INTRODUCCIÓN El sostenimiento de las labores subterráneas es una tarea de grandes proporciones y de gran complejidad, donde el fin principal es garantizar la seguridad y la eficiencia de los métodos de explotación empleados. Una de las condiciones necesarias para que el sostenimiento se realice eficientemente luego de realizada una excavación, es la correcta indagación y evaluación estructural del macizo rocoso, conocer la roca permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y el momento en que éste debe ser instalado. En masas rocosas masivas o levemente fracturadas con excavaciones bien perfiladas, habrá una mínima necesidad de sostenimiento. En masas rocosas fracturadas o estratificadas con excavaciones bien perfiladas, habrá un incremento en la necesidad de sostenimiento. En masas rocosas intensamente fracturadas y débiles o en zonas de falla o de corte, definitivamente habrá necesidad de planear cuidadosamente el sostenimiento. En condiciones de altos esfuerzos, los cuales inducen fallas en la masa rocosa de las excavaciones, será esencial plantear estrategias especiales de sostenimiento. Por otro lado, se deberá también tener en cuenta que los requerimientos de sostenimiento de aberturas mineras permanentes como estaciones de piques, rampas, galerías de nivel y otros, son más conservadores que el sostenimiento de una abertura minera normal como típicamente son los tajeos, desde que la seguridad del personal de la mina y de los equipos es de primera consideración en las aberturas permanentes. El sostenimiento en este caso deberá proveer accesos seguros para toda la vida de la mina.
SOSTENIMIENTO DE LABORES MINERAS I.
SOSTENIMIENTO Se entiende por sostenimiento al conjunto de procedimientos que permiten mantener las cavidades que se forman como resultado de la explotación de los recursos minerales. minerales. En toda explotación minera, el sostenimiento de las labores es un trabajo adicional de alto costo que reduce la velocidad de avance y/o producción pero que a la vez es un proceso esencial para proteger de accidentes al personal, al equipo y a las instalaciones. Por lo tanto, el sostenimiento será simultáneamente:
Lo suficientemente sólido para resistir la caída de rocas.
Suficientemente flexible para no ceder en cuanto se manifieste los primeros efectos de convergencia.
II.
OBJETIVOS: 2.1.
General Establecer las herramientas mínimas necesarias para el control estructural del macizo rocoso en las operaciones mineras subterráneas, con la finalidad de brindar seguridad a los trabajadores y proteger los equipos e instalaciones.
2.2.
Específicos: - El sostenimiento o fortificación tiene por objeto mantener abiertas las labores durante la explotación, compensando la "condición inestable" de la masa de roca que soporta. - Reforzar el macizo rocoso, disminuyendo el fracturamiento de la roca. - Mantener los bloques dentro del macizo rocoso, controlando el desplazamiento de los
bloques. Mediante el sostenimiento vamos a restablecer el equilibrio del macizo rocoso con la finalidad de garantizar la estabilidad del mismo mediante:
Refuerzo
(Empernado)
Revestimiento
(Shotcrete – concreto lanzado)
Soporte
(Madera)
Relleno
(Relleno)
III. REFERENCIAS LEGALES Y OTRAS NORMAS - D.S. 055-2010-EM “Reglamento de Seguridad y Salud Ocupacional y otras medidas complementarias en Minería”, título cuar to, to, capítulo I, subcapítulo uno: Ingeniería de la masa
rocosa, subcapítulo dos: Sostenimiento. - OHSAS 18001, aparatado 4.4.6 Controles operacionales.
IV. SISTEMAS DE SOSTENIMIENTO Usualmente se denomina soporte de rocas a los procedimientos y materiales utilizados para mejorar la estabilidad y mantener la capacidad de resistir las cargas que producen las rocas cerca al perímetro de la excavación subterránea. Se puede clasificar a los diversos sistemas en dos grandes grupos: - Los de apoyo activo; que viene a ser el refuerzo de la roca donde los elementos de
sostenimiento son una parte integral de la masa rocosa.
- Los de apoyo pasivo; donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y
dependen del movimiento interno de la roca que está en contacto con el perímetro excavado.
4.1.
Tipos de sostenimiento (materiales usados en sostenimiento) 4.1.1.
Pernos de roca Los sistemas de reforzamiento con pernos de roca minimizan las deformaciones inducidas por el peso muerto de la roca aflojada, así como también aquellas inducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca circundante a la excavación. En general, el principio de su funcionamiento es estabilizar los bloques rocosos y/o las deformaciones de la superficie de la excavación, restringiendo los desplazamientos relativos de los bloques de roca adyacentes. En roca masiva o levemente fracturada y en rocas fracturadas, el papel principal de los pernos de roca es el control de la estabilidad de los bloques y cuñas rocosas potencialmente inestables. Esto es lo que se llama también el “efecto cuña”.
Efecto cuña
En roca estratificada sub-horizontal y roca no estratificada con un sistema dominante de discontinuidades subhorizontales, los pernos ayudan a resistir el desplazamiento relativo entre los estratos, aumentando la rigidez de la viga estructural que forman y creando ligazón entre los bloques tabulares, para minimizar la deflexión del techo. Esto es lo que se llama también el “efecto viga”.
Este concepto puede ser extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades subverticales, generando el denominado “efecto columna”, para
minimizar el pandeo de los bloques tabulares.
Efecto viga
Efecto columna
En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma radial, cada perno crea un bulbo de resistencia, el cual al interactuar con los bulbos de los pernos adyacentes forman un arco rocoso portante que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el mismo que da estabilidad a la excavación.
Efecto arco
4.1.2.
Tipos de pernos Actualmente hay disponibles diferentes tipos de pernos de roca. Varios tipos de pernos muestran solo diferencias menores en su diseño y son básicamente variedades de un mismo concepto. Según las técnicas de anclaje que se utilizan, podemos agruparlos de la siguiente manera:
a. Pernos de anclaje mecánico Un perno de anclaje mecánico, consiste en una varilla de acero usualmente de 16 mm de diámetro, dotado en su extremo de un anclaje mecánico de expansión que va al fondo del taladro. Su extremo opuesto puede ser de cabeza forjada o con rosca, en donde va una placa de base que es plana o cóncava y una tuerca, para presionar la roca. Siempre y cuando la varilla no tenga cabeza forjada, se pueden usar varios tipos de placas de acuerdo a las necesidades de instalación requeridas.
b. Pernos de varilla cementados o con resina Consiste en una varilla de fierro o acero, con un extremo biselado, que es confinado dentro del taladro por medio de cemento (en cartuchos o inyectados), resina (en cartuchos) o resina y cemento. El anclaje entre la varilla y la roca es proporcionado a lo largo de la longitud completa del elemento de refuerzo, por tres mecanismos: adhesión química, fricción y fijación, siendo los dos últimos mecanismos los de mayor importancia, puesto que la eficacia de estos pernos está en función de la adherencia entre el fierro y la roca proporcionada por el cementante, que a su vez cumple una función de protección contra la corrosión, aumentando la vida útil del perno. De acuerdo a esta función, en presencia de agua, particularmente en agua ácida, el agente cementante recomendado será la resina, en condiciones de ausencia de agua será el cemento. Dentro de este tipo de pernos, los de mayor utilización en el país son: la varilla de fierro corrugado, generalmente de 20 mm de diámetro y la barra helicoidal de 22 mm de diámetro, con longitudes variables (de 5' a 12'). La primera es ya un tipo de perno convencional en nuestro medio, la segunda es de reciente
introducción en la industria minera. La barra helicoidal, tiene la forma de una rosca continua a lo largo de toda su longitud, esta característica le da múltiples ventajas comparada a la anterior. Entre otros, su mayor diámetro le confiere mayor resistencia y su rosca constante permite el reajuste de la placa contra la pared rocosa. La capacidad de anclaje de las varillas de fierro corrugado es del orden de 12 TM, mientras que de las barras helicoidales superan las 18 TM.
c. Split sets El split set, consiste de un tubo ranurado a lo largo de su longitud, uno de los extremos es ahusado y el otro lleva un anillo soldado para mantener la platina. Al ser introducido el perno a presión dentro de un taladro de menor diámetro, se genera una presión radial a lo largo de toda su longitud contra las paredes del taladro, cerrando parcialmente la ranura durante este proceso. La fricción en el contacto con la superficie del taladro y la superficie externa del tubo ranurado
constituye el anclaje, el cual se opondrá al movimiento o separación de la roca circundante al perno, logrando así indirectamente una tensión de carga.
Mecanismo de anclaje del SPLIT SET
El diámetro de los tubos ranurados varía de 35 a 46 mm, con longitudes de 5 a 12 pies. Pueden alcanzar valores de anclaje de 1 a 1.5 toneladas por pie de longitud del perno, dependiendo principalmente del diámetro de la perforación efectuada, la longitud de la zona del anclaje y el tipo de la roca.
d. Swellex También es un perno de anclaje por fricción, pero en este caso la resistencia friccional al deslizamiento se combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de anclaje es por fricción y por ajuste mecánico, el cual funciona como un anclaje repartido. El perno swellex está formado por un tubo de diámetro original de 41 mm y puede tener de 0.6 a 12 m de longitud o más (en piezas conectables), el cual es plegado durante su fabricación para crear una unidad de 25 a 28 mm de diámetro. Éste es insertado en un taladro de 32 a 39 mm de diámetro. No se requiere ninguna fuerza de empuje durante su inserción. La varilla es activada
por inyección de agua a alta presión (aproximadamente 30 MPa ó 300 bar) al interior del tubo plegado, el cual infla al mismo y lo pone en contacto con las paredes del taladro, adaptándose a las irregularidades de la superficie del taladro, así se consigue el anclaje.
Una vez expandido el tubo, se genera una tensión de contacto entre el tubo y la pared del taladro, produciendo dos tipos de fuerzas: una presión o fuerza radial perpendicular a su eje y una fuerza de rozamiento estático, en toda su longitud, cuya magnitud depende de la estructura de la roca y de la dimensión del taladro.
Mecanismo de anclaje del SWELLEX
.
4.1.3.
Cables Los cables son elementos de reforzamiento, hechos normalmente de alambres de acero trenzados, los cuales son fijados con cemento dentro del taladro en la masa rocosa. El cable comúnmente usado es el denominado “trenzado simple”
conformado por 7 alambres, que en conjunto tienen 5/8” de diámetro, con una
capacidad de anclaje de 25 Ton. Pueden ser usados en cualquier longitud, en el rango de 5 a 30 m, ya sea en la modalidad de cable simple o doble. Desde luego hay una gran variedad de cables, destacando en la industria minera aparte del indicado, los cables destrenzados y los cables bulbados, para mejorar la adherencia del cable con el cemento.
4.1.4.
Malla metálica La malla metálica principalmente es utilizada para los siguientes tres fines: primero, para prevenir la caída de rocas ubicadas entre los pernos de roca, actuando en este caso como sostenimiento de la superficie de la roca; segundo, para retener los trozos de roca caída desde la superficie ubicada entre los pernos, actuando en este
caso como un elemento de seguridad; y tercero, como refuerzo del shotcrete. Existen dos tipos de mallas: la malla eslabonada y la malla electrosoldada. La malla eslabonada o denominada también malla tejida, consiste de un tejido de alambres, generalmente de # 12/10, con cocadas de 2”x2” ó 4”x4”, construida en material de acero negro que puede ser galvanizada para protegerla de la corrosión. Por la forma del tejido es bastante flexible y resistente. Esta malla no se presta para servir de refuerzo al concreto lanzado, por la dificultad que hay en hacer pasar el concreto por las mallas, no recomendándose para este uso.
La malla electrosoldada consiste en una cuadrícula de alambres soldados en sus intersecciones, generalmente de # 10/08, con cocadas de 4”x4”, construidas en
material de acero negro que pueden ser galvanizada. Esta malla es recomendada para su uso como refuerzo del concreto lanzado (shotcrete). La malla viene en rollos o en planchas. Los rollos tienen 25 m de longitud x 2.0 m de ancho y las planchas usualmente tienen 3.0 m de longitud x 2.0 m de ancho.
4.1.5.
Cintas de acero (straps) Estos elementos de sostenimiento usualmente tienen 1.8 m de longitud, 10 cm de ancho y 4 mm de espesor, están provistas de agujeros de 39 mm x 65 mm, para permitir pasar por ellos los pernos de roca a fin de fijarlos sobre la superficie de la roca.
A diferencia de la malla metálica, que es utilizada cuando la roca ubicada entre los pernos presenta bloques pequeños, las cintas son utilizadas típicamente cuando la roca circundante a la excavación presenta bloques medianos a grandes. La rigidez de la cinta es un aspecto crítico, especialmente en excavaciones de formas irregulares, si la cinta es demasiado rígida, no es fácil adaptarla a la superficie rocosa irregular y por consiguiente no proporciona el sostenimiento requerido, debiendo considerarse en esta situación el uso de cintas más delgadas para moldearlas mejor a la superficie irregular de la roca.
4.1.6.
Concreto lanzado (Shotcrete) Concreto lanzado (shotcrete) es el nombre genérico del concreto cuyos materiales componentes son: cemento, agregados, agua, aditivos y elementos de refuerzo, los cuales son aplicados neumáticamente y compactados dinámicamente a alta velocidad sobre una superficie. La tecnología del shotcrete comprende los procesos de mezcla seca y de mezcla húmeda. En el proceso de mezcla seca, los componentes del shotcrete seco o ligeramente pre-humedecidos, son alimentados a una tolva con agitación continua. El aire comprimido es introducido a través de un tambor giratorio o caja de alimentación para transportar los materiales en un flujo continuo hacia la manguera de suministro. El agua es adicionado a la mezcla en la boquilla.
En el proceso de mezcla húmeda, los componentes del shotcrete y el agua son mezclados antes de la entrega a una unidad de bombeo de desplazamiento positivo, la cual luego suministra la mezcla hidráulicamente hacia la boquilla, donde es añadido el aire para proyectar el material sobre la superficie rocosa.
Posiciones correctas de lanzado
a. Materiales componentes del shotcrete y sus proporciones en la mezcal El cemento que se utiliza normalmente es el Pórtland Estándar Tipo I……………………………………………….
…………………………………
4.1.7.
Cimbras metálicas Este típico sostenimiento pasivo o soporte es utilizado generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance, en condiciones de masa rocosa intensamente fracturada y/o muy débil, que le confieren calidad mala a muy mala, sometida a condiciones de altos esfuerzos. Para lograr un control efectivo de la estabilidad en tales condiciones de terreno, las cimbras son utilizadas debido a su excelente resistencia mecánica y sus propiedades de deformación, lo cual contrarresta el cierre de la excavación y evita su ruptura prematura. La ventaja es que este sistema continúa proporcionando soporte después que hayan ocurrido deformaciones importantes. Las cimbras son construidas con perfiles de acero, según los requerimientos de la forma de la sección de la excavación, es decir, en forma de baúl, herradura o incluso circulares, siendo recomendable que éstos sean de alma llena. Hay dos tipos de cimbras, las denominadas “rígidas” y las“deslizantes o fluyentes”. Las primeras usan
comúnmente perfiles como la W, H, e I, conformadas por dos o tres segmentos que son unidos por platinas y pernos con tuerca. Las segundas usan perfiles como las V y Ù, conformadas usualmente por tres segmentos que se deslizan entre sí, sujetados y ajustados con uniones de tornillo.
Cimbras rígidas
Cimbras deslizantes
4.1.8.
Gatas Constituyen unidades de soporte mecánico de los techos de las excavaciones, que funcionan a manera de puntales, generalmente utilizadas en el minado de rocas suaves como es típicamente el minado por frentes largos en los yacimientos de carbón; sin embargo, en el minado en roca dura tienen algunas aplicaciones, por ejemplo, como elemento auxiliar antes de la instalación de los pernos de roca o para la instalación de la malla metálica y en el minado de vetas de buzamiento echado, tipo manto, para complementar el sostenimiento del techo con pilares naturales. Aisladamente se utilizan para soportar bloques o cuñas potencialmente inestables del techo de los tajeos. Las gatas usualmente utilizadas son las de “fricción” y las “hidráulicas o neumáticas”. Las primeras funcionan a manera de tubos telescópicos, fijándose los
tubos inferior y superior mediante mecanismos de cuñas o pines con la ayuda de un mecanismo expansor para el topeo al techo. Las segundas son elementos que tienen características de fluencia a una carga específica, la cual es complementada por un cilindro de soporte hidráulico o neumático equipado con válvulas de liberación de presión.
Las gatas o puntales que son utilizados como elemento auxiliar antes de la instalación de los pernos o para la instalación de la malla metálica, son elementos ligeros que tienen una capacidad de carga de 10 a 15 toneladas. Las gatas o puntales pesados para soporte de techos tienen una capacidad portante de 20 a 40 toneladas. Vienen en diferentes longitudes.
4.1.9.
Madera El sostenimiento con madera fue el símbolo del minado subterráneo hasta antes que se hayan desarrollado las nuevas tecnologías de sostenimiento. Actualmente el sostenimiento con madera tiene menor importancia frente a los avances que han habido en las técnicas de control de la estabilidad del terreno; sin embargo, tiene gran significancia histórica debido a que fue introducida hace varios siglos. En algunas minas peruanas la madera aún sigue siendo utilizada como elemento de sostenimiento, principalmente en el minado convencional de vetas. Su rol es proteger la excavación contra la caída de rocas, debido a la separación de la roca de los contornos de la misma o a lo largo de planos de debilidad, causados por la intemperización y fracturamiento del terreno debido a la voladura y otros factores. En la actualidad, la madera se utiliza por su adaptabilidad a todo tipo de terreno, por su versatilidad para soportar todo tipo de esfuerzo y por sus características de deformabilidad, lo cual permite detectar en forma temprana los desplazamientos hacia el interior de la excavación. En emergencias su uso como sostenimiento es muy valioso. Sus inconvenientes son: costo relativamente alto, elevado uso de mano de obra por el tiempo comparativamente largo de su instalación, limitada duración (puede descomponerse) y riesgo de fuego. Cuando se usa la madera como elemento de sostenimiento es importante tomar en cuenta que:
-
La madera seca dura más que la fresca o húmeda.
-
La madera sin corteza dura más que aquella que conserva la corteza.
-
La madera tratada o “curada” con productos químicos con la finalidad de evitar su descomposición, dura más que la no “curada”.
-
La madera en una zona bien ventilada dura más que en una zona húmeda y caliente.
Cuadro recto
Cuadro cónico
Cuadro cojo
4.1.10. Relleno 4.1.11. Otras técnicas de sostenimiento V.
CASO PRACTICO
