Rockburst proneness evaluation and borehole pressure relief technology for deep heterogeneous rock masses: A case study of Sanshandao Gold Mine

Resumen Técnico: Evaluación de la Propensión al Estallido de Rocas y Tecnología de Alivio de Presión por Perforación para Macizos Rocosos Heterogéneos Profundos

Planteamiento del Problema
Las operaciones mineras profundas enfrentan graves peligros de estallido de rocas (rockburst) impulsados por altos esfuerzos in situ. Un desafío crítico para mitigar estos peligros es la pronunciada heterogeneidad de los macizos rocosos profundos, caracterizados por composiciones minerales variables y juntas desarrolladas. Esta heterogeneidad provoca fluctuaciones significativas en la resistencia de la roca dentro de una misma área minera, lo que dificulta la calibración de las pruebas convencionales de carga-descarga debido a la incapacidad de determinar con precisión las cargas pico. Además, los métodos existentes de evaluación de estallido de rocas suelen depender de índices únicos o asumen propiedades rocosas homogéneas, fallando al no considerar la incertidumbre e inherente discreción de los macizos rocosos heterogéneos profundos. En consecuencia, existe una falta de marcos integrados que aborden la predicción de resistencia, la evaluación integral del riesgo y las tecnologías optimizadas de alivio de presión específicamente para condiciones heterogéneas profundas.

Metodología
Este estudio emplea un enfoque multifacético que combina la derivación teórica, pruebas de laboratorio, simulación numérica y monitoreo de campo, utilizando la Mina de Oro Sanshandao como caso de estudio.

1. Modelo de Predicción de Resistencia: Se desarrolló un modelo de ley de potencia con restricciones físicas para predecir la resistencia a la compresión uniaxial ($S$) utilizando parámetros no destructivos: densidad ($\rho$) y velocidad de la onda P ($v_p$). El modelo, expresado como $S = A(\rho v_p^2)^b$, fue calibrado contra 30 especímenes de roca heterogénea y validado mediante validación cruzada de dejar uno fuera (leave-one-out) y de cinco pliegues (five-fold). Este modelo se utilizó para determinar las cargas pico individualizadas para las subsiguientes pruebas de carga-descarga, evitando los errores asociados con el uso de una resistencia media de diseño.
2. Evaluación de Múltiples Parámetros: Se integraron seis índices de propensión al estallido de rocas: índice de energía de impacto ($W_{cf}$), coeficiente de fragilidad ($B$), índice de energía de deformación elástica ($W_{et}$), índice de fragilidad de deformación ($K_u$), índice de esfuerzo de terreno ($S$) e índice de esfuerzo tangencial ($T$). Se utilizó un método de ponderación combinada de teoría de juegos para fusionar pesos subjetivos (del Proceso de Jerarquía Analítica) y pesos objetivos (derivados de la entropía y la coeficiencia de variación para considerar la heterogeneidad). Estos índices ponderados fueron procesados a través de un modelo de nubes normal estándar para cuantificar la imprecisión y la aleatoriedad de la evaluación, generando un grado de certeza integral para los grados de estallido de rocas.
3. Simulación Numérica (PFC2D): Se estableció un modelo de Código de Flujo de Partículas en 2D (PFC2D) con un campo aleatorio de Weibull para simular la distribución de resistencia heterogénea del macizo rocoso de Sanshandao. Las simulaciones se realizaron para barrenos con cuatro diámetros (0.05 m, 0.10 m, 0.15 m y 0.20 m) bajo un esfuerzo hidrostático de 40 MPa. Se propuso una nueva métrica, el Índice de Eficiencia de Alivio de Presión y Estabilidad del Macizo Circundante (PRSEI, por sus siglas en inglés), para equilibrar el alivio de esfuerzo ($\eta_S$) frente al daño normalizado ($D_n$).
4. Verificación de Campo: Basándose en los resultados de la simulación, se realizó una prueba industrial en una labor minera utilizando barrenos de 0.10 m de diámetro con un espaciamiento de 1.0 m. Medidores de esfuerzo de alambre vibratorio en pernos de anclaje de resina monitorearon los cambios en la fuerza axial durante siete días para verificar la efectividad del alivio de esfuerzo.

Resultos Clave

• Predicción de Resistencia: El modelo de ley de potencia alcanzó una alta precisión de ajuste ($R^2 = 0.958$) y predijo con éxito las resistencias de especímenes individuales, permitiendo el diseño de pruebas de carga-descarga seguras y confiables. La validación cruzada confirmó la capacidad de generalización del modelo ($R^2 = 0.951$).
• Evaluación de Estallido de Rocas: La evaluación de múltiples índices utilizando el modelo de nubes y la ponderación de teoría de juegos indicó que el macizo rocoso profundo del área minera de Sanshandao posee una propensión al estallido de rocas de "moderada a fuerte". El puntaje de riesgo regional se calculó en 3.2. El análisis destacó que el índice de energía de impacto ($W_{cf}$) poseía el mayor peso combinado (0.318) debido a su alta discreción causada por la heterogeneidad.
• Optimización del Alivio de Presión: Las simulaciones de PFC2D revelaron una relación unimodal entre el diámetro del barreno y el PRSEI.
  • Los barrenos de 0.05 m proporcionaron un alivio insuficiente (PRSEI = 0.283).
  • Los barrenos de 0.15 m y 0.20 m causaron un sobrealivio y un daño excesivo, reduciendo la estabilidad (PRSEI = 0.173 y 0.000, respectivamente).
  • El barreno de 0.10 m alcanzó el PRSEI máximo de 0.466, creando una zona plástica críticamente conectada (radio = 0.50 m) sin comprometer la integridad de la roca.
• Verificación de Campo: El monitoreo de campo mostró una disminución monotónica en las fuerzas axiales de los pernos de anclaje (reduciéndose al 83.23%–86.97% de sus valores iniciales) durante siete días sin rebote. Aunque la magnitud de la reducción fue menor que el coeficiente de liberación de esfuerzo numérico debido a la rigidez del sistema y la ubicación de la medición, la tendencia confirmó la transferencia exitosa de esfuerzo y la liberación de la energía de deformación elástica.

Significancia y Reclamaciones
El artículo afirma proporcionar una base cuantitativa para la evaluación del estallido de rocas y la optimización del alivio de presión específicamente adaptada para macizos rocosos heterogéneos profundos. Sus principales contribuciones incluyen:

1. Pruebas Individualizadas: Establecer un modelo de predicción de resistencia no destructivo que resuelve el problema de la determinación de la carga pico para especímenes heterogéneos, asegurando la confiabilidad de las pruebas de carga-descarga.
2. Evaluación Consciente de la Heterogeneidad: Desarrollar un marco de evaluación de la propensión al estallido de rocas que incorpora explícitamente la heterogeneidad de la masa rocosa en el proceso de ponderación, los parámetros de nubes y los intervalos de incertidumbre, ofreciendo una evaluación más confiable que los métodos convencionales de índice único o de lógica difusa estándar.
3. Alivio de Presión Optimizado: Proponer la métrica PRSEI para cuantificar el compromiso entre el alivio de esfuerzo y la estabilidad de la roca, identificando el 0.10 m como el diámetro de barreno óptimo para las condiciones estudiadas.
4. Marco Integrado: Validar un sistema técnico completo que vincula la predicción de resistencia, la evaluación de riesgos y las medidas de control de ingeniería, verificado mediante simulación numérica y aplicación de campo en la Mina de Oro Sanshandao.

Los autores reconocen las limitaciones, señalando que los modelos fueron calibrados en un solo área minera y que la simulación 2D simplifica los estados de esfuerzo 3D. Sugieren que se requiere una validación adicional para la generalización a otras minas profundas y que es necesario un monitoreo a más largo plazo para capturar completamente los efectos de alivio de presión a largo plazo.