Rock Excavation Handbook: 2.3 Clasificando la ripabilidad y perforabilidad.

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Mientras que la clasificación geológica de las rocas, que está basada en su origen, minerales y estructura, es útil para indicar ciertos parámetros de tenacidad y tendencias; da poca información al ingeniero responsable de una excavación. El ingeniero requiere una clasificación geomecánica funcional de las propiedades del macizo rocoso para usar en el diseño y como criterio de predicción.
Los siguientes métodos de ensayo para clasificar la ripabilidad y perforabilidad para predecir el rendimiento son válidos para la siguiente lista de herramientas de corte:
  1. Cortador de disco y cortadores tachonados de discos.
  2. Broca tricono (rotary tricone bits).
  3. Ripers (drag tools).
  4. Brocas de percusión (percussive drilling bits).

La cortabilidad (ripabilidad) y perforabilidad son, de forma sencilla, definidas como el factor de proporcionalidad entre el corte y la perforación neta, o la energía de corte/perforación específica.  La energía específica está estrechamente ligada al aparato o equipo de corte con el cual se realiza el ensayo. Otra forma de explicar la cortabilidad de la roca es como la resistencia a la identación de la herramienta para una unidad de profundidad de corte, en el caso del disco cortador es la fuerza normal Fn1, en el caso de percusión K1.

Hoy día se utilizan varios métodos para evaluar la cortabilidad y perforabilidad para la estimación de rendimientos. Estos métodos pueden ser divididos en los siguientes grupos:

    1. Datos históricos de rendimiento (generalmente corte o penetración netas) para equipos de corte y perforación (y sus herramientas de corte) obtenidos en formaciones “standard” de roca, de los que se pueden deducir (extrapolando) los rendimientos en otras formaciones rocosas. Los tipos standard de rocas son: Barre Granite de Vermont, USA; Dresser Basalt de Wisconsin, USA; Myllypuro Granodiorite de Tampere, Finlandia.
    2. Datos históricos de rendimiento incluyendo los niveles de energía utilizados. En este caso se trata de co-relacionar la energía específica de corte con las propiedades mecánicas de las rocas “standard”. Las propiedades (de la roca) más usadas son: Esfuerzo uniaxial de compresión (UCS); Ensayo brasileño de resistencia a tracción (BTS) y Indice de carga puntual (Is).
    3. Stamps tests: basados en cargas de impacto y machaqueo de un sólido confinado y granulado de roca intacta. El test representa la energía necesaria para romper un volumen determinado de roca. Los más comunes son: Drilling Rate Index (DRI), Protodyakonov Rock Hardness (f) y Rock Impact Hardness Number (RIHN). Los modelos de predicción de rendimiento basados en los índices de cortabilidad/perforabilidad a menudo incluyen el efecto de la porosidad o de las discontinuidades de la roca en forma de factores de corrección, basados en datos obtenidos en experimentos de campo.
    4. Test lineal de laboratorio para cortador de disco y cuchilla: para evaluar la cortabilidad de la roca. Además, la predicción de la carga del cortador de disco (fuerza normal) como una función de la profundidad de corte en muestras no fracturadas se puede hacer usando modelos analíticos, combinando los tests lineales con los diseños dejados por los cortadores. Ver capítulo 3.7.
    5. Simulación numérica de elementos finitos y flujo de partículas. El cortador de disco causa macro-fracturas que se inician en el borde de la herramienta y que se propagan a ambos lados y hacia adelante en trayectorias curvas. Los resultados preliminares indican que una fuerza cortante pequeña de aproximadamente 1/10 de la fuerza normal modifica significativamente las tensiones de la roca en la proximidad del recorrido de la herramienta de corte. “More importantly, in kerf cutting, tensile stresses may develop from the adjacent kerf; hence it is possible for macro-fracture propagation to occur from an adjacent kerf as well as from the kerf currently being cut”. N.d.T: Esto anterior es para nota.
    6. Análisis y simulación de propagación de ondas de tensión combinadas con los tests de identación del útil (valores estáticos y dinámicos de k1) que incorpora  el carácter dinámico de la carga de la roca y la identación encontrada en la peforación por percusión. Un ejemplo de éste método es el programa CASE desarrollado por Sandvick Minning and Construction.

 

CORTE POR IDENTACIÓN. 

    Cuando la deformación elástica produce el fallo, el material pierde la cohesión por el desarrollo de fracturas a traves del mismo. Este tipo de comportamiento se denomina frágil y es el que marca el desarrollo de fallas, juntas y macro-fracturas. El comportamiento dúctil, en contraste, produce una tensión constante que exhibe variaciones muy finas a través de la roca deformada sin marcadas discontinuidades. La mayoria de las rocas son capaces de exhibir comportamientos frágiles o dúctiles dependiendo de factores como la forma de las tensiones diferenciales, la presión de confinamiento, la temperatura, la velocidad de deformación y la presencia de presión por líquidos ocluidos. El fallo por fragilidad es típico de rocas confinadas a baja presión y temperatura. La presión de los líquidos ocluidos tiene el efecto de reducir el esfuerzo cortante necesario para el resbalamiento entre capas, ya que la presión directa entre los granos adyacentes causada por la presión de confinamiento es contrarestada por el efecto de la presión del líquido ocluido en los poros.
    La mayoría de las herramientas rompen la roca por identación de la superficie. El aplastamiento, propagación de macro-fracturas y la formación de la laja ocurre en la herramienta de corte cuando se aplica una carga, pero la secuencia y la cantidad de cada una no está excesivamente estudiada.
    Así, los parámetros que controlan la cortabilidad de la roca o la resistencia a la identación de la herramienta no pueden ser fácilmente relacionados a una propiedad sencilla de la misma. El proceso de identación (Figura 2.3.-1) es una combinación de los siguientes modos de fallo:
  • Identación inicial de la superficie de la roca por aplastamiento y compactación del material bajo la punta de la herramienta.
  • Desarrollo de macrofracturas que resultan en la formación de una laja, desprendimiento de la misma y relajación de la tensión.
  • Es necesario pasar la herramienta varias veces si el desprendimiento de la laja no se produce.
  • La formación de la laja es necesaria para evitar el re-corte y la re-compactación de material ya roto y que se encuentra en la trayectoria de la herramienta.

El corte o perforación de la roca es por lo tanto el arte de maximizar la formación de lajas y la remoción del material lajado o pulverizado. No lo es el desarrollo masivo de patrones de macrofractura bajo la herramienta. La influencia de las discontinuidades de la roca en la cortabilidad se produce generalmente a una escala mucho mayor que el tamaño de la herramienta en cuestión. Esto influye cuando hay muchas herramientas de corte simultáneamente trabajando (como en una TBM p.ej).

identacion

EVALUACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN PARA LA CORTABILIDAD Y PERFORABILIDAD DE LA ROCA.

El DRI o Drilling Rate Index, desarrollado por R.Lien en 1961, es una combinación del valor de fragilidad de la roca S20 y el test de perforación en miniatura Sievers (SJ).  El  test SJ es una medida indirecta de la resistencia a la identación de la herramienta (dureza de la superficie); el valor S20 de la fragilidad es también una medida indirecta, en este caso de la resistencia a la fractura y aplastamiento. S20 se determina mediante el Swedish Stamp Test (Figura 2.3.-2).

stamptest

El agregado de roca (en granos) es situado en un mortero y aplastado 20 veces con un martillo de 14 kilos. El volúmen total del mortero se corresponde con el de un agregado de 0.5 kilos con una densidad de 2.65 toneladas/metro cúbico en la fracción de 11.2 a 16.0 mm.
S20 es igual al porcentaje de material fino que pasa a través de una malla de 11.2 mm después del test. El valor de S20 se calcula a partir de la media de tres o cuatro ensayos de este tipo.
El segundo parámetro del DRI es el valor del ensayo SJ. El valor de SJ se obtiene por un ensayo de perforación en miniatura (Figura 2.3.-3). La profundidad del agujero en la muestra de roca se mide después de 200 revoluciones en décimas de milímetro. Se utiliza en valor medio de 4 a 8 ensayos.
La orientación de la muestra de roca puede tener repercusiones en el resultado. Es por esto que para el ensayo SJ se taladran agujeros paralelos a la foliación de la misma. En rocas graníticas de grano grueso hay que tener cuidado de hacer un número representativo de perforaciones en diferentes direcciones y tipos de grano de mineral. EL valor DRI se determina por el diagrama mostrado en la Figura 2.3.-4. El DRI puede ser visto además como el valor de fragilidad corregido para el  test SJ.

tests

Una escala cualitativa de perforabilidad según el DRI es la que se muestra en la Tabla 2.3.-1. Presenta los valores tipicos de DRI para varias rocas y se usa como una estimación general del DRI. Cuando es necesaria precisión no sirve usar la tabla, sino que es necesario hacer los ensayos S20 y SJ.

N.d.T: El valor 21 DRI nos dice que la roca es muy resistente, todo lo contrario que el valor de DRI 114. Pero repito, no deja de ser una tabla muestra. Para tener precisión es necesario un laboratorio y llevar a cabo los ensayos.

En la siguiente tabla sí que podemos ver el rango de valores DRI para algunas rocas conocidas, obtenidos a partir de ensayos en laboratorio sobre muestras de las mismas.

dri

Se ha establecido una relación entre el esfuerzo de compresión uniaxial (UCS) y el DRI para 80 ensayos paralelos (Figura 2.3.-5) agrupando los valores dispersos de acuerdo con el tipo de roca. Las curvas envolventes muestran que cuando se usa para clasificar el UCS se tiene que tener en cuenta lo siguiente:

  • La cortabilidad de rocas foliadas y esquistosas (anisotrópicas) como la filita, micaesquisto, micagneis y esquisto verde tienden generalmente a ser subestimada.
  • La cortabilidad de rocas duras y frágiles como la cuarcita tiende a ser sobre-estimada.

dri and ucs

En los modelos de predicción de rendimiento basados en la cortabilidad UCS, normalmente se utilizan factores de corrección según el tipo de roca. EL valor SJ representa el valor de la dureza superficial de la roca.
En la Figura 2.3.-6 se muestra una útil relación entre SJ y el VHNR (Vickers Hardness Number Rock) usada para determinar el grado de desgaste de la roca. Los valores típicos del VHNR se muestran en la Tabla 2.4.-2. El valor S20 representa la fragilidad, que comprende el tamaño de grano  y la fuerza de unión entre granos. Desafortunadamente, la porosidad de la roca tiene muy poco efecto en este valor de fragilidad. Trabajos de campo llevados a cabo en basaltos vesiculares indican que entre el 3-12% de porosidad tiene un considerable efecto en la fuerza normal crítica Fn1 y en los ratios de penetración netos para las TBMs, además del grado de fragmentación de la roca en una voladura.
El factor de fragilidad S20, cuando se combina con el stamped rock specimen flakiness value f, se usa frecuentemente para evaluar la viabilidad de la voladura en construcción de carreteras y autovías, desde el punto de vista de la producción de árido para hormigones y asfaltos.
vnhr
Una escala comparativa para la resistencia a la rotura es el test desarrollado por M.M.Protodyakonov Sr. en 1926, que denominó stamp test and rock hardness ratio f. Esta escala (f) se utiliza en Rusia para evaluar la perforabilidad y volabilidad (blastability). Protodyakonov estableció una relación entre su escala relativa de dureza y el UCS:
f = 0.1 x UCS
Desafortunadamente, la escala de dureza de Protodyakonov (Tabla 2.3.-2) no diferencia entre durezas de roca más allá de los 200 Mpa.
proto
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