3D-BlockExpert: Cuantificación de masas de piedra sin fracturas

Una producción rentable de piedra natural depende principalmente del número efectivo de bloques extraídos de un tamaño predefinido. La regularidad y el volumen de los bloques tienen una importancia crítica. La optimización del tamaño del bloque definido es por tanto la tarea económica más importante en lo que a extracción de bloques de piedra para construcción se refiere. Este problema está principalmente conectado a la cuantificación de las juntas y fracturas, esto es, su espaciado y orientación, ya que estos elementos tectónicos afectan a la fragmentación de un depósito generando varios bloques, no necesariamente de forma cúbica. El problema de la detección bloques sin fracturas dentro de unos planos distribuidos y orientados de forma arbitraria sólo se puede resolver mediante un análisis numérico. En este artículo presentamos una breve descripción de un nuevo programa informático basado en algoritmos numéricos. El programa determina la distribución, las formas y los volúmenes de los bloques in situ. La cuantificación de los bloques está ilustrada con varios modelos de ejemplos y detallados estudios de las canteras, que ayudan a demostrar que la aplicación de este programa informático puede ser una poderosa herramienta para el futuro en la explotación de la piedra ornamental.

1.- Introducción

Recientemente, la demanda de piedra natural de diferentes tipos (granito, caliza, arenisca, etc.) está creciendo muy deprisa. La elaboración efectiva de bloques con dimensiones predefinidas requiere la aplicación de técnicas de extracción de tecnología punta. Además, las consideraciones ecológicas también juegan un papel importante durante el proceso de extracción. Por lo tanto, los factores que hacen aumentar la rentabilidad de una cantera de piedras dimensionales son la optimación del tamaño de los bloques y el enfoque en la alta calidad de los materiales, así como evitar la creación de desechos innecesarios. El conocimiento de la situación geológica de un depósito en lo que se refiere a juntas o fracturas es esencial para asegurar la extracción económica de los bloques de la cantera. En la exploración deberían incluirse estudios detallados del inventario tectónico de una cantera (juntas, fracturas, fallos), así como el proceso de extracción para asegurar el aprovechamiento óptimo del material. En este contexto resultan esenciales los volúmenes, la geometría y la distribución de los bloques previstos. El programa informático desarrollado en este estudio permite el modelado en tres dimensiones de la fragmentación de un depósito, basado en la investigación de elementos tectónicos, ángulos y direcciones. El problema del modelo de fractura ortogonal fue tratado por Weber et al. (2001-2002). Informes más recientes (Koch-Moeck et al. 2007, Prissang et al., 2007) también lo han tratado. Determinar los volúmenes de fallos y fracturas de manera eficiente es algo que sólo se puede hacer mediante análisis numéricos.

2.- Consideraciones geológicas y económicas

La existencia de bloques individuales que constituyen el volumen total de un depósito de piedra dimensional, se basa en la intersección de diferentes sistemas de uniones o fracturas en todas las escalas. Tanto la orientación como las distancias respectivas tienen una significativa influencia en la forma y volumen de bloques primarios. Las génesis de los sistemas de uniones y fracturas pueden ser multifacéticas y estar trazadas desde los procesos orogénicos y epirogénicos, así como la reducción ocasionada por enfriamiento o desecación. La existencia de fracturas y juntas está fuertemente asociada a las condiciones termales y de presión, a la profundidad y a las propiedades mecánicas de la roca. Las fracturas se forman por el exceso del límite de elasticidad de las rocas (Palmström, 1995). Además, en el caso de rocas sedimentarias y mármoles, las uniones se pueden originar desde el nivel de las bancadas en base a un cambio de material. Las discontinuidades de origen epirogénico surgen de los procesos de expansión, que están conectados con la sustentación regional de las formaciones rocosas y por lo tanto asociados a la salida de presión. A escala local se pueden observar efectos comparables en el proceso de extracción en un depósito, debido a la eliminación de sobrecarga. Los diferentes tipos de discontinuidades se pueden clasificar en los siguientes grupos, basados en sus tamaños volumétricos y sus génesis: fallos, uniones, separaciones, roturas, fisuras y planos de bancadas (Palmström, 1995). La recopilación de datos se basa en diferentes métodos, adaptados a la situación individual de cada cantera. Para más detalles sobre análisis de discontinuidad ver Hoffmann & Siegesmund (2007), Smith (1999) o Priest (1993). Los respectivos volúmenes y las formas de los bloques in situ están controlados por tres patrones dimensionales de las discontinuidades. En general, distancias más amplias se traducen en bloques de mayor tamaño, si la orientación de las discontinuidades no diverge de manera decisiva de la ortogonalidad. Si sólo uno o más parámetros, distancias o ángulos varían intensamente, el campo de aplicación del material extraído puede ser limitado a elementos de bajo valor, como gravilla o adoquines (ver Smith 1999). En el caso de rocas sedimentarias, las posibles dimensiones de los bloques están definidas principalmente por el grosor de la capa primaria. En contraste a esto, el elemento a controlar en el caso de canteras de materiales graníticos es la distribución espacial de las juntas. Cuando las condiciones geológicas o tectónicas se traducen en bloques grandes o salientes, como esos bloques deben ser redimensionados para proceder a la su procesado de acuerdo a los requerimientos de las modernas tecnologías de corte, aumenta el coste y el tiempo necesarios para su elaboración. Singewald (1992) destaca que el porcentaje de material que se pierde con la formación y corte de los bloques disminuye con el aumento del volumen del material Las condiciones óptimas se dan cuando el volumen de los bloques está entre 6 y 8 m3 (Primavori, 1999). La dimensión máxima de los bloques viene definida por el peso de cada bloque en términos de transporte y manipulado durante el procesado. Además, la forma de los bloques tiene un efecto significativo sobre el proceso de acabado en cuanto al tamaño de las tablas. El control de la textura también tiene que realizarse durante la extracción de los bloques para asegurar la calidad del efecto deseado. Para resumir, la eficiencia económica de un depósito está controlada sobre todo por la orientación del sistema de juntas y fracturas y su distribución espacial. Por lo tanto es esencial tener datos exactos, tanto para la exploración de nuevos depósitos como para el control del funcionamiento de las canteras activas.