16

III. MARCO TEÓRICO

3.1 EL WINCHE DE IZAJE

3.1.1. Nociones Generales: Una instalación de extracción (Winche de Izaje)

sirve para la subida a la superficie de la sustancia útil, estéril, bajada y

subida del personal, equipos, madera y otros materiales. Una instalación de

extracción consta de una máquina de extracción, skips o jaulas, cables de

extracción y castillete.

Por lo general, la extracción del material útil se realiza en skips de carga y

descarga automáticas, mientras que la circulación del personal y las

operaciones auxiliares se aseguran mediante instalaciones con jaulas.

3.1.2 Clasificación de las instalaciones de extracción. Las instalaciones

de extracción se clasifican en:

1) Por el ángulo de inclinación del pozo, en: instalaciones verticales e

inclinadas;

2) Por el tipo de recipientes de extracción, en: instalaciones con tachos, con

jaulas no volcadoras y volcadoras, con skips y con recipientes

combinados (skips y jaulas).

3) Por el tipo del órgano de arrollamiento, en: instalaciones con velocidad de

izaje constante (de un tambor cilíndrico, de dos tambores cilíndricos, de

polea de fricción por sistema Koepe) e instalaciones con velocidad de

izaje variable (de tambores cónicos, de tambores bicilindrocónicos, de

bobinas)

17

4) Por el tipo de accionamiento, en: Instalación con motor de corriente

continua, según sistema Leonard, con Motor de corriente alterna.

Fig. N° 04. Clases de Instalaciones de extracción: Por Skips (izquierda), y

por Jaulas (derecha)

5) Por método de igualación, en: sistemas no equilibrados (de tamboras

cilíndricas sin cable inferior); de sistemas equilibrados estáticamente

(tamboras cilíndricas con cable inferior de igual peso al cable de

extracción) y sistemas equilibrados dinámicamente (tamboras cilíndricas

con cable inferior pesado, cuyo peso lineal es mayor que el del cable de

extracción).

Según su construcción los recipientes de extracción se dividen en cuatro

tipos: tachos, skips, jaulas y skips-jaulas. Los tachos constan de una cuba y

de estribo de suspensión. Comúnmente son auto descargables.

18

3.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE IZAJE

Dependiendo de las dimensiones y necesidades, una máquina de extracción

o Winche de Izaje tiene los siguientes componentes:

1. Jaula, baldes o skips;

2. Pozo o Pique

3. Cables

4. Poleas

5. Órgano de arrollamiento: Tambora(s) (una o dos)

6. Ejes, engranajes y acoplamientos

7. Motor Asíncrono;

8. Frenos, mecanismos de conducción y de seguridad

9. Estructura de desplazamiento o castillo

Estos mismos van a ser identificados progresivamente en el desarrollo del

presente desarrollo teórico, describiendo su geometría y sus principales

ecuaciones matemáticas gobernantes, tanto en su cálculo estructural como en

su desempeño operacional.

3.2.1. RECIPIENTES DE EXTRACCION

3.2.1.1 SKIPS

Actualmente es costumbre armar los pozos de gran producción con skips.

Los skips se dividen:

19

1) Según el tipo de pozo, en: skips para pozos verticales y skips para pozos

inclinados;

2) Según su descarga, en skips volcadores y skips con descarga en el fondo

Los skips con descarga por el fondo pueden ser con recipiente inmerso o con

inclinación de la parte inferior del mismo.

El peso de los skips, aproximadamente es igual al peso de la carga útil,

mientras que con extracción por jaulas, la carga útil constituye casi de 1/3 del

peso de la jaula cargada. Por esto, en extracción por skips disminuyen la

potencia del motor, el consumo de energía y el costo de la parte mecánica

de la instalación. El número de vagonetas en extracción por skips también se

reduce, ya que las vagonetas no suben a la superficie.

Fotografia Nº 01. Skips para transporte de Mineral. Fuente propia

Skips para pozos verticales: El skip volcador para pozos verticales se

utiliza sobre todo en minería metalífera (Fig. Nº 5). Consta de un recipiente

20

rectangular 1 sin tapa, marco 2, aparato de suspensión 3 fijo sobre el marco

por el eje 4. A los angulares del marco, del lado exterior se fijan los zapatos

que durante el movimiento del skip se deslizan sobre las guiaderas.

Fig. 5. Skip volcador para mineral con capacidad de 3.4 y 6 m3

21

El recipiente gira sobre el eje 5 desplazado con respecto al centro de

gravedad. Su segundo punto de apoyo es el eje inferior 6 del marco. Al llegar

a las guías de descarga, los rodillos 7 del recipiente entran en las curvas, lo

desvían y al final vuelcan. Con movimiento inverso el Skip vuelve a su

posición inicial. El ángulo de vuelco del recipiente es comúnmente 135º. Dos

topes triangulares 8 en la parte superior del recipiente preservan el skip de

su volteo completo durante el ascenso excesivo. Para prevenir el vuelco

accidental del recipiente del skip durante su movimiento en el pozo, se

colocan dos cerrojos automáticos 9 con rodillos 10 que unen el recipiente

con el marco. Un momento antes de entrar los rodillos 7 en las curvas de

descarga, los cerrojos se levantan automáticamente, ya que sus rodillos

encuentran unas rampas presoras instaladas sobre el castillete, y el

recipiente del skip se libera para su vuelco.

Las paredes del recipiente del skip se hacen de chapa de acero de 6 a 12

mm de espesor, y para el piso, de acero de 2 a 4 mm. más grueso. El fondo

del skip se protege con madera recubierta por hoja de acero.

Frecuentemente la pared trasera del skip se hace doble.

Las dimensiones interiores del recipiente del skip dependen de la sección del

pozo, del tamaño de los trozos del mineral, de la humedad, de la presencia

de arcilla, etc. Se recomienda adoptar para minería metalífera a:b:h = 1:1.2:

2 – 2.5. Además el ancho de la pared delantera se determina por la fórmula:

m,γ

Q0.75a 3

υ …. (1)

Donde: Qu: carga útil γ: peso de 1 m3 de mineral, (TN)

22

En la siguiente tabla se dan las dimensiones de skips estandarizados en

minería de metales de color y de la industria del oro (peso de 1 m3 de

mineral = 2.3 TN) de la URSS

Tabla Nº 1. Características de skips estandarizados con cuba inmóvil y cierre

por sector para carbón de la URSS (GOST 3866-56)

Carga

Útil

Volumen

m3

Ancho a

de la

pared

delantera

Profundidad

b del skip

mm.

Altura

h del

skip

mm.

h0

mm

Peso

Propio

Qm, kg

2.0

3.0

4.5

6.0

1.00

1.50

2.25

3.00

900

900

1100

1100

1000

1000

1300

1300

1150

1700

1600

2100

2620

3950

3760

4950

1400

1700

2900

3600

En las hulleras de los Estados Unidos tienen aceptación los skips en forma

de copa, con el fondo esférico y la pared delantera, inclinada en ángulo de

40º a 60º con el horizonte. Por esto se necesita menor ángulo de vuelco

(105º en lugar de 130 a 140º con skips prismáticos), y en consecuencia

menor altura del castillete. Pero se necesita mayor sección del pozo.

Skip de descarga inferior y vasija desviable. Los skips de descarga

inferior se utilizan principalmente en la minería de carbón (Fig. Nº 06). Su

funcionamiento depende esencialmente del dispositivo de cierre de la

compuerta.

El recipiente 2 se suspende excéntricamente por el eje 3 al marco 1 y tiene

una compuerta para descarga 4 giratoria sobre el eje 5. Esta compuerta se

23

retiene en posición cerrada por rodillos de apoyo 6, cuyo eje 7 está fijo en la

parte inferior del marco. Al llegar el skip al lugar de descarga, los rodillos 8

entran en las curvas de descarga y la caja del skip se desvía en 15º con

respecto a la vertical. La compuerta 4 no sostenida ya por los rodillos de

apoyo 6, se abre bajo el peso del carbón y se coloca en ángulo de 45º

formando una canaleta de descarga.

Fig. Nº 06. Skip de descarga inferior y vasija desviable, de construcción Rusa

En el skip Venot, representado en la figura Nº 07, la compuerta de descarga

es en dos partes: compuerta principal 1 y compuerta auxiliar 2, que aseguran

gran abertura para la salida de producto.

24

La compuerta principal de fondo se apoya por una parte sobre un árbol fijo

alrededor del cual gira y, por otra, sobre un conjunto de bielas que aseguran

su cierre y su abertura. La compuerta auxiliar se maneja desde la compuerta

principal mediante dos bielas de unión 3.

Fig. N° 07. Izq. Skip Venot Der. Compuerta del skip Venot.

Las bielas superiores 4 llevan resortes los que fuertemente empujan la

compuerta contra el fondo de la cuba y amortiguan los choques producidos

por la caída del carbón en el skip. A estos resortes también se debe un

25

esfuerzo horizontal en el lugar de la articulación de las bielas superiores, que

actúa en el sentido favorable al cierre.

La abertura de la compuerta está asegurada por unas rampas fijas 5

montadas sobre un esqueleto colocado en el enganche de descarga.

Cuando el skip llega al enganche, los rodillos 6 montados en extremo del

árbol de la articulación de bielas 4 y 7 son solicitados por rampas, y su

movimiento provoca la abertura de la compuerta principal. La abertura de la

compuerta principal provoca la abertura de la puerta auxiliar. El cierre se

hace de la misma manera, pero en sentido contrario.

Los rodillos durante su paso por las rampas provocan un desplazamiento

horizontal del skip en sentido de la compuerta. EL contraguiado absorbe el

empuje horizontal del skip por intermedio de dos rodillos de reacción 8.

Para reducir la trituración del carbón durante su carga en el skip se instala en

la parte superior de la caja del skip un tablero articulado protector. Cuando la

caja se encuentra vacía, el tablero se conserva en posición horizontal por un

contrapeso; durante la carga el tablero retiene el carbón y disminuye su

caída, su movimiento es frenado por un amortiguador; al final de la carga la

compuerta protectora se encuentra colocada a lo largo de la pared del lado

carga.

Skip con Cuba inmóvil y Cierre en Forma de Sector. La cuba y el marco

están soldados conjuntamente (Fig. Nº 08). Durante la descarga del skip, los

rodillos de descarga 6 están en las curvas de descarga y giran las palancas

1 alrededor del árbol 2; con esto el cierre 3 gira levantándose hacia arriba, la

canaleta 4 se desliza sobre el rodillo de apoyo 5 y baja. La abertura de

26

descarga del skip se desliza por la pared trasera inclinada de la cuba y la

canaleta en la tolva.

Los skips estandarizados en la URSS indicados en la tabla 3, tienen volumen

igual al volumen de vagoneta para carbón de una, dos y tres toneladas. Para

poder ser reemplazados mutuamente en los pozos estandarizados, los skips

de 4. 6 y 8 TN y también de 6, 9 y 12 TN se fabrican con iguales secciones

transversales de la cuba pero con diferente altura.

Fig. Nº 08. Skip con Cuba inmóvil y Cierre en Forma de Sector. De

construcción rusa.

Skips para Pozos Inclinados. Los skips para pozos inclinados se

caracterizan por la gran variedad de sus construcciones, ya que sobre su

construcción influyen no sólo los métodos de descarga y tamaño, sino

también el ángulo de inclinación del pozo (20º - 70º).

27

Skip Volcador. (Fig. Nº 9) Se compone de la cuba de forma prismática 1,

ruedas 2 sobre ejes fijos a la cuba, marco 3 giratorio sobre eje 4 fijo en los

costados de la cuba, y aparato de amarre del cable 5. Las ruedas traseras

tienen la llanta más ancha que las ruedas delanteras.

El skip se carga y se descarga por la pared frontal abierta. Durante la

descarga del skip las ruedas delanteras siguen los rieles curvados de la vía

normal, mientras que las ruedas traseras pasan sobre una vía mas ancha del

camino suplementario, apoyándose sobre los rieles por la parte exterior de

sus anchas llantas. La parte delanteras del skip va inclinada de manera que

esté horizontal durante el movimiento del skip en el pozo. El largo de la cuba

se toma 1.5 – 2.5 veces mayor que su ancho.

Fig. Nº 9. Skip Volcador para pozos inclinados

Skip con Pared Trasera Abatible. Tiene una cuba prismática sin pared

trasera, cuyo papel cumple el cierre del sector 1. La descarga de este skip se

realiza según el principio adoptado en el skip volcador, con la diferencia de

que su cuba gira en el sentido contrario, o sea hacia atrás. Con este fin las

ruedas delanteras tienen la llanta ensanchada y las ruedas traseras la tienen

normal.

28

Con ángulos de inclinación de la vía mayores de 40º, desaparece la

necesidad en la inclinación suplementaria de la cuba en el lugar de descarga

del skip, ya que este ángulo es mayor que el ángulo del talud natural y

permite la descarga por gravedad del carbón del skip. En este caso el marco

se suelda a la cuba. Cuando el skip se acerca al lugar de descarga los

rodillos 2 del cierre por sector entran en las curvas de descarga, y con el

movimiento siguiente del skip la compuerta se abre y el skip se descarga.

Skip con Descarga por el Fondo. Se utiliza para el transporte de carbón y

de mineral de hierro para los ángulos de inclinación del pozo no mayores de

35º (Fig. Nº 10).

Fig. Nº 10. Skip con pared Trasera Abatible

Los skips con descarga por el fondo tienen una cuba inmóvil, similar a la

vagoneta de mina de construcción análoga, y tres fondos abatibles. Tienen

mayor tamaño, hasta 12 TN.

Skip – Jaulas para Pozos Verticales. Los recipientes combinados se

utilizan en los casos, en que una instalación se utiliza para la extracción de la

29

carga y para todas las operaciones auxiliares. En el caso que traslade

personal, generalmente el skip no se carga. Los inconvenientes de este tipo

de extracción por recipientes combinados son el mayor peso muerto y una

mayor altura del castillete.

3.2.1.2. JAULAS

La instalación de extracción por jaulas se utiliza como auxiliar para la

circulación de personal, subida y bajada de roca y de materiales. La jaula se

encuentra como recipiente de extracción básico en minas poco profundas de

pequeña producción, provistas de una sola instalación y en minas viejas.

3.2.2. PIQUES O POZOS MINEROS

Los piques son labores verticales que sirven de comunicación entre la mina

subterránea y la superficie exterior con la finalidad de subir o bajar al

personal, material, equipos y el mineral.

Entre los factores para su construcción se encuentran las necesidades de

extracción de mineral; la reducción de los costos de producción y la

profundización de los niveles de extracción.

Entre las consideraciones para su diseño tenemos: Análisis de costos en

relación a otros piques; el área debe ser favorable y suficientemente grande

para las instalaciones de superficie; la naturaleza del suelo debe ser

adecuada para las cimentaciones, realizando para ello estudios de geotecnia

conducentes a la clasificación del macizo en el área destinada para el diseño

30

del pique; la mina, debe tener buenas vías de acceso y espacio libre para

favorecer el trabajo.

Estructura de un Pique. La estructura de un Pique, puede ser de madera o

de acero. En otros casos, si se contara con un nivel inferior, la construcción

del pique se puede practicar con un equipo raise borer, para el cual se

perfora primero el hueco piloto y luego del nivel inferior se empieza a rimar

(ensanchar) con una broca de mayor diámetro y finalmente se completa a la

sección diseñada. En todos los casos el terreno debe ser competente y debe

ser una zona donde no exista agua de filtración.

Las dimensiones de la sección de los piques se pueden determinar a partir

de la ubicación de los compartimientos, teniendo en cuenta los espacios a

dejar entre dichos compartimientos y entre la fortificación; dependen de la

capacidad de la carga y de la profundización de los trabajos de extracción; y

sobretodo es factor importante, la Productividad de la mina. [3]

Guiado. La sección de pozos se divide por divisores en los compartimientos:

de extracción, de escaleras y para caños y cables. Las jaulas y los skips en

su movimiento están guiados por los dispositivos apropiados, guiaderas fijas

sobre los divisores.

Según el material utilizado, el guiado de los pozos puede ser:

Guiado Rígido: en madera, metálico o mixto.

Guiado Flexible: por cables.

Las Guiaderas de Madera. Se hacen sobre todo de roble o de pino; las

maderas exóticas (azobe y pino americano), son más utilizados por su

31

resistencia al desgaste por rozamiento. La resistencia a compresión de estas

maderas, paralelamente a las fibras varía de 600 a 900 kg/cm2.

Las guiaderas se unen a media madera, a veces también a tope, mediante

eclisas metálicas, con o sin un juego de 3mm entre las guiaderas. Las juntas

entre las diferentes guiaderas pueden colocarse sea al mismo nivel o

cruzándolas, lo que permite, teóricamente, reducir los choques al paso de las

jaulas, pero arriesga crear sobre la jaula esfuerzos alternados que se

amplifiquen por resonancia.

Las Guiaderas Metálicas. Se hacen de rieles de 46 a 62 kg/m, de 12m de

largo. A veces se emplea también el hierro perfilado. Las juntas

generalmente están dispuestas sobre los divisores. Al igual que para las

guiaderas en madera, las juntas de diferentes guiaderas pueden ser

colocadas sobre el mismo divisor o cruzadas.

Divisores. Son de madera, casi siempre de roble. La distancia entre los

niveles de los divisores con las guiaderas de rieles de ferrocarril se fija en

3.125 ó 4.167m; con las guiaderas de madera de 1.5 a 2 m.

La fijación de guiaderas de madera sobre los divisores de madera se hace

con pernos hundidos, a veces con interposición del hierro en U. el modo de

fijación de las guiaderas de madera sobre los divisores metálicos está

indicado en la figura… Las guiaderas metálicas de rieles se fijan con los

divisores de hierro mediante unas abrazaderas especiales.

El guiado mixto de divisores metálicos y de guiaderas de madera aumenta la

suavidad del movimiento de los recipientes y la seguridad de trabajo de los

32

paracaídas con cargas suspendidas hasta de 10 TN. Sus inconvenientes:

mayor número de niveles de divisores, menor duración.

El armado metálico es más duradero que el de madera, son menores las

dimensiones de sus elementos y menor el número de niveles de divisores, lo

que disminuye la resistencia aeromotriz del pozo.

Para prevenir la salida intempestiva de vagonetas de las jaulas,

frecuentemente se colocan los rieles de seguridad soportados por los

divisores en los frentes de las vagonetas.

Cálculo de la armadura del pozo

A pesar de que el guiado soporta los esfuerzos estáticos por torsión del

cable, inclinación del pozo (del orden de los 100 Kg.) y los esfuerzos

bastante importantes horizontales de choque durante el movimiento de los

recipientes, en la práctica el cálculo se hace en base a los esfuerzos

desarrollados durante el agarre del paracaídas.

Fig. Nº 11. Formas de pozos mineros: circular y rectangular

33

La carga estática máxima de una cordada de personal se incrementa por un

coeficiente igual a 3 y se admite un coeficiente de seguridad igual a 4 (regla

de Dortmund). Finalmente, la hipótesis más desfavorable consistiría en

admitir que los esfuerzos desarrollados por el agarre de un paracaídas se

soportan por una sola guiadera.

La enciclopedia rusa Gornoe delo, recomienda utilizar:

Armado metálico en los pozos con extracción por skips;

Armado mixto –divisores metálicos, guiaderas de madera en los pozos con

extracción por jaulas con carga suspendida no mayor a 10 TN; armado mixto

con cables de frenado para paracaídas en pozos con extracción por jaulas

con carga suspendida superior de 10 TN; armado mixto con divisores de

forma aerodinámica en los pozos profundos con gran desprendimiento de

grisú.

La duración de servicio del guiado metálico o en azobe en los pozos de

entrada de aire, bien verticales y sin instalación del relleno hidráulico es de

varias decenas de años. Pero en pozos húmedos de salida de aire, con

cañerías de bajada del relleno hidráulico muy abrasivo, la duración puede ser

extremadamente corta (menos de 2 años para guiado en azobe).

34

Fig. Nº 12. Estructura de un pique, en un pozo rectangular de 3 divisiones

(02 skips y una jaula)

Chute de Carga.

Son puntos de carga del skip en cada nivel. Se componen de la tolva de

mineral, la compuerta y las canaletas de descarga. Ahí se estaciona el skip

de mineral, el operador abre la compuerta (con sistema mecánico o

hidráulico) y el mineral cae por gravedad hacia el skip (Fig. Nº 13).

35

Fig. Nº 13. Chute de Carga