Análisis 3D de la variabiliad de los parámetros geomecánicos para determinar su influencia en la generación de un estallido de rocas

Abstract

Los estallidos de rocas son fenómenos de falla frágil, dinámicos, súbitos y que se encuentran asociados y caracterizados por un evento sísmico, lo que los ha llevado a presentar importantes desafíos en las etapas de diseño y construcción de excavaciones subterráneas. Generalmente, tienen lugar en ambientes de altos esfuerzos y en macizos rocosos de una buena calidad geoestructural. La minería subterránea en Chile se hace cada vez más y más profunda, principalmente por el rápido agotamiento de los recursos próximos a la superficie, lo cual resulta en un gran desafío para los ingenieros construir ambientes seguros a grandes profundidades para acceder al cuerpo mineralizado. En las últimas décadas, técnicas basadas en el modelamiento numérico han demostrado su potencial para ayudar en una mejor comprensión, evaluación y gestión de los riesgos y peligros asociados a este tipo de fenómenos. Durante las últimas cinco décadas, con rápidos desarrollos en software y hardware computacionales, se ha logrado un progreso significativo en el uso de modelos numéricos para simular fenómenos físicos en mecánica e ingeniería de rocas a diversas escalas. Diferentes autores han estudiado este fenómeno con respecto a cómo localizarlos o cómo mitigar su ocurrencia disminuyendo sus daños, sin embargo, el efecto de la variabilidad de los parámetros de entrada de los modelos no está bien entendido. En este trabajo de título se emplea la modelación numérica de elementos finitos para simular y analizar mediante el software RS3 la influencia de los parámetros geomecánicos de entrada (Módulo de Young, Módulo Poisson, GSI, UCS, Densidad de roca y Profundidad de la excavación) en el desencadenamiento de un estallido de roca en un túnel circular profundo utilizando el enfoque DISL propuesto por Diederichs (2007) el cual utiliza el criterio de falla generalizado no lineal de Hoek & Brown y representa el comportamiento de fragmentación frágil modificando los parámetros peak y residual. Específicamente, se estudia en profundidad el fenómeno de estallido de rocas desarrollando diferentes modelos en 3D para determinar cuál de los parámetros en estudio influye más en el aumento o disminución de la profundidad de falla y del volumen inestable estimado, estos factores están directamente relacionados con la magnitud del evento. Para el análisis de sensibilidad se comparan los resultados mediante los métodos empírico-analíticos propuestos por Martin et al., (1999) y Diederichs (2018) y también se analizan cuantitativamente con respecto a parámetros porcentuales. Además, se elaboran gráficos resumen en donde se puede observar claramente que parámetros influyen más en el aumento de la magnitud de un estallido de rocas, en donde los parámetros geomecánicos (UCS, GSI y Densidad de roca) destacan por sobre los parámetros elásticos (Módulo de Young y Poisson). Los resultados muestran que el enfoque “DISL” se alinea de mejor manera con el método propuesto por Diederichs (2018) a la hora de simular ruptura frágil, además el UCS es aquel parámetro de entrada que más afecta en la magnitud de un estallido de rocas por sobre el resto presentando una variación porcentual en la medición de profundidad de falla del 69%. El GSI presenta mediciones aleatorias al igual que el Módulo de Poisson. La densidad de roca también influye en la medición de la profundidad de falla, sin embargo, su impacto es menor. Por último, los parámetros elásticos como el Módulo de Poisson y el Módulo de Young son aquellos que menos influyen en la magnitud de un estallido de roca presentando una variación porcentual de 9% y 0% respectivamente.

Rockbursts are brittle, dynamic, sudden failure phenomena that are associated and characterized by a seismic event, which has led them to present important challenges in the design and construction stages of underground excavations. Generally, they take place in high stress environments and in rock masses of good geostructural quality. Underground mining in Chile is getting deeper, the main reason being to the rapid depletion of resources near the surface, which results in a great challenge for engineers to build safe environments at great depths to access the mineralized body. In recent decades, techniques based on numerical modeling have shown their potential to help in a better understanding of evaluation and management towards the risks and dangers associated with this type of phenomenon. During the last five decades, with rapid developments in computational software and hardware, significant progress has been made in the use of numerical models to simulate physical phenomena in rock mechanics and engineering at various scales. Different authors have studied this phenomenon with respect to how to locate them or how to mitigate their occurrence by reducing their damage. However, the effect of the variability of the input parameters of the models is not well understood. In this undergraduate project, the numerical modeling of finite elements is used to simulate and analyze through the RS3 software the influence of the input geomechanical parameters (Young's Modulus, Poisson's Modulus, GSI, UCS, Rock Density and Excavation Depth) in the triggering of a rockburst in a deep, circular tunnel using the DISL approach proposed by Diederichs (2007), which uses the Hoek & Brown nonlinear generalized failure criterion and represents the brittle fragmentation behavior by modifying the peak and residual parameters. Specifically, the phenomenon of rockbursting is studied in-depth by developing different 3D models to determine which of the parameters under study influences the increase or decrease of the fault depth, and the estimated unstable volume. These factors are directly related to the magnitude of the event. For the sensitivity analysis, the results are compared using the empirical-analytical methods proposed by Martin et al., (1999) and Diederichs (2018), and they are also analyzed quantitatively regarding the percentage parameters. In addition, summary graphs are made where it can be clearly seen which parameters have the most influence on the increase in the magnitude of a rockburst, where the geomechanical parameters (UCS, GSI and Rock Density) stand out over the elastic parameters (Modulus of Young and Poisson). The results show that the "DISL" approach is better aligned with the method proposed by Diederichs (2018) when simulating brittle rupture. Additionally, the UCS is the input parameter that most affects the magnitude of a rockburst. above the rest presenting a percentage variation in the fault depth measurement of 69%. The GSI presents random measurements just like the Poisson's Modulus. Rock density also influences fault depth measurement. Nevertheless, it is less impactful. Finally, elastic parameters such as Poisson's Modulus and Young's Modulus are those that least influence the magnitude of a rockburst, presenting a variation of 9% and 0%, respectively.