Propiedades dinámicas de mineral ROM y desmonte de mina para análisis de respuesta sísmica de instalaciones mineras

Abstract

Hoy en día, el análisis sísmico y el diseño geotécnico de instalaciones mineras, como depósitos de desmonte de mina y pads de lixiviación ubicadas usualmente en zonas altamente sísmicas, requieren una adecuada caracterización de las propiedades dinámicas de los materiales que se almacenarán en ellas, tales como el desmonte de mina y mineral ROM (run-of-mine) o mineral directo de mina sin proceso de chancado, esto con el fin de evaluar la estabilidad sísmica de estas estructuras. Sin embargo, a pesar de la importancia del diseño sísmico de estas instalaciones, actualmente las referencias sobre las propiedades dinámicas de estos materiales son muy limitadas o inexistentes debido a la falta de investigación y ensayos de laboratorio sobre estos materiales. El módulo de corte y la razón de amortiguamiento son dos de los parámetros dinámicos del suelo más importantes en el análisis de respuesta sísmica de estructuras geotécnicas; además, muchos autores coinciden en que estas propiedades son no lineales y dependen de la deformación cortante. Por lo tanto, las curvas de degradación del módulo de corte normalizado y el incremento de la razón de amortiguamiento con la deformación cortante se usan comúnmente para modelar estas características. Este estudio presenta los resultados de ensayos de laboratorio que muestran la dependencia de la deformación cortante sobre las propiedades dinámicas de materiales de desmonte de mina y mineral ROM obtenido de operaciones mineras peruanas actuales. Las muestras de desmonte de mina y mineral ROM fueron reconstituidas en laboratorio empleando la técnica de gradación paralela u homotética. Los materiales fueron ensayados en los laboratorios geotécnicos de la Universidad de Texas en Austin utilizando el ensayo de columna resonante y corte torsional (RCTS), así como el ensayo triaxial cíclico, obteniéndose la degradación del módulo de corte y la razón de amortiguamiento en función de la deformación cortante. A partir de los resultados de los ensayos de laboratorio realizados sobre las muestras desmonte de mina y mineral ROM, así como análisis de regresión estadística y los modelos propuestos por Darendeli (2001)(11) y Zhang et al. (2005)(66), la presente investigación propone modelos analíticos para la representación de las propiedades dinámicas a bajos y altos niveles de deformación cortante, los cuales podrán usarse en análisis preliminares de respuesta sísmica de depósitos de desmonte de mina y pilas de lixiviación. Finalmente se presenta la ejecución de análisis de respuesta sísmica no lineal en columnas de 50 y 100 m de altura, utilizando los registros sísmicos de los terremotos de Atico, Tarapacá, Chichi y Kobe, con la finalidad de comparar los espectros de respuesta obtenidos utilizando las propiedades dinámicas propuestas en la presente investigación para mineral ROM y desmonte de mina y las curvas propuestas Darendeli (2001)(11) y Menq (2003)(43), observándose las mayores diferencias en los espectros de respuesta para el terremoto de Kobe en las columnas de 50 y 100 m de altura. Darendeli (2001)(11) and Menq (2003)(43) curves; the comparison shows the biggest differences for the Kobe’s response spectrum in the 50 and 100 m height columns.

Nowadays, seismic analysis and geotechnical design of mining facilities, such as mine waste dumps and heap leach pads, located at highly active seismic zones, require a proper determination of the dynamic properties of the materials that will be stacked on them, such as mine waste and leached ROM ore, in order to assess the seismic stability of these facilities. However, in despite of the seismic design importance of those facilities, currently the references about dynamic properties of these materials are very limited or inexistent due to lack of research and laboratory testing on those materials. Shear modulus and damping ratio are two of the most important soil dynamic parameters in seismic response analysis of geotechnical structures, moreover, many authors agree that these properties are nonlinear and strain-dependent. Therefore, curves of normalized shear modulus degradation and increment of damping ratio with shear strain are commonly used to model these features. This study presents laboratory research of the strain-dependent dynamic properties of mine waste and leached ROM ore of current Peruvian mining operations. Mine waste and leached ROM ore samples were reconstituted in laboratory using the parallel or homothetic gradation technique. The materials were evaluated at the University of Texas at Austin using a combined resonant column and torsional shear (RCTS) and cyclic-triaxial equipment, getting the normalized shear modulus and damping ratio as a function of the shear strain amplitude were obtained. Based on the laboratory investigation on mine waste and leached ROM ore, statistical regression analysis and the hyperbolic model proposed by Darendeli (2001)(11) and the model proposed by Zhang et al. (2005)(66); this research proposes normalized shear modulus and damping ratio curves of mine waste and leached ROM ore materials, which can be used in preliminary seismic response analysis of mine waste dumps and heap leach pads Darendeli (2001)(11) and Menq (2003)(43) curves; the comparison shows the biggest differences for the Kobe’s response spectrum in the 50 and 100 m height columns. Finally, seismic response analysis in two columns of 50 and 100 m height is presented, using Atico, Tarapaca, Chichi and Kobe seismic records, with the purpose of comparison the response spectrum obtained using the dynamic properties proposed in this research for leach ore ROM and mine waste, and Darendeli (2001)(11) and Menq (2003)(43) curves; the comparison shows the biggest differences for the Kobe’s response spectrum in the 50 and 100 m height columns.