos de rocas, centrándose en la investigación de estos en galerías subterráneas donde existe la presencia de discontinuidades. Los potenciales beneficios que proporcionaría esta investigación radican en la seguridad operacional en labores subterráneas tanto de ingeniería civil con de ingeniería en minas, donde a medida que aumenta la profundidad de las excavaciones los estallidos de roca se convierten en uno de los mayores riesgos geológicos. En el estudio se empleó el método numérico de diferencia finitas a través del software FLAC3D, para realizar un análisis dinámico de la energía de deformación elástica almacenada y energía cinética liberada durante la construcción de una excavación subterránea, relacionándolas con el potencial de estallido de rocas. Los resultados obtenidos muestran que la energía de deformación se concentra en las zonas de afloramiento de la discontinuidad alrededor de la galería subterránea. En cuanto a la energía cinética, esta se concentraba en la cara libre de la excavación donde aflora el plano estructural pero no a lo largo de este. Debido a esta mayor concentración energética, el potencial de estallido de roca aumenta, tanto en término de su probabilidad de ocurrencia como de su intensidad. Este estudio muestra que la consideración de las discontinuidades mayores en un macizo rocoso es esencial para la estimación del riesgo de estallido de rocas, ya que los resultados evidenciaron que la presencia de una discontinuidad en una galería subterránea posee una significativa influencia en términos energéticos para el macizo rocoso, generando concentración de esfuerzos en la zona de afloramiento de la discontinuidad, lo que se traduce en zonas susceptibles a estallidos de rocas.

Rockbursts correspond to a phenomenon that occurs when the energy stored in a rock mass exceeds its limit, where the energy is abruptly released and the rock mass is ejected from the walls of an underground excavation, all of this being instantaneous in nature. These phenomena present a significant risk to excavations, and it is necessary to be able to evaluate them. The main evaluation methods for rockbursts correspond to empirical methods, mathematical models and numerical modeling, the latter being the most widely used at present. Although rockbursts have been studied extensively taking into account various parameters, the influence of lithological discontinuities on the intensity and occurrence probability of rockbursts is not yet clear. To answer this, it is proposed to study the effect of the presence of a discontinuity in an underground gallery on the potential of rockbursts. The study is focused on the occurrence of rockbursts called "strain bursts" which are a type of rockburst. The potential benefits that this research would provide reside in the operational safety in tunnels in both civil engineering and mining engineering, where as the depth of excavations increases, rockbursts become one of the greatest geological risks. In the study, the finite difference numerical method was used through the FLAC3D software to perform a dynamic analysis of the stored elastic deformation energy and kinetic energy released during the construction of a underground excavation, relating them to the rockburst potential. The results obtained show that the deformation energy is concentrated in the outcrop zones of the discontinuity around the underground gallery. As for the kinetic energy, it was concentrated on the free face of the excavation where the structural plane outcrops but not along the structural plane. Due to this higher energy concentration, the rockburst potential increases, both in terms of its probability of occurrence and its intensity. This study shows that the consideration of major discontinuities in a rock mass is essential for the estimation of the risk of rockburst, since the results showed that the presence of a discontinuity in a underground gallery has a significant influence in terms of energy for the rock mass, generating stress concentration in the outcrop zone of the discontinuity, which translates into zones susceptible to rockburst.